Джоуль

ДжоульДжоуль. При всём различии подходов, методов и принципиальных установок все исследователи сходились в одном пункте — необходимости установления количественного отношения между различными формами сил и, в первую очередь, между теплотой и механическим движением. Здесь предстояло вновь вернуться к старому вопросу: что же считать мерой механического движения, и здесь практика решила вопрос вполне определённо: «мера движения — работа». Со всей чёткостью итог дискуссии о мерах движения подвёл Энгельс в своей известной статье «Мера движения. — Работа»

«Если имеющееся уже налицо механическое движение переносится таким образом, что оно сохраняется в качестве механического движения, то оно передаётся согласно формуле о произведении массы на скорость. Если же оно передаётся таким образом, что оно исчезает в качестве механического движения, воскресая снова в форме потенциальной энергии, теплоты, электричества и т. д., если, одним словом, оно превращается в какую-нибудь другую форму движения, то количество этой новой формы движения пропорциональна произведению первоначальна двигавшейся массы на квадрат скорости. Одним словом: mv — это механическое движение, измеряемое механическим же движением;  mv2/2 — это механическое движение, измеряемое его способностью превращаться в определённое количество другой формы движения».

Работа из вспомогательного понятия в механике и теорема живых сил из первого интеграла её уравнений превратились в важнейшие понятия и принципы естествознания. «Работа — это изменение формы движения, рассматриваемое с его количественной стороны».

Количество превращённой формы движения можно измерить величиной той механической работы, например, по поднятию груза, которую можно было бы получить, если целиком всё исчезнувшее движение затратить на это поднятие. Экспериментальное обоснование принципа и заключается прежде всего в доказательстве количественной определённости этой работы. Этой задаче и были посвящены классические опыты Джоуля.

Джемс Прескот Джоуль — манчестерский пивовар (родился 24 декабря 1818 г., умер в 1889 г.) — начал с изобретения электромагнитных аппаратов. Эти приборы и явления, с ними связанные, были конкретным ярким случаем превратимости физических сил. В первую очередь Джоуль исследовал законы выделения тепла электрическим током. Так как опыты с гальваническими источниками (1841) не давали возможности установить, является ли теплота, развиваемая током в проводнике, только перенесённой теплотой химических реакций в батарее, то Джоуль решил поставить эксперимент с индукционным током.

Он поместил в замкнутый сосуд с водой катушку с железным сердечником, концы обмотки катушки присоединялись к чувствительному гальванометру. Катушка приводилась во вращение между полюсами сильного электромагнита, по обмотке которого пропускался ток от батареи. Число оборотов катушки достигало 600 в минуту, при этом попеременно четверть часа обмотка электромагнита была замкнута, четверть разомкнута. Тепло, которое выделялось (вследствие трения), во втором случае вычиталось из тепла, выделяемого в первом случае. Джоуль установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Так как в данном случае токи возникали вследствие механического движения, то Джоуль пришел к выводу, что тепло можно создавать с помощью механических сил. Далее Джоуль, заменив вращение рукой вращением, производимым падающим грузом, установил, что «количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1°, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут». Эти результаты и были им сведены в работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла», доложенной на физико-математической секции Британской ассоциации 21 августа 1843 г.

В следующих своих работах Джоуль исследовал термические явления при сжатии и расширении газов. В работе, опубликованной в 1845 г. «Об изменениях температуры, вызванных разрежением и сгущением воздуха», описаны следующие опыты.

В калориметр помещён нагнетательный насос вместе с резервуаром. Воздух, проходя через высушивающий прибор и принимающий в змеевике определённую температуру, нагнетался в резервуар до давления в 22 атмосферы. Ввиду незначительности повышения температуры в калориметре процесс сжатия можно рассматривать, как изотермический, работу, затраченную на сжатие, рассчитывать по формуле

344где р2 = 22 атм. =22 · 1034 кг/м2,  p1 = 1 атм., v2 — объём резервуара, равный в опыте Джоуля 0,002232 м3. 345Эквивалентное количество тепла находится по повышению температуры (которое составляло доли градуса Фаренгейта) и данным калориметра. Опыт дал для механического эквивалента значение 779 фунтофут/англ. калор. , что составляет около 436 кГм/б. кал.

