ЭНЕРГИЯ СОХРАНЯЕТСЯ

Закон сохранения энергии вряд лр можно рассмат­ривать как чисто опытное правило. В законе содержат­ся два утверждения: первое — энергию нельзя получить из ничего, и второе— энергия не может бесследно про­пасть.

Первая половина этого утверждения известна как за­кон невозможности вечного двигателя (перпетуум — мобиле) .

Уже давно человечество пришло к досадному заклю­чению, >’то создание двигателя, который ничем не пи­тается, : ещь невозможная. Да и человеческой психоло­гии представляется весьма естественным положение, что «без труда не выловишь и рыбку из пруда». Поэтому осуществление вечного двигателя представлялось науч­ным деятелям средних веков задачей столь же боже­ственной, как и изобретение философского камня или живой воды.

Однако многие наши научные предшественники не рассуждали согласно логике XX века. Признавая, что получен іе энергии из ничего противоречит всему, чему учит жизнь, они тем не менее отважно пускались на поиск вечного движения.

Об осуществлении перпетуум-мобиле мечтает Бер — тольд, герой «Сцен из рыцарских времен» Пушкина. «Что такое перпетуум-мобиле?» — спрашивает его со­беседник. «Это вечное движение, — отвечает тот. — Если найду вечное движение, то я не вижу границ твор­честву человека. Делать золото — задача заманчивая, открытие может быть любопытное, выгодное, но найти разрешение перпетуум-мобиле…»

Вечный двигатель — это машина, которая должна не только преодолевать неизбежно возникающие силы трения, но и вращать колеса или подымать грузы снизу вверх. Работа эта должна происходить вечно и непре­рывно, а двигатель не должен требовать ни топлива, ни рук человеческих, ни энергии падающей воды — сло­вом, ничего взятого извне.

Первый в истории, дошедший до наших дней, досто­верный документ об «осуществлении» идеи вечного дви­гателя относится к XIII веку. Любопытно, что спустя шесть веков, в 1910 году, в одно из московских научных учреждений был представлен на «рассмотрение» «проект» буквально такого же двигателя. Мы помещаем его изображение на этой странице и думаем, что многие с ним знакомы. При вращении колеса грузы перекиды­ваются вправо и поддерживают, по мысли изобретателя, тем самым движение, так как откинувшиеся грузы давят гораздо сильнее, действуя на более далеком от оси расстоянии (большее плечо). Построив эту отнюдь

не сложную «машину», изобретатель убеждается, что, повернувшись по инерции на один или два оборота, ко­лесо останавливается. Но это не приводит его в уны­ние. Он думает, что где-то допущена ошибка и доста­точно удлинить рычаги или изменить форму выступов, как машина заработает. И бесплодная работа, которой многие доморощенные изобретатели посвящали всю свою жизнь, продолжается, но, разумеется, с тем же успехом.

Вариантов вечных двигателей предлагают в общем немного: разнообразные самодвижущиеся колеса, в

принципе не отличающиеся от описанного; гидравличе­ские двигатели, использующие сифоны, капиллярные трубки или потерю веса в воде; притяжение железных гел магнитами — вот, по сути дела, и все. Далеко не всегда, правда, можно было догадаться, за счет чего же должно происходить вечное движение.

Еще до установления закона сохранения энергии утверждение о невозможности перпетуум-мобиле мы на­ходим в официальном заявлении Французской акаде­мии, сделанном в 1755 году. На своем заседании «бес­смертные» решили не принимать больше для рассмот­рения и испытания никакие проекты вечных двигателей.

Многие механики XVII—XVIII веков уже клали в основу своих рассуждений аксиому о невозможности перпетуум-мобиле, несмотря на то, что понятие энер­гии и закон сохранения энергии вошли в науку много позже.

Таким образом, можно сказать, что та часть закона сохранения энергии, которая относится к возникнове­нию энергии, носит эмпирический характер.

Иначе обстоит дело со второй половиной закона, утверждающей, что энергия не пропадает… Откуда это видно? Совсем наоборот. Закрутили рукой колесо, руку отняли — остановится. Кием наподдали бильярдный шар — через две-три секунды его энергия исчезла. Вот вы сняли с плиты чайник. Весело подпрыгивающая крышка постепенно успокаивается, струя идущего из носика пара слабеет и прекращается вовсе, а еще че­рез час даже нельзя сказать, что чайник недавно кипел. Куда делась энергия?

На все эти вопросы отвечают — энергия рассеялась. Но чем эта фраза лучше утверждения — энергия ис­чезла?

