100 великих достижений цивилизации - Станислав Эдуардович Ермаков Страница 78

Как ни удивительно было наблюдателям видеть результат, но они обнаружили, что температура газа не изменилась. Гей-Люссак так и не смог понять, что он проиллюстрировал своим неудачным экспериментом.

Следующим важным шагом в понимании закона стали исследования русского ученого, одного из основоположников электротехники Эмиля Христиановича Ленца. С его именем связано открытие закона, определяющего тепловые действия тока, и закона, определяющего направление индукционного тока. Таким образом, Ленц наглядно показал и обосновал, как количество выделяемой теплоты связано с силой тока, обеспечив себе достойное место в ряду великих физиков.

Роберт Майер. Гравюра XIX в.

Однако считается, что первым точно сформулировал великий закон сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер. История жизни этого человека достойна того, чтобы сказать о ней несколько слов. Роберт Юлий Майер родился в 1814 году в Гейльбронне в семье аптекаря. После школы поступил на медицинский факультет Тюбингенского университета. Здесь он сосредоточился на изучении химии, но был арестован за участие в студенческих волнениях. Под арестом свободолюбивый студент объявил голодовку и был освобожден под домашний арест. Из Тюбингена Майер перебрался в Мюнхен, после в Вену. В результате сдать экзамены и защитить диссертацию он смог только в 1838 году.

Вскоре Майер совершил поступок, который сыграл существенную роль в его будущем открытии. Молодой врач поступил судовым врачом на голландский корабль, который шел в Индонезию. В тропиках он обратил внимание, что цвет венозной крови у жителей тропиков ярче, чем у жителей Европы, и более алый. Майер пришел к выводу, что это происходит потому, что организму приходится вырабатывать меньше теплоты. В жарком климате люди никогда не мерзнут, а потому артериальная кровь у них меньше окисляется и остается почти такой же алой при переходе в вены.

Тогда Майер задался вопросом: изменится ли выделяемое организмом количество теплоты при окислении одного и того же количества пищи в случае, если организм будет еще и выполнять некую работу, а не только выделять теплоту? Если количество теплоты остается неизменным, то из одинакового количества пищи можно получить разное количество тепла. Если количество тепла меняется, то и работа, и теплота восходят к окисленной в организме пище.

Вследствие такого рассуждения Майер объяснил опыт Гей-Люссака. Теплота и работа переходят друг в друга. Если газ расширяется в пустоту, то при отсутствии давления он не производит никакой работы. Следовательно, охлаждаться он не должен. В случае же если внешнее давление имеется, то температура газа должна понижаться.

В результате напрашивается вывод о том, что теплота и работа могут переходить друг в друга, то есть это сходные физические величины, и вопрос лишь в соотношении между ними.

Известно, что теплоемкость газа при постоянном давлении больше, чем при постоянном объеме. Ко времени Майера эти величины были уже хорошо известны, и было установлено, что обе они зависят от природы газа. В итоге стало понятно, что эта разность в теплоте обусловлена тем, что газ, расширяясь, совершает работу. Для любого газа разность теплоемкости газа при постоянном давлении и теплоемкости газа при постоянном объеме есть величина, называемая газовая постоянная, которая зависит от молярной массы и температуры. Ныне уравнение носит имя своего открывателя.

В то же самое время Джеймс Прескотт Джоуль и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц вели свои изыскания в этом направлении.

Гельмгольц смог установить абсолютную меру для «живой силы» и предложил рассматривать все мыслимые формы энергии в виде энергии кинетической или потенциальной. Опыты Джоуля были посвящены поискам способов подсчета количества работы.

Прежде всего Джоуль начал изучать законы выделения тепла электрическим током и установил, что количество тепла, выделяемое индукционными токами, пропорционально квадрату силы тока. Итогом его экспериментов стал вывод, что тепло можно создавать с помощью механических сил. Далее он сумел выработать определение механического эквивалента тепла, тем самым завершив 200-летний спор о природе теплоты. В результате был сформулирован Первый закон термодинамики: во всех случаях, когда из теплоты появляется работа, тратится количество тепла, равное полученной работе, и наоборот, при затрате работы получается то же количество тепла.

Сегодня мало кто помнит, что Первый закон термодинамики первое время называли «вечный двигатель невозможен». Именно открытие этого закона доказало, что создать подобное устройство нельзя. Правда, находятся и сегодня чудаки, которые слишком плохо учили физику в школе…

Они дышат наоборот

Как вы полагаете, можно ли считать великим открытием обнаружение того факта, что зеленые растения – в отличие от животных организмов – умеют делать испорченный последними воздух, вновь возвращая ему свойство быть пригодным для дыхания? Если нет, то это по меньшей мере странно. Ведь без понимания этого удивительного, можно сказать, чудесного факта мы совершенно иначе относились бы к растениям – и, не исключено, уже просто вывели бы их под корень, тем самым погубив самих себя и все живое на планете. История же открытия этого процесса неожиданна и очень любопытна.

Итак, поскольку открытие фотосинтеза затянулось на несколько столетий, начать стоит с того, что еще в XVI столетии голландский естествоиспытатель Ян Баптист ван Гельмонт озадачился вопросом, что важнее для растения – вода или почва. Для выяснения этого обстоятельства он провел опыт, ставший первым в истории науки количественным экспериментом. Наверное, если бы тогда существовал аналог книги рекордов Гиннеса, его опыт непременно попал бы и туда – за продолжительность, ибо длился ни много ни мало пять лет.

В наполненный землей горшок ван Гельмонт посадил ветку ивы. Землю предварительно просушил и взвесил с максимально возможной точностью. Накрыл горшочек крышкой, чтобы туда не попадал мусор, и начал регулярно поливать иву дождевой водой. Когда минуло пять лет, экспериментатор извлек растение из горшка и измерил, насколько оно увеличилось в весе. Затем было подсчитано, насколько уменьшился вес земли в горшке. Поскольку дерево прибавило куда больше, ван Гельмонт сделал вывод о том, что для растений важна исключительно вода. Эта теория, несмотря на ошибочность, продержалась до XIX века, а самому экспериментатору, кстати, по совокупности «полезных научных ошибок» в 1889 году поставили в Брюсселе памятник.

А вот англиканский священник Стивен Гейлс столетие спустя озадачился тем, как движется внутри растений поглощаемая корнями и испаряемая листьями вода. Результатом его многолетних опытов стало открытие избирательности питания растений, то есть того, что они берут из почвы далеко не все подряд вещества. Кроме того, он предположил, что растения могут дышать и даже что они получают часть питания из воздуха при помощи