На главную страницу сайта, Вечный двигатель, Перпетуум мобиле, Perpetuum mobile

Читать далее

хорошая аренда автокрана киев Читать далее

avtotral.com

Педант.ру

Педант.ру

pedant.ru

На пути к определению понятий работы и энергии.

Не забудьте добавить в
 

Еще за пятьсот лет до нашей эры греческий философ Анаксагор провозглашал:

«Ничто не может стать чем-то иным, и ничто не может быть уничтожено».

Его современник Эмпедокл выражал эту мысль еще резче, утверждая, что «только сумасшедшие могут полагать, что в мире может начаться нечто, чего никогда не было, либо то, что есть, может пройти или исчезнуть бесследно». Наконец, любимым изречением противников перпетуум мобиле, даже во времена его наибольшего расцвета, была известная латинская пословица nihil dat quod non habet — «ничто не дает того, чего не имеет». В то же время вряд ли Эмпедокл и Анаксагор могли предполагать, что потребуется целых 25 столетий, чтобы их слова вновь оказались в центре внимания ученых. Уместно вспомнить, что еще в середине XVII в. понятие силы было предметом серьезных научных споров между выдающимися учеными того времени — Декартом и Лейбницем, причем ни один из них так и не сумел дать этому понятию правильное физическое толкование.

И все же формирование основных физических понятий — силы, работы, энергии, тепла — неуклонно продолжалось. Несомненно, что тут нам обязательно придется вспомнить еще несколько замечательных имен.

Сади Карно, сын одного из «организаторов побед» великой французской революции Лазара Карно, родился еще до того, как по Европе стремительно ширилась молва о могучей машине, с ужасным грохотом изрыгающей снопы искр и клубы дыма и пара и, главное, способной заменить труд многих людей. Идея паровой машины прямо-таки заворожила Сади Карно, заставила его задуматься над принципами ее работы, внушила ему новые мысли, свободные от священного страха перед новоиспеченным Големом, внезапно появившимся в современном ему мире. В своих представлениях Карно постепенно начал связывать паровую машину с некоторым физическим понятием, к которому уже достаточно близко подходили его предшественники. Вспомним, что и Германн, и Эйлер, и Даниил Бернулли долгие годы продолжали искать ответ на весьма занимавший многих тогдашних ученых трудный вопрос, что же такое, собственно, тепло.

В конце концов, после многочисленных экспериментов стало очевидным, что тепло сопровождает все физические процессы, связанные с горением. Так в конце XVII в. появилась теория «огненной» субстанции — флогистона. Согласно этой теории флогистон считался особой нематериальной субстанцией, которая высвобождается из тел при их горении. Упразднил флогистон выдающийся французский химик и естествоиспытатель Антуан Лоран Лавуазьесн*. Он сумел выяснить сущность процесса горения и доказать ошибочность теории флогистона, опытным путем открыв, что основную роль в процессе горения играет кислород. Что же касается тепла, выделяющегося при сгорании, то с ним по-прежнему многое оставалось неясным. Ученый мир никак не мог освободиться от старых представлений, согласно которым считалось, что тепло, возникающее при горении различных веществ, также является некоторой материальной субстанцией. Сам Лавуазье называл эту субстанцию «теплородом» (calorique). Как известно, характерной особенностью любого вещества является его вес, которым обладает даже самая маленькая частица вещества. Взвесить же теплоту никак не удавалось, и поэтому ученым не оставалось ничего иного, как заняться созданием новой, так называемой флюидной теории, в рамках которой тепло возглашалось особой невесомой субстанцией. На эту субстанцию был распространен также и закон сохранения количества вещества: считалось, что теплород не возникает и не исчезает при любых физических и химических превращениях. Единственное, что было совершенно ясно, — это то, что новая субстанция всегда переходит от тел более горячих к телам более холодным и никак не наоборот. Однако этого единственно достоверного, подтвержденного экспериментом факта было явно недостаточно для четкого объяснения сущности загадочного понятия — тепла.

