Физика. Закон сохранения энергии

Распространение паровых двигателей и изучение их работы сохранения энергии содействовали развитию термодинамики, т.е. учения о теплоте как движущей силе, ставшего теоретической базой теплотехники.

Один из основоположников термодинамики — французский ученый Сади Карно (1796—1832) исследовал вопрос о «получении движения из тепла» и о возможности получения «движущей силы» (полезной работы) при переходе тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Опубликованное при его жизни исследование «Размышление о движущей силе огня...» (1824 г.) долго оставалось незамеченным. Лишь в 1834 г. Б. Клапейрон (1799—1864) повторил рассуждения Карно и придал им стройную математическую форму.

В середине XIX в. эти идеи были переработаны и развиты применительно к представлению о теплоте как о движении молекул английским ученым Уильямом Томсоном (1824—1907), известным впоследствии под именем лорда Кальвина, и немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822—1888). Окончательное оформление механическая теория теплоты и проблема превращения тепловой энергии в механическую получили в трудах немецкого естествоиспытателя и врача Юлиуса Роберта Майера (1814—1878). Так как в то время еще не существовало термина «энергия», Майер и другие ученые употребляли выражение «сила». Термин «энергия» в нынешнем смысле этого слова стал впервые применять У. Томсон в 60-х годах XIX в.

Установление механического эквивалента теплоты является заслугой многих исследователей, действовавших одновременно и в ряде случаев независимо друг от друга в различных странах: Джемса Прескота Джоуля (1818—1889) и Уильяма Роберта Грова (1811—1896) в Англии, Людвига Августа Кольдинга (1815—1888) в Дании, Германа Гельмгольца (1821—1894) в Германии.

Майер не ограничился исследованием вопроса о превращении механического движения в теплоту. Он обосновал (в 1842 г.) и доказал экспериментально более общий закон сохранения и превращения энергии («силы»), открытый впервые в общей форме Ломоносовым. К сходным выводам пришли также многие другие ученые. Обоснованием закона сохранения и превращения энергии послужили исследования в области термодинамики, наблюдения над тепловым и химическим действием электрического тока и некоторые открытия в области химии. В 1847 г. Г. Гельмгольц дал математическое выражение закона сохранения и превращения энергии («силы»). Было установлено, что все виды энергии — механическая, тепловая, электричество, магнетизм — переходят друг в друга.

Что касается развития термодинамики, то исследования Сади Карно, Томсона и Клаузиуса привели к формулировке первого и второго начал (принципов) термодинамики, широко используемых в настоящее время. Однако Томсон и Клаузиус, распространяя на всю вселенную закономерности, наблюдаемые в замкнутых системах тел (в условиях земных опытов) сделали из второго начала термодинамики ошибочный вывод о неизбежности «тепловой смерти» вселенной.

Учение об электричестве

Серьезные успехи в учении об электричестве и магнетизме были связаны прежде всего с практическим использованием электромагнитных явлений.

На рубеже XVIII—XIX вв. итальянский физик Алессандро Вольта (1745— 1827), дав правильное истолкование предшествующих опытов Луиджи Гальвани (1737—1798), создал «гальваническую батарею». Этого рода батареи долго служили единственными источниками электрического тока.

Продолжив опыты Гальванрг и Вольта, русский ученый В. В. Петров (1761 — 1834) построил электрическую батарею значительного по тому времени размера и произвел ряд важных исследований возможности применения электричества в различных областях производства и быта. В частности, он обнаружил в 1802 г. явление электрической дуги. Несколько лет спустя это явление наблюдалось английским ученым X. Дэви (1778—1829), назвавшим электрическую дугу вольтовой. Практическое использование электрической дуги в целях освещения (дуговые фонари) началось в 40—50 годах XIX в.

В 1820 г. датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777—1851) произвел важные наблюдения над действием электрического тока на магнитную стрелку. Французский ученый Ампер (1775—1836), основоположник электродинамики, сделал следующий шаг, открыв и вычислив взаимодействие между двумя электрическими токами, проходящими по проводникам, и установив, что ток в свою очередь создает магнитное силовое поле.

В 1831 г. один из крупнейших ученых Англии, Майкл Фарадей (1791 — 1867), открыл и описал явление электромагнитной индукции, заметив, что если замкнутый проводник при своем перемещении пересекает магнитные силовые линии, то в нем возбуждается электрический ток. Это исключительно важное открытие позволило создать магнитоэлектрические генераторы и электродвигатели.

В 1833 г., вскоре после открытия Фарадея, русский физик Э. X. Ленц (1804—1865) обобщил законы электромагнитной индукции и электромагнитного вращения и установил направление индуктированного тока («закон Ленца»), а в 1838 г. сформулировал весьма важный для электротехники принцип обратимости генераторного и двигательного режимов электрических машин и практически реализовал этот принцип, заставив одну и ту же машину работать в режиме как генератора, так и двигателя.

Ряд исследований по электромагнетизму Э. X. Ленц провел вместе с Б. С. Якоби.

Одновременно с изучением магнитных свойств электрического тока велись работы по исследованию его теплового действия. В 1821 г. профессор Берлинского университета Т. И. Зеебек (1770—1831) открыл явление термоэлектричества. Он показал, что при нагревании места соединения проводников из различных металлов в цепи возникает электрический ток. В 1834 г. французский физик Ж. Пельтье (1785—1845) установил явление обратимости термоэлектрического действия, т. е. выделения или поглощения тепла в зависимости от направления тока, протекающего через спай двух различных проводников. Это явление было в дальнейшем использовано для изготовления термопар (термоэлементов). В 1841 г. Джоулем, а несколько позже Ленцем . был открыт закон теплового действия тока при прохождении его по проводнику, получивший название закона Джоуля—Ленца.

Для практической электротехники большое значение имело установление количественных соотношений между величинами сопротивления электрической цепи, электродвижущей силы и силы тока, сделанное немецким физиком Г. Омом (1787— 1854) в середине 20-х годов XIX в. («закон Ома»).

Теоретическим исследованиям в области электромагнитных явлений способствовали успехи электрометрии. К. Ф. Гаусс в сотрудничестве с В. Э. Вебером разработал абсолютную систему электромагнитных единиц, положив в ее основу метрическую систему. Ученые сконструировали более точные приборы для магнитных измерений и ввели новые методы измерения магнитных полей.