Понять, куда девается энергия, можно лишь в том случае, если допустить, что весь мир построен из мель­чайших движущихся частичек — молекул и атомов. Только на этом пути надо искать опытные подтвержде­ния сохранения энергии.

Тщательные наблюдения показывают, что потеря ме­ханической энергии сопровождается большей частью на­греванием окружающих предметов.

Переверните велосипед колесами кверху. Раскрутите педалями заднее колесо. Подшипники у велосипеда превосходные, и колесо будет вращаться долго. Но в конце концов оно остановится. Если я вам скажу, что в результате пропажи механической энергии колеса на­грелись воздух и подшипник, то вы можете мне не пове­рить (нагрев незначительный). Но попробуйте остано­вить колесо рукой. Осторожней, а то обожжете ладонь. Теперь вы в полном смысле снова «ощутили» переход механической энергии в тепло. Как же этот простой факт спасает закон сохранения? Очень просто. Чем вы­ше температура тела, тем быстрее движутся частички. Следовательно, повышение температуры (руки, воздуха, подшипников) говорит об увеличении энергии движе­ния молекул. Значит, видимая пропажа механической энергии, то есть энергии движения больших тел, сопро­вождающаяся нагревом, есть не что иное, как превраще­ние энергии движения больших тел в энергию движения частичек.

Как проверить эту гипотезу?

Прежде всего надо найти общую меру механической энергии и внутренней тепловой энергии или, что то же самое, общую меру работы и тепла.

Первый опыт для установления количественного со­отношения между теплом и работой был проделан из­вестным физиком Румфордом (1768—1814 гг.). Он ра­ботал на орудийном заводе, где изготовляли пушки. Когда сверлили канал ствола орудий, то выделялось тепло. Как оценить его? Что принять за меру тепла? Румфорду пришло в голову поставить работу, произво­димую при сверлении, в связь с нагреванием того или иного количества воды, идущей на охлаждение ствола, на то или иное число градусов.

Для этого, конечно, надо проводить сверление в во­де. Сопоставляя величину произведенной (пропавшей) работы с количеством возникшего тепла (произведение массы воды на прирост температуры), можно прийти к заключению, что исчезновение механической энергии сопровождается появлением пропорционального количе­ства теплоты. Подобными опытами и была найдена об­щая мера тепла и работы.

Первоначальное определение так называемого меха­нического эквивалента теплоты дал французский физик Сади Карно. Этот выдающийся исследователь скончался в 36-летнем возрасте в 1832 году и оставил после себя рукопись, которая была опубликована лишь спустя 50 лет. Открытие Карно оставалось неизвестным и не повлияло на развитие науки. А он весьма строго уста­новил, что подъем одного кубического метра воды (1 тонна) на высоту одного метра требует такой же энергии, какая нужна для нагревания одного килограм­ма воды на 2,7 градуса (точнее, 2,3 градуса).

В 1842 году публикует свою первую работу гейль- броннский врач Юлиус Роберт Майер. Хотя Майер на­зывает знакомые нам физические понятия совсем по — другому, все же внимательное чтение его работы при­водит к выводу, что в ней изложены существенные черты закона сохранения энергии. Майер различает внутрен­нюю энергию (тепловую), потенциальную энергию тяго­тения и энергию движения тепла. Он пытается чисто умозрительно вывести обязательность сохранения энер­гии при различных превращениях. Чтобы проверить это утверждение на опыте, надо иметь общую меру для из­мерения этих энергий. Майер вычисляет, что нагрева­ние килограмма воды на один градус равноценно под­нятию одного килограмма на 365 метров.

Во второй своей работе, опубликованной три года спустя, Майер отмечает универсальность закона сохра­нения энергии — возможность применения его в химии, биологии и космических явлениях. К различным формам энергии Майер добавляет магнитную, электрическую и химическую.

Большая заслуга в открытии закона сохранения энергии принадлежит замечательному английскому фи­зику (пивовару из Сальфорда в Англии) Джемсу Пре­скотту Джоулю, работавшему независимо от Майера.

Если Майер полагает, что законы природы могут быть выведены путем одних рассуждений (гегелевский подход к миру, типичный для немецкой идеалистической философии того времени), то основной чертой Джоуля является строгий экспериментальный подход к явлени­ям. Джоуль задает природе вопрос и получает на него ответ путем глубоко продуманных, целеустремленных опытов. Нет сомнения, что при их проведении он одер­жим одной идеей — найти общую меру тепловых, хи­мических, электрических и механических действий, пока­зать, что во всех этих явлениях энергия сохраняется. Джоуль сформулировал свою мысль так: «В природе не происходит уничтожения силы, производящей работу, без соответствующего ДЄЙСТЕИЯ».

