Принцип эквивалентности

В 1798 г. английский ученый Румфорд обнаружил, что в результате трения тупого резца о внутреннюю поверхность орудийного ствола температура ствола возрастает вследствие выделения тепла. При этом тепло может выделяться столь долго, сколь долго вращается орудийный ствол. Румфорд сделал вывод о том, что «если изолированное тело или система тел способны без ограничения производить теплоту, то она не может быть материальной субстанцией», и что «только движение в состоянии обеспечить непрерывное возбуждение и распространение тепла в наших опытах». Потрясли теорию теплорода и опыты англичанина Дэви, показавшего, что два куска льда или жира, или воска можно расплавить простым трением друг о друга без соприкосновения с каким-либо более нагретым телом.

Врач Ю. Р. Майер в 1840 г, поразился светлой венозной крови у жителей острова Ява. У европейцев она темная. Вследствие высокой температуры тропиков организм должен вырабатывать меньше теплоты для покрытия ее потерь, чем при более низкой температуре в Европе. Поэтому в условиях тропиков артериальная кровь должна меньше раскисляться. «Человеческий организм – тепловая машина» – Лавуазье. У работы и теплоты один и тот же источник – окисленная в организме пища. Майер делает важнейший для термодинамики вывод: «теплота и движение превращаются друг в друга».

Но закон неизменного количественного отношения между движением и теплотой должен быть выражен также числовым образом.

В результате серии превосходно поставленных в I843-I850 г.г. опытов английский физик ДЖ. П. Джоуль установил, что между затраченной работой L и количеством подученного тепла Q существует прямая пропорциональность

Q=AL, (6.1)

где А – коэффициент пропорциональности. Т.е. Джоуль установил, что при затрате одного и того же количества работы выделяется всегда одно и то же количество тепла. Таким образом, было показано, что количество полученного тепла эквивалентно количеству затраченной работы; понятно, что это соотношение справедливо и при совершении работы за счет затраты тепла.

Из результатов своих измерений Джоуль вычислил величину А, которая носит наименование термического или теплового эквивалента работы, и - механического эквивалента тепла: А=0,002345 , и =427 . Очевидно, что . Численные значения термического эквивалента работы приведе­ны в таблице:

Q	L	A
Ккал	кгм	ккал/кг•м
Ккал	кВт•ч	860 ккал/кВт•ч
Дж	кг•м	9,81 Дж/кгм
Ккал	л.с. •ч	623,3 ккал/л.с.•ч
Дж	Дж	1

Таблица 6.1

Численные значения термического эквивалента работы

Таблица 6.2

Соотношение между единицами работы и тепла

Единицы	Дж	Эрг	кгс•м	ккал	квт•ч
1 Дж	1		0,101972	2,38846•	2,7778•
1 эрг		1	10,1972•	23,8846•	27,778•
1 кгс•м	9,8065	98,0665•	1	2,34228•	2,72407•
1ккал	4186,8	41,868•	462,935	1	1,163•
1квт•ч	3,6•	36•	367098	859,845	1

В дальнейшем для упрощения обозначений в термодинамических уравнениях не будут фигурировать коэффициенты A и - теплота и работа будут измеряться в одинаковых единицах. В системе СИ, когда теплота в работа выражаются в джоулях,

= = . (6.2)

Обобщая принцип эквивалентности теплоты и механической работы, можно утверждать, что все виды энергии, несмотря на их качественное различие, находятся в определенном эквивалентном отношении друг к другу.