Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

К 1841 году это уже было понятно. Лучшие паровые машины в мире могли усваивать достаточно «жизненной силы» из фунта угля, чтобы поднять груз весом полтора миллиона фунтов на один фут над землей или груз весом один фунт на полтора миллиона футов над землей. Другими словами, фунт угля производил 208 тысяч кг х м работы. Лучший, работавший от батареи, электромотор Джоуля мог извлечь всего лишь одну пятую от этого количества из фунта цинка, а цинк стоил в 60–70 раз больше, чем уголь. «Сравнение настолько удручающее, — жаловался Джоуль, — что я начинаю терять веру в то, что электромагнетизм хоть когда-нибудь станет источником мощности, привлекательным с точки зрения экономики».

Электрический мотор Джоуля Рисунок из его «Научных записок»

Сегодня, конечно, электромоторы, которые питаются от электрических сетей, давно и повсюду вытеснили паровые машины. Но все равно источником их энергии является преобразованный пар. Для того чтобы довести воду до кипения, на электростанции сжигается уголь или газ или происходит распад урана в реакторе, затем пар начинает двигать турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение динамо-машины, производящие электричество.

Для человека, непосредственно занятого изготовлением моторов, нагрев всегда представлял собой проблему, но только Джоулю стала постепенно открываться истина: между теплом и работой существует фундаментальная связь. Если проволокой замкнуть полюсы батареи, она так быстро нагревается, что начинает дымиться ее изоляция. Но если в цепь вставить электромотор, то проволока не перегревается, поскольку за счет теплоты осуществляется работа мотора. То же самое происходит, когда батарея используется для электролиза воды — разделения ее на водород и кислород — или при анодировании ложки.

Может быть, теплород вытекает из батареи вместе с электричеством, однако батарея при этом не становится холоднее — еще одно доказательство того, что теплота не присутствует изначально, а возникает в результате какого-либо процесса. В 1843 году Джоуль начал проверять эту гипотезу.

Он решил поместить катушку с железным сердечником внутри изолированной стеклянной трубки, наполненной водой, и вращать ее изогнутой ручкой. Вдоль трубки он установил два электромагнита, снятых с его электромоторов. В результате получился генератор. Провода катушки были подсоединены к гальванометру, измеряющему величину получаемого тока. (Чтобы провода при вращении не скручивались, он придумал контакт, состоявший из двух полукруглых канавок, заполненных ртутью.) Джоуль определял температуру воды, потом крутил ручку в течение 15 минут, а затем снова измерял температуру воды.

Это достаточно сложный опыт, поскольку приходится принимать во внимание такие факторы, как охлаждающий эффект воздуха и колебания температуры в помещении. Нужно было учесть и то, что ток, возбуждаемый при вращении ручки, был не постоянным, а пульсирующим. Джоуль испробовал электромагниты различной мощности, а также разное количество гальванических элементов и, только все перепробовав, позволил себе увериться в том, что вода нагревается от вращения. Более того, сопоставив показания гальванометра и термометра, он увидел знакомую закономерность: удвоение величины тока вело к повышению нагрева в четыре раза.

Генератор Джоуля. Электромагниты на рисунке не изображены Рисунок из «Научных записок» Джоуля

Обмотка катушки не была соединена с батареей, поэтому теплороду браться было неоткуда. Единственно возможным источником нагрева была работа, которую проделывал Джоуль, вращая ручку. Как и в эксперименте с пушкой, проведенном Румфордом, вращательное движение преобразовывалось в движение иного рода — незаметные вибрации, которые наши пальцы ощущают как тепло.

Джоуль знал, что для переубеждения скептиков полученных результатов мало. Необходимо еще точно определить, какое количество работы совершено для получения соответствующего количества тепла. Он перестроил свой первоначальный прибор, обмотав двумя длинными кусками бечевы вал ручки так, что один отрезок бечевки был накручен в одну сторону, а второй — в другую. Каждый конец бечевы был продет через шкив и прикреплен к чаше весов, на которой находился груз. По мере падения груза катушка будет вращаться и генерировать электричество и тепло.

Испробовав различные веса, падавшие с разной высоты (чтобы падение было достаточно долгим, он даже выкопал две ямы в своем саду), он пришел к выводу, что 838-фунтовая масса, поднятая на фут над землей, создает механическое усилие, достаточное для того, чтобы нагреть фунт воды на один градус Фаренгейта. Поэтому температура на вершине и внизу водопада высотой 838 футов (около 255 м) — примерно такую высоту имеет водопад короля Эдварда VIII в Гайане — будет отличаться почти на один градус, внизу она будет теплее.

