Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Теория Майера не нашла сторонников, однако он прямо заявил, что не верит в существование нематериальных субстанций вроде теплорода — невесомой жидкости — или флогистона (мифического горючего «наполнителя» всех тел). Призвав общественность к борьбе с древними суевериями, ученый подчеркнул, что природа намного мудрее человека и познать ее не так-то просто.

Одновременно с Майером исследования энергообмена проводил английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889). Ничего не зная об изысканиях немецкого коллеги, в 1843 г. он тоже обнаружил, что работу (энергию перемещения или трения) можно «обменять» на эквивалентное количество теплоты, и наоборот. Джоуль экспериментировал с гальваническим элементом — электрической батареей, состоящей из цинковой и медной пластин, погруженных в раствор серной кислоты. Цинковая пластина в таком устройстве накапливает отрицательный заряд, отдавая раствору положительные атомы-ионы, а при соединении с медной пластиной перебрасывает ей лишние электроны, вследствие чего генерируется электричество. Соответственно, если к гальваническому элементу подсоединить провод, по нему пойдет ток. Так вот, наблюдения показали: во время прохождения тока провод нагревается, и столько же тепла выделяют химические процессы в батарее. Из этого ученый заключил, что поток электронов транспортирует по цепи тепло из батареи, и решил ради любопытства посмотреть, как поведет себя индукционный (мгновенный) ток.

Для этого ему понадобился железный стержень, обмотанный проволокой и помещенный в воду, электромагнит, установленный полюсами по обе стороны катушки, и гальванометр. Подсоединив проволоку к гальванометру, а магнит — к батарее, Джоуль принялся вращать катушку и при этом каждые 15 мин включать-выключать магнит. В моменты возбуждения и исчезновения магнитного поля в катушке возникал индукционный ток — ученый измерял его силу, а также температуру воды. Вскоре стало ясно: мгновенные токи нагревают проводник не хуже постоянного гальванического, и количество выделяемого при этом тепла пропорционально числу атомов, участвующих в химических реакциях батареи. Чтобы определить, как много тепла дает ток, нужно умножить время его прохождения, квадрат его силы и сопротивление проводника.

Далее Джоуль попробовал крутить катушку в разные стороны, предварительно подключив ее к электроцепи, а также придумал вращать ее в магнитном поле падающими грузами. Замеряя не только силу тока и температуру воды, но и работу грузов, ученый выяснил, что на получение 1 ккал тепла нужно потратить 460 кГм механической энергии. А еще сделал вывод: генерируемое магнитом электричество содержит в себе «агентов», которые собственным движением выделяют тепло.

Впоследствии Джоуль нашел механические эквиваленты тепла, выделенного водой, проходящей по узкой трубке, и грузами, которые опускались и поднимались, вращая вертикальную спицу с насаженными на нее лопатками. Это окончательно убедило физика в том, что движение может трансформироваться в тепло, а тепло способно запускать движение либо способствовать магнитному притяжению. То есть все три вида энергии превращаются один в другой без малейших потерь.

Вопрос трансформации энергии очень интересовал и немецкого физиолога Германа Гельмгольца (1821–1894). Сначала Гельмгольц исследовал взаимные преобразования потенциальной энергии, которую тело получает благодаря своему расположению в пространстве, и кинетической энергии движения, а также выделение тепла в процессе этих превращений. Затем ученый занялся тепловыми свойствами электротока — в частности, подсчитал, сколько энергии генерирует конденсатор в заряженном состоянии, а главное — обнаружил нагревание проводника при разряде. После этого Герман поместил в силовое поле замкнутой электроцепи магнит и увидел, что тот начал двигаться, то есть у него появилась кинетическая энергия. Кроме того, за определенный период времени батарея произвела работу, представляющую собой произведение силы тока, электродвижущей силы и временнóго интервала, а проводник выделил тепло, количество которого равнялось произведению силы тока, времени и двойного сопротивления.

Увы, в то время наука еще была не готова принять открытия Гельмгольца, но постепенно ученые все же оценили важность его исследований, и в середине XIX в. закону сохранения и превращения энергии дали почетный титул базового закона природы, объединяющего все физические явления. Позже У. Томсон, Р. Клаузиус и У. Дж. Ренкин углубили теорию Карно, Майера, Джоуля и Гельмгольца, и научный мир навсегда отказался от идеи «невесомых материй».

С открытием первого закона термодинамики стало ясно: все тела, что бы с ними ни происходило, постоянно обмениваются энергией, которая при этом трансформируется из одного вида в другой. Однако в данном законе и слова нет о том, что такие превращения могут быть как обратимыми, двусторонними, так и направленными в одну сторону. Почему упавшая книга, ударившись о пол, не подпрыгивает — ведь по идее она должна была бы нагреть половицы, и их тепловая энергия, перейдя в потенциальную, подтолкнула бы книгу вверх? Почему горячий чай остывает, передавая тепло воздуху, но сам после этого уже не нагревается? Почему качели, если их толкнуть один раз, постепенно останавливаются? Согласно первому закону термодинамики, механическая энергия качелей переходит в тепловую, и нагретый воздух снова сообщает им энергию движения ― но в реальности так не происходит…

Ответ на эти вопросы дает второй закон термодинамики: не все виды энергии склонны к взаимным превращениям — невозможно заставить два тела обмениваться теплом бесконечно.

Первым, пусть и несознательно, на это указал французский ученый Сади Карно, которому принадлежит честь открытия основного закона сохранения энергии. Карно считал, что все энергетические трансформации происходят абсолютно без потерь, но во время проектирования идеальной тепловой машины выяснил: наибольший коэффициент ее полезного действия ничтожно мал — всего-то 8 %, а с учетом отдачи тепла в воздух и вовсе процента два. Для вычисления КПД ученый определил температуру нагревательного и охлаждающего элементов (в кельвинах), вычел вторую из первой, а затем разделил на показатель нагревателя. Полученная формула впоследствии легла в основу второго начала термодинамики и значительно помогла оптимизировать работу многих машин.

Карно рассудил, что для повышения КПД нужно поднять температуру нагрева, и предложил задействовать в качестве рабочего тела турбин не только водяной пар, но и газ. Это помогло, но добиться стопроцентного результата не получилось. Разогретый до 800 К (527 °C) газ охлаждался затем до 300 К (26 °C), однако максимально возможный выход составлял не более 60 %: слишком много тепла расходовалось впустую.