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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Lei da conservação de energia. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes A realização mais importante da ciência natural é o estabelecimento da lei da conservação da energia. O significado desta lei vai muito além dos limites de uma lei física particular. Em vez da lei da conservação das massas, esta lei constitui a pedra angular da visão de mundo materialista científica, expressando o fato da indestrutibilidade da matéria e do movimento. Na verdade, os pré-requisitos filosóficos para tal afirmação já estavam lá. Eles também estavam entre os filósofos antigos, especialmente os atomistas, e Descartes, e foram especialmente vistos de forma concreta e distinta em Lomonosov. Em 1807, um membro da Academia de Ciências de Paris, o físico e químico francês Joseph Louis Gay-Lussac, estudando as propriedades dos gases, montou um experimento. Antes disso, já se sabia que o gás comprimido, em expansão, esfria. O cientista sugeriu que isso pode ser porque a capacidade calorífica do gás depende de seu volume. Ele decidiu conferir. Gay-Lussac fez com que o gás se expandisse de um vaso para um vazio, ou seja, outro vaso do qual o ar havia sido previamente evacuado. Para surpresa de todos os cientistas que observaram o experimento, não ocorreu diminuição da temperatura, a temperatura de todo o gás não mudou. O resultado obtido não justificou as suposições do cientista, e ele não entendeu o significado do experimento. Gay-Lussac fez uma grande descoberta e não percebeu. Um papel muito importante no desenvolvimento da doutrina da transmutabilidade das forças da natureza foi desempenhado pela pesquisa do cientista russo Emil Khristianovich Lenz, juntando-se a este respeito à investigação Faraday. Seus notáveis trabalhos sobre eletricidade têm uma clara orientação energética e contribuíram significativamente para o fortalecimento da lei. Portanto, Lenz ocupa legitimamente um dos primeiros lugares na galáxia de criadores e fortalecedores da lei de conservação de energia. O primeiro a formular com precisão esta grande lei da ciência natural foi o médico alemão Robert Mayer. Robert Julius Mayer (1814–1878) nasceu em Heilbronn na família de um farmacêutico. Depois de terminar o colegial, Mayer entrou na Faculdade de Medicina da Universidade de Tübingen. Aqui ele não frequentou cursos de matemática e física, mas estudou completamente química com Gmelin. Ele não conseguiu terminar a universidade em Tübingen sem interrupção. Ele foi preso por participar de uma reunião proibida. Na prisão, Mayer fez greve de fome e no sexto dia após sua prisão foi liberado em prisão domiciliar. De Tübingen, Mayer foi para Munique, depois para Viena. Finalmente, em janeiro de 1838, ele foi autorizado a retornar à sua terra natal. Aqui ele passou nos exames e defendeu sua dissertação. Mayer logo tomou a decisão de se juntar a um navio holandês com destino à Indonésia como médico de um navio. Esta viagem desempenhou um papel importante na sua descoberta. Trabalhando nos trópicos, ele notou que a cor do sangue venoso dos habitantes de um clima quente é mais brilhante e escarlate do que a cor escura do sangue dos habitantes da Europa fria. Mayer explicou corretamente o brilho do sangue nos habitantes dos trópicos: devido à alta temperatura, o corpo tem que produzir menos calor. Afinal, em um clima quente, as pessoas nunca congelam. Portanto, em países quentes, o sangue arterial é menos oxidado e permanece quase o mesmo vermelho quando passa para as veias. Mayer surgiu com uma suposição: a quantidade de calor liberada pelo corpo mudaria quando a mesma quantidade de alimento é oxidada, se o corpo, além de liberar calor, ainda trabalha? Se a quantidade de calor não muda, mais ou menos calor pode ser obtido da mesma quantidade de comida, pois o trabalho pode ser convertido em calor, por exemplo, por fricção. Se a quantidade de calor muda, então o trabalho e o calor devem sua origem à mesma fonte - os alimentos oxidados no corpo. Afinal, trabalho e calor podem ser transformados um no outro. Esta ideia tornou imediatamente possível a Mayer esclarecer a misteriosa experiência de Gay-Lussac. Se calor e trabalho são mutuamente convertidos, então quando os gases se expandem em um vazio, quando não produz nenhum trabalho, uma vez que não há força de pressão oposta ao aumento de seu volume, o gás não deve ser resfriado. Se, quando o gás se expande, ele precisa realizar trabalho contra a pressão externa, sua temperatura deve diminuir. Mas se calor e trabalho podem se transformar um no outro, se essas quantidades físicas são semelhantes, então surge a questão sobre a relação entre eles. Mayer tentou descobrir: quanto trabalho é necessário para liberar uma certa quantidade de calor e vice-versa? Naquela época, sabia-se que para aquecer um gás a pressão constante, quando o gás se expande, é necessário mais calor do que aquecer o gás em um recipiente fechado. Ou seja, a capacidade calorífica de um gás a pressão constante é maior do que a volume constante. Essas quantidades já eram bem conhecidas. Mas foi estabelecido que ambos dependem da natureza do gás: a diferença entre eles é quase a mesma para todos os gases. Mayer percebeu que essa diferença de calor se deve ao fato de o gás, ao se expandir, funcionar. O trabalho realizado por um mol de um gás em expansão quando aquecido em um grau não é difícil de determinar. Qualquer gás com baixa densidade pode ser considerado ideal - sua equação de estado era conhecida. Se você aquecer um gás em um grau, então, a pressão constante, seu volume aumentará em certa quantidade. Assim, Mayer descobriu que para qualquer