В августе 1843 года он изложил полученные результаты на научной конференции в ирландском городе Корке, но, как он позднее говорил, «эта тема не стала предметом всеобщего внимания». Не исключено, что обилие различных явлений — электричество, магнетизм, теплота, движение — не позволили слушателям вникнуть в суть доклада. Джоулю все еще требовался решающий эксперимент, способный убедить любого, но при этом простой, более элегантный и более четкий.

Веса и шкивы, приводящие в движение вал генератора Рисунок из «Научных записок» Джоуля

К своей оксфордской встрече 1847 года с Томсоном Джоуль уже обладал таким доказательством. Наступал вечер, и его попросили сделать лекцию покороче. Из Манчестера он привез с собой установку, которую и поместил на столе в аудитории. Это был медный сосуд, изнутри покрытый оловом. Крышка также была оловянной. В отверстие посредине крышки входил вал латунного гребного колеса. Во второе отверстие вставлялся термометр.

Джоуль объяснил, как он наполнял сосуд водой и приделывал веса, бечеву и шкивы для того, чтобы колесо вращалось. С внутренней стороны сосуда направляющие лопасти препятствовали свободному вращению воды, увеличивая трение. Поместив на каждую чашу груз весом 29 фунтов (13 кг), он поднял его на высоту 5,25 фута (1,6 м) и позволил ему упасть вниз. Затем он снова намотал бечеву и повторно сбросил груз вниз. Так продолжалось двадцать раз. Это было равносильно тому, что груз весом 58 фунтов (26,3 кг) был сброшен с высоты 105 футов (32 м). Весь эксперимент он проделал девять раз, обнаружив в итоге, что вода нагрелась примерно на о,668°.

Усовершенствованная схема эксперимента Джоуля Рисунок из «Научных записок» Джоуля

Он понимал, что часть силы падающего груза расходуется на преодоление трения между шкивами и струной. Чтобы определить, какая именно часть силы расходуется на это, он взял валик такого же диаметра, что и шпиндель, и, обмотав вокруг него бечевку, подвесил с обеих сторон по грузу. Постепенно добавляя небольшие веса с одной стороны, он обнаружил, что требуется примерно 7,2 унции (примерно 2оо г), чтобы нарушить равновесие и заставить валик шевельнуться.

Учтя этот и другие факторы, он уточнил свои предыдущие измерения; итак, чтобы нагреть один фунт воды на один градус, требуется 108 «килограмм-метров». Раньше он считал, что для этого необходимо 106,7, а один градус разницы в температуре имеет потенциал, необходимый для подъема 106,7 кг на один метр, и надо только понять, как этот градус использовать.

В тот раз, чтобы не затуманивать основной смысл, в эксперименте не использовались ни обмотки, ни гальванические элементы; тепло и работа не только оказались взаимосвязанными, но и, по сути, одним и тем же: два разных способа преобразования «усилия», или «жизненной силы», или, как мы теперь говорим, энергии, в движение. Выходит, работа — это результат приложения силы, смещающей тело на определенное расстояние. Например, лошадь, тянущая повозку. Это структурированная энергия, поставленная на службу человеку. Теплота же, наоборот, — непроизводительная работа, ненаправленная, неструктурированная — энергия, рассеиваемая в результате неупорядоченных микроскопических вибраций. По мере развития атомистической теории это представление обретало дополнительную конкретику: теплота — это вибрация атомов.

Такая формулировка была исключительно интересной и легко воспринимаемой: при поднятии веса с земли Джоуль расходует энергию, а когда груз падает вниз, он возвращает полученную ранее энергию. Если эту энергию впрячь в генератор, то работу можно преобразовать в электрическую энергию, которая будет приводить в движение моторы, качать воду в резервуар, а вытекая оттуда, вода в свою очередь будет вращать водяное колесо, которое можно использовать для завода гигантской часовой пружины. Но на каждом этапе этой схемы часть энергии будет теряться в виде тепла. А если груз будет падать, не производя при этом никакой полезной работы, то, кроме нагрева земли в месте падения и воздуха в результате трения об него падающего груза, ничего не произойти. Поэтому необходимо сохранять не теплород, а энергию.