Важное значение для более глубокого анализа понятия теплоты с точки зрения молекулярно-кинетических представлений, а также для доказательства несостоятельности теории «теплорода» имели опыты Румфорда. В 1798 г. Бенджамин Томсон (граф Румфорд), будучи обязанным по долгу службы наблюдать за расточкой орудийных стволов на заводах военного арсенала, заметил, что даже за короткое время сверления ствол медной пушки успевал сильно нагреться. Томсон, внимательно следивший за проходившей в то время научной дискуссией о сущности тепла, еще раньше обратил внимание на то, что возникновение тепла не всегда определяется процессами горения. Он даже поставил серию опытов, которые доказали, что тепло не переходит в результате трения из соседних тел, а порождается в самом металле ствола. Описывая свои опыты и сравнивая возникновение тепла при горении и создание его чисто механическим путем, Томсон прибегнул к столь меткой аналогии, что даже непонятно, почему она оказалась недостаточно убедительной для его коллег. Так, тепло, высвобождаемое при сгорании, Томсон сравнил с влажностью в закрытой комнате, в которой находится мокрая губка. Влажность в этой комнате может увеличиваться лишь на то количество водяных паров, которое в жидком виде содержит мокрая губка, то есть она не может нарастать произвольно. Тепло же, полученное трением, он сравнивал с колоколом, который звонит до тех пор, пока по нему бьют, т.е. неограниченно долго сн**.

Вместе с тем пока шли бурные споры о том, что же такое тепло, количество вновь построенных паровых машин, превращавших тепло в механическую работу, быстро возрастало, а их преимущества по сравнению с другими источниками энергии день ото дня становились все более убедительными. Правда, высокие расходы по приобретению и эксплуатации паровых машин делали их недоступными для многих заинтересованных предпринимателей. Средняя стоимость паровой машины мощностью от 3 до 4,5 кВт еще в 30-е годы XIX в. колебалась в странах центральной Европы от 6 до 8 тыс. золотых. На покупку паровой машины, требовавшей квалифицированного персонала для ее обслуживания и большого расхода довольно дорогого топлива, решиться было нелегко, тем более что изготовитель не всегда мог поручиться за соблюдение предусмотренных норм потребления топлива. Правильной оценке производительности машин мешало также отсутствие четких понятий работы и мощности. Создатели паровых машин обходили это затруднение, составляя для своих машин индивидуальные критерии экономичности. Одним из таких критериев служило отношение количества сожженного топлива к выполненной работе, измерявшейся, например, объемом откачанной из шахты воды. Понятно, что для каждой отдельной паровой машины введенный таким образом коэффициент экономичности мог быть иным. По мере технического совершенствования машин потребление топлива падало, а объем выполнявшейся машиной работы увеличивался. Тем самым величина указанного коэффициента уменьшалась — это давало основания считать, что, продолжая совершенствовать паровую машину и дальше, можно было бы в конце концов достичь сколь угодно малой величины этого коэффициента. Подобная идея оказывалась лишь на руку сторонникам вечного движения, которые в достижении предельного нулевого значения коэффициента экономичности и создании таким образом идеальной машины усматривали одну из возможностей осуществимости перпетуум мобиле.

Одним из исследователей, разработавших достаточно полную теорию паровой машины и стоявших у истоков новой науки - термодинамики, был уже упоминавшийся нами Сади Карно. Он был воспитанником парижской Политехнической школы — в то время нового учебного заведения, стремившегося привить учащимся умение применять в практической деятельности математические и физические методы, добиваясь в то же время гармонии между этими методами и их инженерными приложениями. Тепловая машина дала Карно возможность проверить правильность методических принципов Политехнической школы.