Первая работа Джоуля докладывалась им 24 янва­ря 1843 года, а 21 августа того же года Джоуль доло­жил свои результаты по установлению общей меры те­пла и работы. Нагревание килограмма воды на один

градус оказалось равноценным подъему одного кило­грамма на 460 метров.

В последующие годы Джоуль затрачивает много тру­да на то, чтобы уточнить значение и доказать полную универсальность теплового эквивалента. К концу 40-х го­дов становится ясно, что количестве возникающей те­плоты будет пропорционально количеству затраченной работы всегда — вне зависимости от способа перехода работы в тепло.

В том же XIX веке было установлено, что нельзя «бесплатно» расплавить кусок льда. Впервые был осу­ществлен опыт, ставший впоследствии классическим школьным и который можно повторить в любое мгнове­ние. Попробуем его описать. Возьмите несколько кусоч­ков льда из холодильника и бросьте их в стакан, вставь­те в ледяное крошево термометр и всю эту «экспери­ментальную установку» водрузите на плиту. Результат опыта неизменен: пока лед не растает, градусник будет показывать все время ноль градусов. Итак, энергия по­трачена (газ сгорел), но она не нагрела, не возбудила движение. Куда же она девалась?

До сих пор, говоря об энергии молекул, мы подра­зумевали только энергию их движения. Но механическая энергия тел бывает двух сортов: энергия движения (ки­нетическая) и энергия, определяющаяся взаимодействием этого тела с Землей или соседними телами, так назы­ваемая потенциальная энергия.

Камень на высокой горе обладает большей потен­циальной энергией, чем тот же камень, лежащий на вершине холмика. Два шарика, сжатые мягкой пружи­ной, обладают меньшей энергией, чем два шарика, сжа­тые жесткой пружиной (если эти шарики освободить от связи, они разлетятся с большей скоростью). Вполне — естественно распространить ту же идею на молекулы и предположить: чем сильнее связаны молекулы, тем больше внутренняя потенциальная энергия тела. Чтобы все стало понятно в опыте со льдом, надо лишь принять, что в твердом льде молекулы связаны друг с другом сильнее, чем в жидкой воде. Нагрев без повышения тем­пературы означает, что энергия, затраченная на плавле­ние, ушла на замену сильных связей более слабыми, Впрочем, если продолжать греть воду, нагревая, превра­тить ее в пар, то, подсчитав суммарные расходы, мож-

но сказать, сколько энергии потребовалось на полное разрушение связей между молекулами.

Обоснование закона сохранения энергии на этом поз вольте закончить. Мы утверждали, что видимые про пажи энергии — это на самом деле переходы ее ві внутреннюю энергию тела. Если же рассматривать ect молекулы в каком-нибудь замкнутом объеме (замкнутая система), то для него закон сохранения будет звучатг так: суммарная механическая энергия молекул не ме няется. Впервые закон сохранения в таком виде быг

сформулирован Германом Гельмгольцем на заседании Берлинского физического общества 23 июля 1847 года.

Переход механической энергии во внутреннюю энер­гию тела — типичный случайный процесс. Бессмыслен­но спрашивать, как изменились положение или скорость какой-то определенной молекулы в результате такого перехода. Грамотная постановка вопроса такова: чему равна вероятность того, что молекула сдвийется со своего места на такое-то расстояние, или изменит свою скорость на столько-то процентов, или разорвет свою связь с соседками.

Глубокое понимание превращения энергии невозмож­но без использования теории вероятностей.

Далеко не всегда закон сохранения можно проверить. Попробуй, например, докажи на опыте, что энергия остается неизменной во время замедленного движения катящегося по бильярдному сукну шара. Однако число случаев, когда в самых сложнейших явлениях баланс затрат и доходов сходится «до копейки», столь велико, что вера в универсальную справедливость закона яв­ляется категорической у всех естествоиспытателей. Без сомнения, эта вера не подвергалась бы сомнениям, если бы не молекулярно-кинетическое обоснование зако­на. В свою очередь, молекулярно-кинетическая гипотеза перестала быть гипотезой, а стала фактом лишь после исследования броуновского движения. А что касается броуновского движения, то его анализ был бы невозмо­жен без привлечения вероятностных соображений.

Так что же, дорога от игры в «орел» и «решку» ведет к закону сохранения энергии?

Без сомнения. И это не так уж удивительно. Малр найдется областей знания, к которым не тянутся нити, и Ые только нити, но и канаты, от идеп вервятности.