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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Legge di conservazione dell'energia. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Il risultato più importante delle scienze naturali è l'istituzione della legge di conservazione dell'energia. Il significato di questa legge va ben oltre i limiti di una particolare legge fisica. Invece della legge di conservazione delle masse, questa legge costituisce la pietra angolare della visione materialistica del mondo scientifica, esprimendo il fatto dell'indistruttibilità della materia e del movimento. In realtà, i presupposti filosofici per una simile affermazione esistevano già. Erano anche tra i filosofi antichi, in particolare gli atomisti, e Cartesio, e sono stati visti in modo particolarmente concreto e distinto Lomonosov. Nel 1807, un membro dell'Accademia delle scienze di Parigi, il fisico e chimico francese Joseph Louis Gay-Lussac, studiando le proprietà dei gas, organizzò un esperimento. Prima di allora, si sapeva già che il gas compresso, espandendosi, si raffredda. Lo scienziato ha suggerito che ciò potrebbe essere dovuto al fatto che la capacità termica del gas dipende dal suo volume. Ha deciso di dare un'occhiata. Gay-Lussac ha fatto espandere il gas da una nave in un vuoto, cioè un'altra nave da cui l'aria era stata precedentemente evacuata. Con sorpresa di tutti gli scienziati che hanno osservato l'esperimento, non si è verificata alcuna diminuzione della temperatura, la temperatura dell'intero gas non è cambiata. Il risultato ottenuto non giustificava le ipotesi dello scienziato e non capiva il significato dell'esperimento. Gay-Lussac fece un'importante scoperta e non se ne accorse. Un ruolo molto importante nello sviluppo della dottrina della trasmutabilità delle forze della natura è stato svolto dalla ricerca dello scienziato russo Emil Khristianovich Lenz, annesso a questo riguardo alla ricerca Faraday. I suoi notevoli lavori sull'elettricità hanno un chiaro orientamento energetico e hanno contribuito in modo significativo al rafforzamento della legge. Pertanto, Lenz occupa giustamente uno dei primi posti nella galassia dei creatori e rafforzatori della legge di conservazione dell'energia. Il primo a formulare accuratamente questa grande legge delle scienze naturali fu il medico tedesco Robert Mayer. Robert Julius Mayer (1814–1878) nacque a Heilbronn dalla famiglia di un farmacista. Dopo il diploma di scuola superiore, Mayer è entrato alla Facoltà di Medicina dell'Università di Tubinga. Qui non ha frequentato corsi di matematica e fisica, ma ha studiato a fondo chimica con Gmelin. Non è riuscito a finire l'università a Tubinga senza interruzioni. È stato arrestato per aver partecipato a un raduno vietato. In prigione, Mayer ha iniziato lo sciopero della fame e il sesto giorno dopo il suo arresto è stato rilasciato agli arresti domiciliari. Da Tubinga Mayer si recò a Monaco, poi a Vienna. Infine, nel gennaio 1838, gli fu permesso di tornare in patria. Qui ha superato gli esami e ha difeso la sua tesi. Mayer prese presto la decisione di unirsi a una nave olandese diretta in Indonesia come medico di bordo. Questo viaggio ha giocato un ruolo importante nella sua scoperta. Lavorando ai tropici, ha notato che il colore del sangue venoso degli abitanti di un clima caldo è più luminoso e scarlatto del colore scuro del sangue degli abitanti della fredda Europa. Mayer ha spiegato correttamente la luminosità del sangue negli abitanti dei tropici: a causa dell'alta temperatura, il corpo deve produrre meno calore. Dopotutto, in un clima caldo, le persone non si bloccano mai. Pertanto, nei paesi caldi, il sangue arterioso è meno ossidato e rimane quasi lo stesso rosso quando passa nelle vene. Mayer ha ipotizzato: la quantità di calore rilasciata dal corpo cambierà quando la stessa quantità di cibo viene ossidata, se il corpo, oltre a rilasciare calore, funziona