Другой опыт представлял повторение опыта Гей-Люссака и, как мы уже знаем, послужил поводом обвинить Майера в неправомерности его расчётов. Два металлических сосуда, соединённые трубками с кранами, помещались в общий калориметр (рис. 226). В одном сосуде воздух сжат до 22 атмосфер, из другого откачивался до возможного предельного разрежения. Когда краны открывались, то воздух расширялся в пустоту, непроизводя работы. Температура в калориметре не изменялась. Когда же сосуды были помещены каждый в отдельный калориметр (рис. 227), то в одном Произошло охлаждение на 2°,36, а в другом нагревание на 2°,38, т. е. такое же. Наконец, Джоуль измерял охлаждение,

346получающееся при расширении сжатого воздуха в атмосферу. Воздух, сжатый в резервуаре R (рис. 228), помещённом в калориметре, проходил по змеевику в сосуд Р, опрокинутый в воду, и, вытесняя из него воду, производил работу расширения. Среднее значение эквивалента оказалось равным 798 футофунтов (438 кГм/б. кал.)

347Наконец, в работе 1847 г. и особенно в работе 1850 г. Джоуль, разрабатывая свой главный метод, вошедший в учебники физики, даёт наиболее совершенное определение механического эквивалента тепла. Металлический калориметр (в первых опытах медный, в последующих — чугунный, рис. 229) устанавливался на деревянной скамейке. Внутри калориметра проходит ось, несущая лопасти или крылья. Крылья эти расположены в вертикальных плоскостях, образующих угол 45° друг с другом (восемь рядов). К боковым стенкам в радиальном направлении прикреплены четыре ряда пластинок, не препятствующие вращению лопастей, но препятствующие движению всей  массы воды. В целях

348тепловой изоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром. На внешнем конце оси имеется деревянный цилиндр, на который наматываются две верёвки в одинаковом направлении, покидающие поверхность цилиндра в противоположных точках (рис. 230). Концы верёвок прикреплены к неподвижным блокам, оси которых лежат на лёгких колёсиках. На оси намотаны верёвки, несущие грузы. Высота падения грузов отсчитывается по рейкам.

349Из опытов с водою Джемс Джоуль нашёл значение эквивалента 773,64 фунтофут/англ. калор.  или 424,3 кГм/б. кал. Наливая в чугунный калориметр ртуть, он нашёл значение 776,303 (425,77). Далее Джоуль определял эквивалент, измеряя теплоту, выделяемую при трении чугуна о чугун (рис. 231).

На оси в калориметре вращалась чугунная пластинка. Вдоль оси свободно скользят кольца, несущие рамку, трубку и диск, по форме пригнанный к чугунной, пластинке. С помощью стержня и рычага можно произвести давление и прижать диск к пластинке. Эти опыты дали значение 774,880 (425,00). Последние измерения механического эквивалента Джоуль производил уже в 1878 г.

Кроме Кольдинга и Джоуля, определение механического эквивалента производили Сеген, Гирн, Гольцман и другие. Эльзасский фабрикант-текстильщик Гирн определил в 1853 г. механический эквивалент методом удара. Плита из песчаника весом в 941 кг (рис. 232) подвешивалась на двойной деревянной раме. Плита была снабжена на одном конце железной плиткой. На той же раме подвешен был железный цилиндр весом 350 кг.

351Между ними помещался свинцовый цилиндр, внутри которого был выдолблен канал. Вначале в канал цилиндра помещался термометр, с помощью которого определялась температура свинцового цилиндра. Затем отводили железный цилиндр в сторону, поднимая его центр тяжести на высоту h. Цилиндр ударялся о свинец, отскакивал обратно на некоторую высоту h’, а плита поднималась на h». Совершённая работа A = P(h — h’) — ph» (р = 350, Р = 941 кг). Сейчас же после удара в полость свинцового цилиндра наливалась вода, температура которой определялась термометром.

Измерения Гирна дали значение 425,2 6 кГм/б. кал.