1975

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.С. Морозов

ОТКРЫТИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «История теплоэнергетики» для обучающихся

по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

Нижний Новгород

2016

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.С. Морозов

ОТКРЫТИЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Учебно-методическое пособие по подготовке к лекционным занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «История теплоэнергетики» для обучающихся

по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника

Нижний Новгород

2016

УДК 536

Дыскин Л.М. Открытие первого начала термодинамики [Электронный ресурс]: учеб.- метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур. - строит. ун - т – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 16 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: техническая термодинамика, сохранение энергии, первый закон термодинамики, история развития термодинамики.

Рассмотрены предпосылки к открытию и основные этапы развития закона сохранения и превращения энергии.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к лекционным занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «История теплоэнергетики» по направлению подготовки 13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ученые и практики всех времен обращались к исследованиям различных энергетических процессов и предпринимали попытки обобщений, в которых содержались элементы формулировки закона сохранения и превращения энер-

гии. Если обратиться к истории открытия закона сохранения и превращения энергии, то следует иметь ввиду, что термин «энергия» появился лишь на по-

следнем этапе истории великого закона. Кроме того, следует учесть, что основ-

ные достижения физики, химии и биологии, позволившие сделать действитель-

ное обобщение, становятся известными только с начала XIX в.

Еще мыслители древности (Демокрит, Эпикур) утверждали о вечности и неуничтожимости материи и движения. Это было весьма типичным при умо-

зрительном характере науки: ученые, которых можно отнести к числу стихий-

ных материалистов, формулировали на основе логических построений такие принципы и давали обобщения, которые с позиции нынешней науки могут быть оценены как гениальное предвидение. Так в древности зарождались основы не только материалистической, но и диалектической философии.

4

1. ПРИНЦИПЫ СОХРАНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ И МАТЕРИИ

Повседневная практическая деятельность требовала познаний законов движения, прежде всего единственного – механического. И поэтому не случай-

но, что закон сохранения энергии начинал выкристаллизовываться в рамках механики. В 1633 г. в «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована Декартом следующим образом: «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одно-

временно теряет, а отнять от него лишь столько, на сколько увеличит собствен-

ное движение». В таком виде совершенно четко отмечается количественное по-

стоянство движения, причем никакое другое движение, кроме механического,

Декарт не рассматривал. Эта идея получила дальнейшее развитие у Лейбница в его законе сохранения живых сил.

После классических работ Ньютона и Лейбница принцип сохранения движения получил завершение в трудах М. В. Ломоносова, который решился объединить два принципа сохранения: движения и материи. Именно М. В. Ло-

моносову принадлежит открытие закона сохранения вещества, повторенное за-

тем совершенно независимо от него Лавуазье. В 1744 г. М. В. Ломоносов напи-

сал ставшие знаменитыми слова «Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовоку-

пится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в дру-

гом месте, сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя те-

ряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Так, в середине XVIII столетия М. В. Ломоносовым был четко сформули-

рован закон сохранения массы и движения как всеобщий закон природы. Более того, первая часть его выражения («все перемены в натуре случающиеся…»)

сформулирован так широко, что если бы эти слова были написаны сто лет спус-

тя, когда стали известны другие «перемены в натуре» – многочисленные вза-

имные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, меха-

5

нической), то другие формулировки закона сохранения и превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды М. В. Ломоносова почти полтора столетия оставались не-

известными.

2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ К ОТКРЫТИЮ ЗАКОНА

СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Энгельс в статье «Мера движения – работа» подчеркивал, что главное в законе – не количество сохранения, а превращение энергии, являющиеся каче-

ственной частью закона. Чтобы осмыслить качественные превращения энергии из одной её формы в другую, должны были сложиться необходимые и доста-

точные научно-технические предпосылки.