ancora? Se la quantità di calore non cambia, è possibile ottenere più o meno calore dalla stessa quantità di cibo, poiché il lavoro può essere convertito in calore, ad esempio, per attrito. Se la quantità di calore cambia, il lavoro e il calore devono la loro origine alla stessa fonte: il cibo ossidato nel corpo. Dopotutto, lavoro e calore possono trasformarsi l'uno nell'altro. Questa idea ha permesso immediatamente a Mayer di chiarire ed enigmaticamente l'esperimento di Gay-Lussac. Se calore e lavoro si convertono reciprocamente, quando i gas si espandono in un vuoto, quando non produce lavoro, poiché non c'è forza di pressione che si oppone all'aumento del suo volume, il gas non deve essere raffreddato. Se, quando il gas si espande, deve lavorare contro la pressione esterna, la sua temperatura dovrebbe diminuire. Ma se il calore e il lavoro possono trasformarsi l'uno nell'altro, se queste quantità fisiche sono simili, allora sorge la domanda sulla relazione tra loro. Mayer ha provato a scoprire: quanto lavoro è necessario per rilasciare una certa quantità di calore e viceversa? A quel tempo, si sapeva che per riscaldare un gas a pressione costante, quando il gas si espande, è necessario più calore che per riscaldare il gas in un recipiente chiuso. Cioè, la capacità termica di un gas a pressione costante è maggiore che a volume costante. Queste quantità erano già ben note. Ma è stato stabilito che entrambi dipendono dalla natura del gas: la differenza tra loro è quasi la stessa per tutti i gas. Mayer si rese conto che questa differenza di calore è dovuta al fatto che il gas, quando si espande, funziona. Il lavoro svolto da una mole di gas in espansione quando riscaldato di un grado è facile da determinare. Qualsiasi gas a bassa densità può essere considerato ideale: la sua equazione di stato era nota. Se riscaldi un gas di un grado, a pressione costante il suo volume aumenterà di una certa quantità. Pertanto, Mayer ha scoperto che per qualsiasi gas, la differenza tra la capacità termica del gas a pressione costante e la capacità termica del gas a volume costante è una quantità chiamata costante del gas. Dipende dalla massa molare e dalla temperatura. Questa equazione ora porta il suo nome. Contemporaneamente a Mayer e indipendentemente da lui, si sviluppò la legge di conservazione e trasformazione dell'energia Joule и Helmholtz. L'approccio meccanico di Helmholtz, che egli stesso fu costretto a riconoscere come ristretto, permise di stabilire una misura assoluta per la "forza viva" e di considerare tutte le possibili forme di energia sia sotto forma di cinetica ("forze viventi") o potenziale ( "forze di tensione"). La quantità della forma trasformata di movimento può essere misurata dall'entità di quel lavoro meccanico, ad esempio nel sollevare un carico, che si potrebbe ottenere se l'intero movimento scomparso fosse speso per questo sollevamento. La fondatezza sperimentale del principio consiste, anzitutto, nella prova della certezza quantitativa di questo lavoro. Gli esperimenti classici di Joule erano dedicati a questo problema. James Prescott Joule (1818-1889) - birraio di Manchester - iniziò con l'invenzione dell'apparato elettromagnetico. Questi dispositivi ei fenomeni ad essi associati sono diventati una concreta manifestazione vivida della trasmutabilità delle forze fisiche. Prima di tutto, Joule ha studiato le leggi della generazione di calore dalla corrente elettrica. Poiché gli esperimenti con sorgenti galvaniche (1841) non permettevano di stabilire se il calore sviluppato dalla corrente nel conduttore fosse solo il calore trasferito delle reazioni chimiche nella batteria, Joule decise di sperimentare con la corrente di induzione. Posò una bobina con un'anima di ferro in un recipiente chiuso con acqua, le estremità dell'avvolgimento della bobina erano collegate a un galvanometro sensibile. La bobina era posta in rotazione tra i poli di un potente elettromagnete, attraverso