gás, a diferença entre a capacidade calorífica do gás a pressão constante e a capacidade calorífica do gás a volume constante é uma quantidade chamada de constante do gás. Depende da massa molar e da temperatura. Esta equação agora leva seu nome. Simultaneamente com Mayer e independentemente dele, a lei da conservação e transformação da energia foi desenvolvida Joule и Helmholtz. A abordagem mecânica de Helmholtz, que ele mesmo foi forçado a reconhecer como estreita, tornou possível estabelecer uma medida absoluta para a "força viva" e considerar todas as formas possíveis de energia na forma de cinética ("forças vivas") ou potencial ( "forças de tensão"). A quantidade da forma de movimento transformada pode ser medida pela magnitude desse trabalho mecânico, por exemplo, no levantamento de uma carga, que poderia ser obtido se todo o movimento desaparecido fosse gasto nesse levantamento. A fundamentação experimental do princípio consiste, antes de tudo, na comprovação da certeza quantitativa deste trabalho. Os experimentos clássicos de Joule foram dedicados a esse problema. James Prescott Joule (1818-1889) - cervejeiro de Manchester - começou com a invenção de aparelhos eletromagnéticos. Esses dispositivos e os fenômenos associados a eles tornaram-se uma manifestação concreta e vívida da transmutabilidade das forças físicas. Em primeiro lugar, Joule investigou as leis da geração de calor por corrente elétrica. Como os experimentos com fontes galvânicas (1841) não permitiram estabelecer se o calor desenvolvido pela corrente no condutor era apenas o calor transferido das reações químicas na bateria, Joule decidiu experimentar a corrente de indução. Ele colocou uma bobina com núcleo de ferro em um recipiente fechado com água, as extremidades do enrolamento da bobina foram conectadas a um galvanômetro sensível. A bobina foi colocada em rotação entre os pólos de um forte eletroímã, através do enrolamento do qual a corrente era passada da bateria. O número de rotações da bobina atingiu 600 por minuto, enquanto alternadamente um quarto de hora o enrolamento do eletroímã estava fechado, um quarto estava aberto. O calor liberado devido ao atrito no segundo caso foi subtraído do calor liberado no primeiro caso. Joule descobriu que a quantidade de calor gerada por correntes indutivas é proporcional ao quadrado da intensidade da corrente. Como neste caso as correntes surgiram devido ao movimento mecânico, Joule chegou à conclusão de que o calor pode ser criado usando forças mecânicas. Além disso, Joule, substituindo a rotação da mão pela rotação produzida por um peso em queda, estabeleceu que "a quantidade de calor capaz de aquecer 1 libra de água em 1 grau é igual e pode ser convertida em força mecânica, que é capaz de levantar 838 libras a uma altura vertical de 1 pé". Esses resultados foram resumidos por ele no trabalho "Sobre o efeito térmico da magnetoeletricidade e o significado mecânico do calor", relatado na seção física e matemática da Associação Britânica em 21 de agosto de 1843. Finalmente, nas obras de 1847-1850, Joule desenvolve seu método principal, que foi incluído nos livros didáticos de física. Dá a definição mais perfeita do equivalente mecânico do calor. O calorímetro de metal foi montado em uma bancada de madeira. Dentro do calorímetro há um eixo carregando lâminas ou asas. Essas asas estão localizadas em planos verticais formando um ângulo de 45 graus entre si (oito linhas). Quatro fileiras de placas são fixadas nas paredes laterais na direção radial, o que não impede a rotação das pás, mas impede o movimento de toda a massa de água. Para fins de isolamento térmico, o eixo metálico é dividido em duas partes por um cilindro de madeira. Na extremidade externa do eixo há um cilindro de madeira, no qual duas cordas são enroladas na mesma direção, deixando a superfície do cilindro em pontos opostos. As extremidades das cordas são presas a blocos fixos, cujos eixos estão em rodas leves. No eixo estão cordas enroladas que transportam cargas. A altura da queda de mercadorias é medida por trilhos. Em seguida, o Joule determinou o equivalente medindo o calor gerado pelo atrito do ferro fundido sobre o ferro fundido. Uma placa de ferro fundido girada em um eixo no calorímetro. Os anéis deslizam livremente ao longo do eixo, carregando uma armação, um tubo e um disco, encaixados em forma de uma placa de ferro fundido. Com a ajuda de uma haste e uma alavanca, você pode aplicar pressão e pressionar o disco contra o disco. Joule fez as últimas medições do equivalente mecânico em 1878. Os cálculos de Mayer e os experimentos de Joule completaram a disputa bicentenária sobre a natureza do calor. O princípio da equivalência entre calor e trabalho, comprovado pela experiência, pode ser formulado da seguinte forma: em todos os casos em que o trabalho surge do calor, é gasto uma quantidade de calor igual ao trabalho recebido e vice-versa, quando o trabalho é despendido, o mesma quantidade de calor é obtida. Essa conclusão foi chamada de Primeira Lei da Termodinâmica. De acordo com esta lei, o trabalho pode ser convertido em calor e vice-versa - calor em trabalho. Além disso, esses dois valores são iguais entre si. Esta conclusão é válida para o ciclo termodinâmico, no qual o sistema deve ser reduzido às condições iniciais. Assim, para qualquer processo circular, o trabalho realizado pelo sistema é igual ao calor recebido pelo sistema. A descoberta da Primeira Lei da Termodinâmica comprovou a impossibilidade de inventar uma máquina de movimento perpétuo. No início, a lei da conservação da energia foi chamada de “o movimento perpétuo é impossível”. Autor: Samin D. K.
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