2.1. Развитие учения о теплоте. Механический эквивалент теплоты

Важнейшим среди этих предпосылок явилось развитие учения о теплоте и теплотехническая практика. Известно, какую роль в развитии человека на за-

ре его истории сыграл огонь. Сначала огонь научились сохранять и использо-

вать для приготовления (улучшения) пищи и согревания. В процессе трудовой деятельности человек научился добывать огонь трением. Однако этот первый факт, который следует отнести к области теплоэнергетики, практически не мог привести к мысли о превращении одного вида энергии (механической) в другой

(тепловую). Вместе с тем получение огня трением для обобщений XIX в. было гораздо более важным фактом по сравнению с многовековым производствен-

ным опытом механической энергетики (ветроэнергетики и ранней гидроэнерге-

тики), поскольку в первом случае было налицо качественное преобразование формы энергии (о чем еще не подозревали), а во втором – только преобразова-

ние вида механического движения (что было очевидным).

6

Установлению взаимосвязей между механической и тепловой энергией длительное время объективно препятствовала теория теплорода, хотя эта тео-

рия представляла собой первоначально значительный прогресс в развитии на-

учной мысли. Считалось, что теплород выдавливается из вещества при его сжа-

тии, например, при сжатии газа, как сок из апельсина. Гениальные мысли М. В.

Ломоносова о молекулярном движении как источнике тепла, о кинетической природе тепла в более широком смысле оставались вне поля зрения широкой научной общественности. Наиболее ощутимый удар по теории теплорода уже в эпоху паровых машин (1798 г.) нанесли опыты американца Бенджамина Томп-

сона, более известного в Европе под титулом графа Румфорда. При сверлении орудийных стволов в Мюнхене Румфорд наблюдал выделение тепла, что впро-

чем, было всем известно. Однако Румфорд сумел показать, что при этом может выделиться практически неограниченное количество тепла. В своих опытах он принимал меры к изоляции сверла и ствола с тем, чтобы исключить поступле-

ние теплорода, этой «субстанции теплоты», откуда-либо извне.

Но еще примерно 30 лет после опытов Румфорда теория теплорода, под-

правляемая и «уточняемая», продолжала занимать господствующее положение в объяснениях причины возникновения теплоты. Существенно важной для по-

нимания факта превращения одного вида движения (например, механического)

в другой (например, тепловое) была мысль об эквиваленте, в частности о меха-

ническом эквиваленте тепла. Драматизм истории открытия закона сохранения и превращения энергии состоял в том, что практически до момента полного при-

знания этого закона почти ни одно предшествующее открытие, подтверждаю-

щее его справедливость, либо не публиковалось, либо на него не обращали должного внимания, либо оно просто встречалось в штыки официальной нау-

кой.

Соответствующие труды М. В. Ломоносова до 1904 г. находились в заб-

вении, а будучи в свое время опубликованными в России, не проникли в лабо-

ратории Запада. Румфорд, поколебав устои теории теплорода, не смог её низ-

вергнуть, не найдя доказательств эквивалентности превращения механического

7

движения в теплоту. Двадцативосьмилетний французский инженер Сади Карно опубликовал в 1824 г. замечательную работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой он изложил то,

что впоследствии стали называть вторым началом термодинамики или «прин-

ципом Карно». Но более поздние исследования, в которых Карно отказался от теории теплорода и определил впервые механический эквивалент тепла, свое-

временно не были опубликованы, и рукописи его стали известны лишь в 1878 г.

В приложении к своей единственной книге Карно писал: «Тепло – это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы,

возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном коли-

честву исчезнувшей движущей силы. Обратно, всегда при исчезновении тепло-

ты возникает движущая сила.

Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила су-

ществует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму,

то есть вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».

По измерениям Карно механический эквивалент теплоты составил 370

килограммов на одну килокалорию (напомним, что эта величина составляет 427

килограммометров, или 4186 Джоулей). Сади Карно был сыном своего века.

