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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Ley de conservación de la energía. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. El logro más importante de las ciencias naturales es el establecimiento de la ley de conservación de la energía. El significado de esta ley va mucho más allá de los límites de una ley física particular. En lugar de la ley de conservación de las masas, esta ley forma la piedra angular de la cosmovisión materialista científica, expresando el hecho de la indestructibilidad de la materia y el movimiento. En realidad, los requisitos previos filosóficos para tal declaración ya estaban allí. También estaban entre los filósofos antiguos, especialmente los atomistas, y Descartes, y fueron vistos especialmente concreta y distintamente en Lomonosov. En 1807, un miembro de la Academia de Ciencias de París, el físico y químico francés Joseph Louis Gay-Lussac, que estudiaba las propiedades de los gases, realizó un experimento. Antes de eso, ya se sabía que el gas comprimido, al expandirse, se enfría. El científico sugirió que esto puede deberse a que la capacidad calorífica del gas depende de su volumen. Decidió comprobarlo. Gay-Lussac hizo que el gas se expandiera desde un recipiente hacia un vacío, es decir, otro recipiente del que previamente se había evacuado el aire. Para sorpresa de todos los científicos que observaron el experimento, no se produjo ninguna disminución de temperatura, la temperatura de todo el gas no cambió. El resultado obtenido no justificaba las suposiciones del científico y éste no comprendía el significado del experimento. Gay-Lussac hizo un gran descubrimiento y no se dio cuenta. La investigación del científico ruso desempeñó un papel muy importante en el desarrollo de la doctrina de la transmutabilidad de las fuerzas de la naturaleza. Emil Khristianovich Lenz, colindando en este sentido con la investigación Faraday. Sus notables trabajos sobre la electricidad tienen una clara orientación energética y han contribuido significativamente al fortalecimiento del derecho. Por lo tanto, Lenz ocupa legítimamente uno de los primeros lugares en la galaxia de creadores y fortalecedores de la ley de conservación de la energía. El primero en formular con precisión esta gran ley de las ciencias naturales fue el médico alemán Robert Mayer. Robert Julius Mayer (1814–1878) nació en Heilbronn en la familia de un farmacéutico. Después de graduarse de la escuela secundaria, Mayer ingresó a la Facultad de Medicina de la Universidad de Tübingen. Aquí no asistió a cursos de matemáticas y física, pero estudió química a fondo con Gmelin. No pudo terminar la universidad en Tübingen sin descanso. Fue arrestado por participar en una reunión prohibida. En prisión, Mayer inició una huelga de hambre y al sexto día después de su arresto fue puesto en libertad bajo arresto domiciliario. De Tübingen, Mayer fue a Munich, luego a Viena. Finalmente, en enero de 1838, se le permitió regresar a su tierra natal. Aquí aprobó los exámenes y defendió su disertación. Mayer pronto tomó la decisión de unirse a un barco holandés con destino a Indonesia como médico de a bordo. Este viaje jugó un papel importante en su descubrimiento. Trabajando en los trópicos, notó que el color de la sangre venosa de los habitantes de un clima cálido es más brillante y escarlata que el color oscuro de la sangre de los habitantes de la fría Europa. Mayer explicó correctamente el brillo de la sangre en los habitantes de los trópicos: debido a la alta temperatura, el cuerpo tiene que producir menos calor. Después de todo, en un clima cálido, la gente nunca se congela. Por lo tanto, en los países cálidos, la sangre arterial está menos oxidada y permanece casi del mismo color rojo cuando pasa a las venas. Mayer planteó una suposición: ¿cambiaría la cantidad de calor liberado por el cuerpo cuando se oxida la misma cantidad de alimentos, si el cuerpo, además de liberar calor, sigue funcionando? Si la cantidad de calor no cambia, entonces se puede obtener más o menos calor de la misma cantidad de alimento, ya que el trabajo se puede convertir en calor, por ejemplo, por fricción. Si la cantidad de calor cambia, entonces el trabajo y el calor deben su origen a la misma fuente: los alimentos oxidados en el cuerpo. Después de todo, el trabajo y el calor pueden transformarse el uno en el otro. Esta idea permitió inmediatamente a Mayer aclarar y enigmáticamente el experimento de Gay-Lussac. Si el calor y el trabajo se convierten mutuamente, cuando los gases se expanden en el vacío, cuando no se produce ningún trabajo, dado que no hay fuerza de presión que se oponga al aumento de su volumen, el gas no debería enfriarse. Si, cuando el gas se expande, tiene que realizar un trabajo contra la presión externa, entonces su temperatura debería disminuir. Pero si el calor y el trabajo pueden convertirse el uno en el otro, si estas cantidades físicas son similares, entonces surge la pregunta sobre la relación entre ellos. Mayer trató de averiguar: ¿cuánto trabajo se requiere para liberar una cierta cantidad de calor y viceversa? En ese momento, se sabía que para calentar un gas a presión constante, cuando el gas se expande, se necesita más calor que para calentar el gas en un recipiente cerrado. Es decir, la capacidad calorífica de un gas a presión constante es mayor que a volumen constante. Estas cantidades ya eran bien conocidas. Pero se ha establecido que ambos dependen de la naturaleza del gas: la diferencia entre ellos es casi la misma para todos los gases. Mayer se dio cuenta de que esta diferencia de calor se debe a que el gas, al expandirse, realiza trabajo. El trabajo realizado por un mol de un gas en expansión cuando se calienta un grado es fácil de determinar. Cualquier gas de baja densidad puede considerarse ideal: se conocía su ecuación de estado. Si calienta un gas un grado, entonces, a presión constante, su volumen aumentará en cierta cantidad. Por lo tanto, Mayer