Сади Карно представлял себе паровую машину как своего рода мельницу, в которую втекает тепловая субстанция — упругий теплород с высокой плотностью тепла, а вытекает теплород менее плотный. Тем самым он пришел к идее, что для создания в машине движущей силы необходимо наличие перепада концентрации теплорода, а также установил, что при непрерывной работе тепловой машины этот перепад должен периодически восстанавливаться сн***. Тепловая машина Карно могла работать и как двигатель, преобразуя теплоту в механическую работу, и как тепловой насос, повышающий концентрацию теплорода за счет совершения механической работы, т.е. обладала свойством, названным позднее обратимостью. При этом Карно сумел доказать, что даже в идеальных условиях обратимости введенного им циклического процесса, вошедшего в историю науки под названием цикла Карно, в работу можно преобразовать лишь часть подводимого тепла, — тем самым решался вопрос о пределах совершенствования тепловой машины.

Отметим, что при создании своей теории молодой французский инженер исходил из концепции теплорода, не усматривая в ней никаких противоречий. Позднее, в 30-е годы XIX в. он отказался от своих первоначальных взглядов на теплоту, как на невесомую упругую субстанцию, и пришел к представлению о том, что природа тепла состоит в движении мельчайших частиц вещества сн****. В 1832 г. Сади Карно заболел холерой и умер, не успев опубликовать свои работы, содержавшие основные идеи новой теории тепла и принцип сохранения энергии в тепловых процессах сн*****. Почти 50 лет эти результаты оставались скрытыми в его записных книжках, которые были найдены и опубликованы только в 1879 г., когда дискуссия о сохранении и превращении энергии была уже завершена.

С утверждением паровой машины в промышленности и с разработкой ее полной теории в мир науки полноправно вошли новые понятия — работа и энергия, понимавшиеся уже практически с современных позиций. Например, французский ученый Жан Виктор Понселе говорил об этом так:

«Исполнять работу в техническом смысле слова — это значит преодолевать или уничтожать сопротивление. Механическая работа — это постоянное преодоление сопротивлений силой, действующей вдоль пути и в направлении этого пути».

По существу, это было уже то определение работы, которое позволило другому французскому ученому Л. Навье ввести в 1826 г. классическую единицу работы — килограммометр. Понселе дал для работы и другое определение, пусть не столь научное, но тем не менее опирающееся на каждодневный практический опыт. Он писал:

«Механическая работа — это то, что оплачивается деньгами, а живая сила — это, собственно, запас работы... Машина есть устройство для преобразования механической работы».

Именно поэтому Понселе был полностью убежден, что никакую машину нельзя превратить в вечный двигатель.

Как известно, колыбелью паровой машины была Англия. Трудами англичан Уатта, а позднее Тревитика, Стефенсона и других конструкторов это изобретение было значительно усовершенствовано, а после проникновения на европейский континент развитие паровых машин стало особенно бурным. Вместе с тем теоретической разработке функциональных принципов этих машин английские ученые не уделяли должного внимания, несмотря на то что промышленность была кровно заинтересована в их коренном улучшении и повышении их экономичности. Одной из основных причин такого отставания являлся определенный консерватизм тогдашней английской науки, ее отсталые представления, остававшиеся на уровне средневековых понятий: так, некоторые английские ученые просто путали тепло с огнем, а другие даже тепло живых организмов рассматривали как невидимую форму огня. В результате Англия дважды отдавала ученым других стран пальму первенства — не только за эмпирическое создание паровой машины, но и за теоретическую разработку принципов ее действия, что в конце концов досталось на долю ее континентальной соседки — Франции. Но все-таки к середине XIX в. идея энергетической связи между химическими, электрическими, тепловыми и механическими явлениями дала прочные всходы во многих европейских странах — до открытия закона сохранения энергии оставалось совсем немного времени.

 

Не забудьте добавить в
 

Сноски по тексту

*

Лавуазье был не только серьезным ученым, но и крупным дельцом. Он занимал должность генерального откупщика, внушавшую традиционную ненависть народу, и был гильотинирован по приговору революционного трибунала.

**

Именно неистощимость источника теплоты была для Томсона доводом против его субстанциональной природы: «...нельзя принимать за материальную субстанцию то, что может постоянно и бесконечно производиться одним телом или даже целою системою их, и мне кажется очень трудным, если не совершенно невозможным, ясно представить то, что возбуждалось и соблюдалось в этих опытах, если это не будет движение».