Его теоретические исследования отвечали на конкретный вопрос, поставлен-

ный развивавшейся промышленностью: как сделать тепловой двигатель более экономичным. Заслуживает внимания и то, что, разрабатывая основы термоди-

намики, Карно исходил из невозможности осуществления вечного двигателя.

Но и на его работы современники не обратили того внимания, которого они за-

служивали. Понадобилось почти два десятилетия, чтобы стало возможно ут-

верждение закона.

8

2.2. Исследование химических, тепловых и механических

действий электрического тока

Исследования химических, тепловых и механических действий электри-

ческого тока в первые сорок лет XIX в. послужили второй важной предпосыл-

кой к открытию закона сохранения и превращения энергии.

В 1800 г. был построен первый электрохимический источник электриче-

ской энергии («вольтов столб») и при помощи электричества осуществлен электролиз воды. Было доказано, что химическая реакция может быть источни-

ком электричества, а электричество, в свою очередь, может вызывать химиче-

ские превращения. Так возникали основы новой науки – электрохимии.

Первые же эксперименты с электрическим током позволили обнаружить нагрев проводника (Тенар, Петров, Дэви и др.), но недостаточная точность из-

мерений не позволила найти точные количественные связи. В 1821 г. было от-

крыто явление термоэлектричества (Зеебек), а 13 лет спустя – обратное ему яв-

ление Пельтье.

Выдающуюся роль в развитии электромагнетизма и в формировании со-

временных физических взглядов сыграл М. Фарадей. Еще в опытах Эрстеда

(1820 г.) демонстрировалось механическое воздействие электрического тока на магнитную стрелку, но Фарадей в 1821 г. осуществил непрерывное движение проводника с током внутри магнита (и наоборот), что явилось прообразом электродвигателя. Им же было показано, что механическое движение провод-

ника в магнитном поле вызывает появление электродвижущей силы (принцип электромеханического генератора); в 1831 г. он открыл явление электромагнит-

ной индукции. В 1836 г. Фарадей сформулировал два закона электролиза, кото-

рыми установил связи между количеством электричества и химическими свой-

ствами веществ.

Великий английский физик совершенно определенно подчеркивал необ-

ходимость установления эквивалентов между различными видами энергии или,

по терминологии того времени, между различными силами. Он писал: «Мы

9

имеем много процессов, при которых внешняя форма силы может претерпевать такие изменения, что происходит явное превращение её в другую. Так, мы мо-

жем превратить химическую силу в электрический ток, а электрический ток в химическую силу. Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную связь теплоты и электричества, а Эрстеда и мои собственные показывают пре-

вращаемость электричества и магнетизма. Но ни а одном случае, даже с элек-

трическим угрем и скатом, «нет производства силы без соответствующего из-

расходования чего-либо, что питает её». В своём дневнике в 1837 г. Фарадей записал: «Нужно сравнить количество материальных сил (т. е. сил электричест-

ва, тяготения, химического сродства, сцепления и т. д.), где возможно дать вы-

ражение для их эквивалентов в той или иной форме».

2.3. Исследование энергетических процессов в биологии

Следует упомянуть и третью важную предпосылку к открытию закона сохранения и превращения энергии – успеха биологии. Среди энциклопедиче-

ских исследований М. В. Ломоносова можно найти догадку о том, что растения питаются одной из частей воздуха. Через 30 лет, в 1783 г., этот факт научно обосновал швейцарский ботаник Сенебье. Постепенно формировались пред-

ставления о переработке в растениях неорганических элементов в органиче-

ские. Развеивался миф об особой «жизненной силе» в организмах человека и животных. Была установлена прямая связь между количеством потребляемой пищи и способностью производить работу.

3. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В

ФОРМЕ ПЕРВОГО НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ

Наступило время широких обобщений – 40-е годы прошлого столетия.

Самое главное, что предстояло сделать, – это осмыслить тот факт, что, кроме вещества, которое, изменяясь качественно, сохраняет свое количество, в приро-