3.4. Взаимопревращения различных видов энергии друг в друга

Установлению закона сохранения и превращения энер­гии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механичес­кого эффекта в «электричество», о «химической силе веще­ства», о превращении «химической силы» в теплоту и элект­ричество. Он распространяет положение о сохранении и пре­вращении этих различных «сил» природы на живые орга­низмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.

176

Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Воль изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к от­крытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух ме­таллических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствует о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает со­отношение между величиной количества теплоты, выделя­емой при прохождении электрического тока через провод­ник, и величиной самого тока и сопротивления проводни­ка (закон Джоуля-Ленца).

Итак, на протяжении более четырех десятилетий фор­мировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явле­ний природы. Принцип этот гласит, что существует опре­деленная величина, называемая энергией, которая не меня­ется ни при каких превращениях, происходящих в приро­де. Исключений из закона сохранения энергии не сущест­вует. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая револю­ция в физике.

Основные выводы главы

1. Энергия — единая мера различных форм движения материи.

2. Механическая энергия и тепловая энергия — это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии.

3. Возможны два качественно различных способа пере­ дачи энергии от одного макроскопического тела к друго­ му — в форме работы и в форме теплоты (путем теплооб­ мена). При этом макроскопическое тело рассматривается как огромная совокупность микрочастиц.

177

4. Изменение энергии тела, осуществленное первым спо­ собом, называют работой, совершаемой над этим телом. Пе­ редача энергии в форме работы производится в процессе си­ лового взаимодействия тел и всегда сопровождается макро­ перемещением. Работа, совершаемая над телом, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии.

5. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, по­ лучаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.

6. Невозможен вечный двигатель (перпетуум-мобиле) первого рода. Это является следствием первого (I) начала термодинамики.

7. Всеми явлениями природы управляет закон сохране­ ния и превращения энергии: энергия в природе не возни­ кает из ничего и не исчезает: количество энергии неиз­ менно, она только переходит из одной формы в другую.

Вопросы для самоконтроля

1. Найдите слова «теплота» и «работа» в Толковом словаре. Сколько различных значений приводится для каж­ дого слова?

2. Придумайте несколько примеров таких процессов, в которых работа может приводить к тому же (или близко­ му) результату, к какому привело бы тепловое взаимодей­ ствие.

3. Перечислите различные типы тепловых двигателей, с которыми вам приходилось встречаться, о которых вы читали или которые можете придумать сами.

4. Определите, какой энергией обладает тело массой 2 килограмма, движущееся со скоростью 10 м/с.

5. Какие виды механической энергии вам известны?

6. Сформулируйте закон сохранения механической энер­ гии и определите границы его применимости.

7. Расскажите об опыте Румфорда. Какой вывод сдела­ ли бы вы сами из результатов этого опыта?

8. Как объяснил Майер различие между величинами — удельной теплоемкостью газа при постоянном давлении и удельной теплоемкостью газа при постоянном объеме?

178

9. Сформулируйте первое (I) начало термодинамики. Опишите способы передачи энергии от одного макроскопи­ ческого тела другому?

10. Объясните, чем обусловливается передача энергии путем теплообмена.