***

Поскольку теплород являлся субстанцией неуничтожаемой, то, как писал Карно, «возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, но переходу его от горячего тела к холодному».

****

Как известно, достаточно полно учение о тепле как о движении мельчайших частиц вещества — молекул развил еще в 1747 г. М. В. Ломоносов в своем известном труде «Размышления о причине тепла и холода».

*****

Вот как писал об этих вещах сам Карно: «Тепло есть 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 количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при возникновении тепла возникает движущая сила... Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она лишь меняет форму, т.е. вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает».

 

Изобретатели, ученые и исторические личности упоминаемые на странице

Анаксагор из Клазомен в Малой Азии (ок. 500 - 428 до н.э.)
хотя и не вполне последовательный, но склонявшийся к материализму древнегреческий философ. Первоосновой бытия считал бесконечное множество качественно различных элементов, или "семян", всевозможных вещей, которые организует человеческий ум (нус) - движущий принцип мирового порядка.

Бернулли Даниил (1700 - 1782)
один из наиболее выдающихся физиков и математиков своего времени, сын Иоганна Бернулли. Изучал механику, математику и медицину. С 1725 по 1733 г. работал в Петербургской Академии наук. Много занимался акустикой и гидродинамикой, получив, в частности, уравнение, названное его именем, а также ввел новое определение теплоты, основанное на представлении о движении молекул.

Германн Якоб (1678 - 1733)
швейцарский математик, ученик Я. Бернулли. Был профессором математики в Падуе, Франкфурте на Одере, профессором философии в Базеле, а в 1725 г., приглашенный Петром I, прибыл в Россию для работы во вновь учрежденной Академии наук, членом которой был избран в том же году.

Декарт Рене (Картезий) (1596 - 1650)
знаменитый французский математик и философ, первым в современной науке создавший единую систему механико-материалистического понимания природы. Заложил основы аналитической геометрии (метод прямоугольных координат), ввел понятия переменной величины и функции. Высказал закон сохранения количества движения. Резко выступал против теологии, отстаивая принцип причинности при объяснении физических явлений. Общая же причина движения, по Декарту, - Бог, который сотворил материю, движение и покой.

Карно Лазар Никола (1753 - 1823)
французский математик, политический деятель и военный инженер времен Великой Французской революции. Был членом Законодательного собрания, позднее - членом Конвента, Комитета общественного спасения, Директории. Принимал активное участие в военных действиях по защите революции, был автором планов военных походов революционных армий. Во время "Ста дней" Наполеона занимал пост министра внутренних дел; после реставрации Бурбонов в 1815 г. был изгнан из Франции и умер в Германии. Наиболее ценными его работами считаются сочинения математического и военного характера, в том числе "Essai sur les machines en general" ("Рассуждение о машинах вообще") (1784), "Oeuvres mathematiques" ("Математические труды") (1797), "Reflections sur la metaphysique du calcul infinitesimal" ("Размышления о метафизике исчисления бесконечно малых") (1797), "Principes fondamentaux de l'equilibre et du mouvement" ("Основные законы равновесия и движения") (1803).

Карно Никола Леонар Сади (1796 - 1832)
сын Лазара Карно, французский физик и инженер, который своими работами по термодинамике заложил основы теории тепловых машин. К сожалению, работы Сади Карно долгое время после его смерти оставались неопубликованными.

Лавуазье Антуан Лоран (1743 - 1794)
известный французский химик, заложивший основы современной химии, переведя ее в разряд точных наук. Вновь строго сформулировал закон сохранения вещества. Доказал, что в процессе сгорания происходит соединение горючих веществ с кислородом воздуха, отчего возрастает собственный вес продуктов реакции. Лавуазье разработал новую, более рациональную химическую терминологию, свободную от старых представлений и понятий, сохранившихся со времен алхимии.

