エネルギー保存の法則。科学的発見の歴史と本質

最も重要な科学的発見
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エネルギー保存の法則。科学的発見の歴史と本質

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自然科学の最大の成果は、エネルギー保存則の確立です。この法則の意味は、特定の物理法則の限界をはるかに超えています。質量保存の法則の代わりに、この法則は科学的唯物論的世界観の基礎を形成し、物質と運動の不滅の事実を表現しています。実際、そのような声明の哲学的前提条件はすでにそこにありました。彼らはまた、古代の哲学者、特に原子論者の中にいました。デカルト、特に具体的かつ明確に見られましたロモノソフ.

1807 年、パリ科学アカデミーのメンバーであり、フランスの物理学者で化学者でもあったジョセフルイゲイリュサックは、ガスの性質を研究して実験を行いました。その前に、圧縮されたガスが膨張して冷えることはすでに知られていました。科学者は、これはガスの熱容量がその体積に依存するためである可能性があると示唆しました。彼はそれを調べることにしました。ゲイ・リュサックは、ガスを容器から空隙、つまり以前に空気が排出されていた別の容器に膨張させました。

実験を観察したすべての科学者が驚いたことに、温度の低下は発生せず、ガス全体の温度は変化しませんでした。得られた結果は科学者の仮定を正当化せず、彼は実験の意味を理解していませんでした。ゲイ・ルサックは大きな発見をしましたが、それに気づきませんでした。

ロシアの科学者の研究は、自然の力の変換可能性の教義の発展において非常に重要な役割を果たしましたエミール・クリスティアノビッチ・レンツ、この点で研究に隣接ファラデー. 電気に関する彼の著名な業績は、明確なエネルギー指向を持ち、法律の強化に大きく貢献しました。したがって、レンツは当然のことながら、エネルギー保存の法則の創造者と強化者の銀河の最初の場所のXNUMXつを占めています。

この偉大な自然科学の法則を最初に正確に定式化したのは、ドイツの医師ロバート・メイヤーでした。

ロバート・ジュリアス・メイヤー (1814–1878) は、ハイルブロンの薬屋の家に生まれた。高校卒業後、テュービンゲン大学医学部に入学。ここで彼は数学や物理学のコースには参加しませんでしたが、Gmelin で化学を徹底的に学びました。彼は休憩なしでテュービンゲンの大学を卒業できませんでした。彼は禁止された集会に参加したとして逮捕されました。刑務所で、マイヤーはハンガーストライキを行い、逮捕後 1838 日目に自宅軟禁下で釈放された。メイヤーはテュービンゲンからミュンヘンに行き、次にウィーンに行きました。最後に、XNUMX 年 XNUMX 月、彼は故郷に戻ることを許されました。ここで彼は試験に合格し、論文を擁護しました。

メイヤーはすぐに、船医としてインドネシア行きのオランダ船に加わることを決定しました。この旅は、その発見に重要な役割を果たしました。熱帯地方で働いていた彼は、暑い気候の住民の静脈血の色が、寒いヨーロッパの住民の血の暗い色よりも明るく緋色であることに気付きました。マイヤーは、熱帯地方の住民の血液の明るさを正しく説明しました。高温のため、体はより少ない熱を生成する必要があります。結局のところ、暑い気候では、人々は凍ることはありません。そのため、暑い国では動脈血の酸化が少なく、静脈に入ってもほぼ同じ赤色のままです。

Mayer は次のような仮説を立てました。体が熱を放出するだけでなく、まだ機能している場合、同じ量の食物が酸化されたときに、体から放出される熱の量は変化するでしょうか? 熱量が変化しない場合、仕事は摩擦などによって熱に変換されるため、同じ量の食品から多かれ少なかれ熱を得ることができます。

熱量が変化すると、仕事と熱の起源は同じであり、体内で酸化した食物です。結局のところ、仕事と熱は相互に変換することができます。このアイデアにより、メイヤーはすぐに謎に満ちたゲイ＝リュサックの実験を解明することが可能になりました。

熱と仕事が相互に変換される場合、気体が膨張して真空になるとき、仕事を生み出さないときは、体積の増加に対抗する圧力がないため、気体を冷却する必要はありません。気体が膨張するときに外圧に逆らって仕事をしなければならない場合、その温度は低下するはずです。しかし、もし熱と仕事が互いに変化することができれば、これらの物理量が似ているとすれば、それらの間の関係について疑問が生じます.

メイヤーは、特定の量の熱を放出するのにどれだけの仕事が必要か、またその逆はどれくらいの仕事が必要かを調べようとしました。その時までに、一定の圧力でガスを加熱するには、ガスが膨張するときに、密閉容器内でガスを加熱するよりも多くの熱が必要であることが知られていました。つまり、一定の圧力でのガスの熱容量は、一定の体積でのガスの熱容量よりも大きくなります。これらの量はすでによく知られていました。しかし、どちらもガスの性質に依存することが確立されています。それらの違いは、すべてのガスでほぼ同じです。

メイヤーは、この熱の違いは、ガスが膨張するときに実際に作用するという事実によるものであることに気づきました。膨張するガス XNUMX モルが XNUMX 度加熱されたときに行う仕事は、簡単に求めることができます。低密度の気体はどれも理想的であると考えられます。その状態方程式は既知です。気体を XNUMX 度加熱すると、一定圧力下ではその体積は一定量増加します。

したがって、Mayerは、どのガスについても、一定圧力でのガスの熱容量と一定体積でのガスの熱容量の差がガス定数と呼ばれる量であることを発見しました。それはモル質量と温度に依存します。この方程式は今や彼の名を冠しています。

マイヤーと同時に、彼とは独立して、エネルギーの保存と変換の法則が開発されましたジュール и ヘルムホルツ.