il cui avvolgimento veniva fatta passare la corrente dalla batteria. Il numero di giri della bobina raggiungeva i 600 al minuto, mentre alternativamente per un quarto d'ora l'avvolgimento dell'elettromagnete era chiuso, un quarto era aperto. Il calore rilasciato per attrito nel secondo caso è stato sottratto dal calore rilasciato nel primo caso. Joule ha scoperto che la quantità di calore generata dalle correnti induttive è proporzionale al quadrato dell'intensità della corrente. Poiché in questo caso le correnti si sono formate a causa del movimento meccanico, Joule è giunto alla conclusione che il calore può essere creato utilizzando forze meccaniche. Inoltre Joule, sostituendo la rotazione della mano con la rotazione prodotta da un peso in caduta, stabilì che "la quantità di calore che è in grado di riscaldare 1 libbra d'acqua di 1 grado, è uguale e può essere convertita in forza meccanica, che è in grado di sollevare 838 libbre ad un'altezza verticale di 1 piede". Questi risultati furono da lui riassunti nel lavoro "Sull'effetto termico della magnetoelettricità e sul significato meccanico del calore", riportato alla sezione fisica e matematica della British Association il 21 agosto 1843. Infine, nelle opere del 1847-1850, Joule sviluppa il suo metodo principale, che è stato incluso nei libri di fisica. Dà la definizione più perfetta dell'equivalente meccanico del calore. Il calorimetro in metallo era montato su una panca di legno. All'interno del calorimetro c'è un asse che porta lame o ali. Queste ali si trovano su piani verticali formando un angolo di 45 gradi l'una con l'altra (otto file). Quattro file di piastre sono fissate alle pareti laterali in direzione radiale, che non impediscono la rotazione delle lame, ma impediscono il movimento dell'intera massa d'acqua. Ai fini dell'isolamento termico, l'asse metallico è diviso in due parti da un cilindro di legno. All'estremità esterna dell'asse si trova un cilindro di legno, sul quale sono avvolte due funi nella stessa direzione, lasciando la superficie del cilindro in punti opposti. Le estremità delle funi sono fissate a blocchi fissi, i cui assi giacciono su ruote leggere. Sull'asse ci sono funi avvolte che trasportano carichi. L'altezza della caduta delle merci è misurata da binari. Successivamente, il Joule ha determinato l'equivalente misurando il calore generato dall'attrito della ghisa sulla ghisa. Una piastra di ghisa ruotata su un asse nel calorimetro. Gli anelli scorrono liberamente lungo l'asse, portando un telaio, un tubo e un disco, sagomati su una piastra di ghisa. Con l'aiuto di un'asta e di una leva, puoi esercitare pressione e premere il disco contro il disco. Joule effettuò le ultime misurazioni dell'equivalente meccanico nel 1878. I calcoli di Mayer e gli esperimenti di Joule completarono la disputa bicentenaria sulla natura del calore. Il principio di equivalenza tra calore e lavoro, provato dall'esperienza, può essere formulato come segue: in tutti i casi in cui il lavoro emerge dal calore, si spende una quantità di calore pari al lavoro ricevuto, e viceversa, quando si spende il lavoro, il si ottiene la stessa quantità di calore. Questa conclusione è stata chiamata la prima legge della termodinamica. Secondo questa legge, il lavoro può essere convertito in calore e viceversa, il calore in lavoro. Inoltre, entrambi questi valori sono uguali tra loro. Questa conclusione vale per il ciclo termodinamico, in cui il sistema deve essere ridotto alle condizioni iniziali. Pertanto, per qualsiasi processo circolare, il lavoro svolto dal sistema è uguale al calore ricevuto dal sistema. La scoperta della Prima Legge della Termodinamica ha dimostrato l'impossibilità di inventare una macchina a moto perpetuo. All'inizio, la legge di conservazione dell'energia era chiamata così: "la macchina del moto perpetuo è impossibile". Autore: Samin D.K.
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