Лейбниц Готфрид Вильгельм (1646 - 1716)
знаменитый немецкий ученый-энциклопедист, физик, математик и философ, один из основоположников философии германского Просвещения XVII - XVIII вв. Одновременно с Ньютоном и независимо от него разработал основы дифференциального исчисления. В философии развивал учение о субстанции; при этом подвергал критике как механистический материализм, так и субъективный идеализм. Много занимался механикой, а также решением ряда технических проблем. Так, в 1681 г. Лейбниц предложил заменить водяные двигатели, использовавшиеся для откачки грунтовых вод в рудниках Гарца, ветряными установками, однако из-за слабых ветров проект не имел успеха.

Навье Луи (1785 - 1836)
французский инженер и ученый, член Парижской академии наук. Его работы были связаны в основном с приложениями механики в строительном деле, а также в теории машин и механизмов. Он заложил основы теории упругости и строительной механики, занимался также технической гидравликой и машиноведением. Кроме того, Навье вывел основные дифференциальные уравнения, описывающие движение несжимаемой жидкости (уравнения Навье-Стокса), а также уравнения теории упругих тел в пространственном случае (1821).

Понселе Жан Виктор (1788 - 1867)
французский инженер и математик, основоположник проективной геометрии.

Томсон Бенджамин, граф Румфорд (1753 - 1814)
естествоиспытатель и философ, родился в североамериканском городке Румфорд. В 1785 г. переехал в Европу, где сначала поступил на военную службу к курфюрсту Баварскому, а потом, перебравшись в Англию, стал серьезно заниматься физикой. Томсон предвосхитил утвердившуюся позднее механическую теорию тепла, выступив с утверждением, что теплота представляет собой не что иное, как движение мельчайших частиц вещества. В качестве вице-президента Лондонского королевского общества сделал много полезного для развития науки и техники.

Эйлер Леонард (1707 - 1783)
знаменитый математик, физик, механик и астроном, ученик Иоганна Бернулли. Родился в Швейцарии. Долгое время работал в России, с 1733 г. состоял членом Петербургской академии наук, а с 1755 года - членом Академии наук в Париже. Несмотря на то, что в 1766 г. он полностью ослеп, до самой смерти продолжал напряженно и плодотворно трудиться. Известен своим выдающимся вкладом в теоретическую механику и астрономию, далеко продвинул вперед гидромеханику, впервые получив ее основные уравнения. Ему принадлежит ряд открытий в кораблестроении, теории музыки, однако наибольшую славу и признание Эйлер снискал себе классическими работами в области физики и особенно математики.

Эмпедокл из Акраганта (ок. 490 - 430 до н.э.)
древнегреческий философ-материалист. Полагал, что мир состоит из четырех природных элементов или стихий - огня, воды, воздуха и земли.

 

:: НАВЕРХ ::

Что же такое перпетуум мобиле?
Наиболее ранние сведения о вечных двигателях.
Античная механика и перпетуум мобиле.
Первые попытки создания вечных двигателей.
Перпетуум мобиле в эпоху Возрождения.
Период наивысшего расцвета идеи perpetuum mobile.
Механические вечные двигатели.
Гидравлические вечные двигатели.
Опыты с магнетизмом.
Алхимия и перпетуум мобиле.
Сверхъестественные силы и магия.
Участие Церкви в споре о вечном движении.
Споры вокруг перпетуум мобиле.
Мнимые перпетуум мобиле.
Мошенничество с изобретением Орфиреуса.
Вечные часы из Шо-де-Фона.
Разгар дискуссии о вечном двигателе.
На пути к определению понятий работы и энергии.
Закон сохранения и превращения энергии.
Вечный двигатель второго рода.
Перпетуум мобиле из Нового Света.
Более современные вечные двигатели.
Возвращение к проблеме вечного движения в космическом веке.
Научная фантастика и перпетуум мобиле
Чертежи Схемы Рисунки
Изобретатели Ученые Исторические личности
Статьи
Рефераты, Курсовые работы, Дипломные работы, Доклады, Лекции, Шпаргалки
Интересно, Полезно
Контакты
Поиск по   сайту  web
 
 
Наши рефераты | Банк рефератов | Статьи и Проекты | Биографии | Контакты
 
Programming & design FarFor © 2005-2017