ヘルムホルツの機械的アプローチは、彼自身が狭いと認識することを余儀なくされ、「生きている力」の絶対的な尺度を確立し、運動（「生きている力」）またはポテンシャル（「張力」）。

変換された運動形態の量は、たとえば、荷物を持ち上げる際の機械的仕事の大きさによって測定できます。これは、消失した運動全体がこの持ち上げに費やされた場合に得られる可能性があります。原理の実験的立証は、まず第一に、この研究の定量的確実性の証明にある。ジュールの古典的な実験は、この問題に専念していました。

James Prescott Joule (1818-1889) - マンチェスターの醸造家 - は電磁装置の発明から始まりました。これらのデバイスとそれに関連する現象は、物理的な力の変容性を具体的に鮮やかに表現しています。まず、ジュールは電流による発熱の法則を調べました。ガルバニック源を使った実験 (1841 年) では、導体内の電流によって発生した熱が電池内の化学反応の伝達熱だけであるかどうかを立証することができなかったため、ジュールは誘導電流で実験することにしました。

彼は水の入った密閉容器に鉄心のコイルを入れ、コイル巻線の端を高感度検流計に接続しました。コイルは強力な電磁石の極の間で回転するように設定され、その巻線にバッテリーから電流が流れました。コイルの回転数は毎分600回に達し、電磁石の巻線がXNUMX分ごとに閉じられ、XNUMX分のXNUMXが開いていました。 XNUMX 番目のケースで摩擦によって放出された熱は、最初のケースで放出された熱から差し引かれます。ジュールは、誘導電流によって発生する熱量が電流強度の XNUMX 乗に比例することを発見しました。この場合、機械的な動きによって電流が発生したため、ジュールは機械的な力を使用して熱を発生させることができるという結論に達しました。

さらに、ジュールは、手の回転をおもりの落下による回転に置き換えて、「1 ポンドの水を 1 度加熱できる熱量は等しく、機械力に変換できる」ことを確立しました。 838 ポンドを 1 フィートの高さまで持ち上げることができます。」これらの結果は、21 年 1843 月 XNUMX 日に英国協会の物理および数学セクションで報告された「磁気電気の熱効果と熱の機械的意義について」という著作で彼によって要約されました。

最後に、1847 年から 1850 年の作品で、ジュールは物理学の教科書に含まれていた彼の主要な方法を開発しました。それは、熱の機械的等価物の最も完全な定義を提供します。金属熱量計は木製のベンチに取り付けられました。軸が熱量計の内部を通過し、ブレードまたは翼を運びます。これらの翼は、互いに45度の角度を形成する垂直面に配置されています（XNUMX列）。 XNUMX列のプレートが半径方向に側壁に取り付けられており、ブレードの回転を妨げませんが、水の塊全体の動きを防ぎます。断熱の目的で、金属製の車軸は木製のシリンダーで XNUMX つの部分に分割されています。車軸の外側の端には木製のシリンダーがあり、その上に XNUMX 本のロープが同じ方向に巻き付けられ、シリンダーの表面が反対側に出ます。ロープの端は固定ブロックに取り付けられており、その軸は軽い車輪の上にあります。軸には、負荷を運ぶ巻かれたロープがあります。商品の落下高さはレールで計測。

次に、ジュールは、鋳鉄と鋳鉄の摩擦によって発生する熱を測定することによって、当量を決定しました。熱量計の軸を中心に回転する鋳鉄板。リングは軸に沿って自由にスライドし、フレーム、チューブ、およびディスクを運び、鋳鉄プレートに形状を合わせます。ロッドとてこを使って圧力をかけ、ディスクをレコードに押し付けることができます。ジュールは 1878 年に機械的同等物の最後の測定を行いました。

メイヤーの計算とジュールの実験は、熱の性質に関する XNUMX 年に一度の論争を完結させました。経験的に証明された熱と仕事の等価原理は、次のように定式化できます。すべての場合に、熱から仕事が現れる場合、受け取った仕事に等しい量の熱が消費され、逆に、仕事が消費される場合、同じ量の熱が消費されます。の熱が得られます。この結論は、熱力学の第一法則と呼ばれています。

この法則によれば、仕事は熱に変換でき、熱は仕事に変換できます。また、これらの値は両方とも等しいです。この結論は、システムを初期条件に戻す必要がある熱力学的サイクルに有効です。したがって、循環プロセスでは、システムが行う仕事は、システムが受け取る熱に等しくなります。

熱力学第一法則の発見により、永久機関の発明が不可能であることが証明されました。当初、エネルギー保存の法則は「永久機関は不可能である」と呼ばれていました。

著者: サミン D.K.

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