encontró que para cualquier gas, la diferencia entre la capacidad calorífica del gas a presión constante y la capacidad calorífica del gas a volumen constante es una cantidad llamada constante de gas. Depende de la masa molar y la temperatura. Esta ecuación ahora lleva su nombre. Simultáneamente a Mayer e independientemente de él, se desarrolló la ley de conservación y transformación de la energía. Joule и Helmholtz. El enfoque mecánico de Helmholtz, que él mismo se vio obligado a reconocer como limitado, hizo posible establecer una medida absoluta para la "fuerza viva" y considerar todas las formas posibles de energía, ya sea en forma cinética ("fuerzas vivas") o potencial ( "fuerzas de tensión"). La cantidad de la forma de movimiento transformada se puede medir por la magnitud de ese trabajo mecánico, por ejemplo, al levantar una carga, que podría obtenerse si todo el movimiento que ha desaparecido se gasta en este levantamiento. La fundamentación experimental del principio consiste, ante todo, en la prueba de la certeza cuantitativa de este trabajo. Los experimentos clásicos de Joule se dedicaron a este problema. James Prescott Joule (1818-1889), cervecero de Manchester, comenzó con la invención del aparato electromagnético. Estos dispositivos y los fenómenos asociados a ellos se han convertido en una vívida manifestación concreta de la transmutabilidad de las fuerzas físicas. En primer lugar, Joule investigó las leyes de generación de calor por corriente eléctrica. Dado que los experimentos con fuentes galvánicas (1841) no permitieron establecer si el calor desarrollado por la corriente en el conductor era sólo el calor transferido de las reacciones químicas en la batería, Joule decidió experimentar con la corriente de inducción. Colocó una bobina con un núcleo de hierro en un recipiente cerrado con agua, los extremos del devanado de la bobina estaban conectados a un galvanómetro sensible. La bobina se puso en rotación entre los polos de un potente electroimán, a través del devanado del cual pasaba corriente desde la batería. El número de revoluciones de la bobina llegó a 600 por minuto, mientras que alternativamente un cuarto de hora el devanado del electroimán estaba cerrado, un cuarto estaba abierto. El calor que se liberó debido a la fricción en el segundo caso se restó del calor liberado en el primer caso. Joule descubrió que la cantidad de calor generado por las corrientes inductivas es proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente. Dado que en este caso las corrientes surgieron debido al movimiento mecánico, Joule llegó a la conclusión de que se puede generar calor usando fuerzas mecánicas. Además, Joule, reemplazando la rotación de la mano con la rotación producida por un peso que cae, estableció que "la cantidad de calor que es capaz de calentar 1 libra de agua en 1 grado, es igual y se puede convertir en fuerza mecánica, que es capaz de levantar 838 libras a una altura vertical de 1 pie". Estos resultados fueron resumidos por él en el trabajo "Sobre el efecto térmico de la magnetoelectricidad y el significado mecánico del calor", publicado en la Sección Física y Matemática de la Asociación Británica el 21 de agosto de 1843. Finalmente, en los trabajos de 1847-1850, Joule desarrolla su método principal, que se incluyó en los libros de texto de física. Da la definición más perfecta del equivalente mecánico del calor. El calorímetro de metal se montó en un banco de madera. Un eje pasa por el interior del calorímetro, portando palas o alas. Estas alas están ubicadas en planos verticales que forman un ángulo de 45 grados entre sí (ocho filas). Cuatro filas de placas están unidas a las paredes laterales en la dirección radial, que no impiden la rotación de las palas, pero impiden el movimiento de toda la masa de agua. A efectos de aislamiento térmico, el eje metálico está dividido en dos partes por un cilindro de madera. En el extremo exterior del eje hay un cilindro de madera, sobre el cual se enrollan dos cuerdas en la misma dirección, dejando la superficie del cilindro en puntos opuestos. Los extremos de las cuerdas están unidos a bloques fijos, cuyos ejes descansan sobre ruedas ligeras. En el eje se enrollan cuerdas que transportan cargas. La altura de caída de mercancías se mide mediante raíles. A continuación, el Joule determinó el equivalente midiendo el calor generado por la fricción de hierro fundido sobre hierro fundido. Una placa de hierro fundido giraba sobre un eje en el calorímetro. Los anillos se deslizan libremente a lo largo del eje, portando un marco, un tubo y un disco, ajustados en forma a una placa de hierro fundido. Con la ayuda de una varilla y una palanca, puedes aplicar presión y presionar el disco contra el disco. Joule hizo las últimas mediciones del equivalente mecánico en 1878. Los cálculos de Mayer y los experimentos de Joule completaron la disputa del bicentenario sobre la naturaleza del calor. El principio de equivalencia entre calor y trabajo probado por la experiencia se puede formular de la siguiente manera: en todos los casos en que del calor surge trabajo, se gasta una cantidad de calor igual al trabajo recibido, y viceversa, cuando se gasta trabajo, la misma cantidad de calor se obtiene. Esta conclusión ha sido llamada la Primera Ley de la Termodinámica. De acuerdo con esta ley, el trabajo se puede convertir en calor y viceversa: el calor en trabajo. Además, ambos valores son iguales entre sí. Esta conclusión es válida para el ciclo termodinámico, en el que el sistema debe reducirse a las condiciones iniciales. Así, para cualquier proceso circular, el trabajo realizado por el sistema es igual al calor recibido por el sistema. El descubrimiento de la Primera Ley de la Termodinámica demostró la imposibilidad de inventar una máquina de movimiento perpetuo. Al principio, la ley de conservación de la energía se llamaba así: "la máquina de movimiento perpetuo es imposible". Autor: Samin D.K.
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