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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Loi de conservation de l'énergie. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes La réalisation la plus importante des sciences naturelles est l'établissement de la loi de conservation de l'énergie. La signification de cette loi va bien au-delà des limites d'une loi physique particulière. Au lieu de la loi de conservation des masses, cette loi constitue la pierre angulaire de la vision du monde matérialiste scientifique, exprimant le fait de l'indestructibilité de la matière et du mouvement. En fait, les prérequis philosophiques pour une telle affirmation étaient déjà là. Ils étaient aussi parmi les anciens philosophes, en particulier les atomistes, et Descartes, et se sont surtout vus concrètement et distinctement dans Lomonosov. En 1807, membre de l'Académie des sciences de Paris, le physicien et chimiste français Joseph Louis Gay-Lussac, étudiant les propriétés des gaz, met en place une expérience. Avant cela, on savait déjà que le gaz comprimé, en se dilatant, se refroidit. Le scientifique a suggéré que cela pourrait être dû au fait que la capacité calorifique du gaz dépend de son volume. Il a décidé de vérifier. Gay-Lussac a fait se dilater le gaz d'un vase dans un vide, c'est-à-dire un autre vase dont l'air avait été préalablement évacué. À la surprise de tous les scientifiques qui ont observé l'expérience, aucune baisse de température ne s'est produite, la température de l'ensemble du gaz n'a pas changé. Le résultat obtenu ne justifiait pas les hypothèses du scientifique et il ne comprenait pas le sens de l'expérience. Gay-Lussac fait une découverte majeure et ne s'en aperçoit pas. Un rôle très important dans le développement de la doctrine de la transmutabilité des forces de la nature a été joué par les recherches du scientifique russe Emil Khristianovich Lenz, attenante à cet égard à la recherche Faraday. Ses travaux remarquables sur l'électricité ont une nette orientation énergétique et ont largement contribué au renforcement du droit. Par conséquent, Lenz occupe à juste titre l'une des premières places dans la galaxie des créateurs et des renforçateurs de la loi de conservation de l'énergie. Le premier à formuler avec précision cette grande loi des sciences naturelles fut le médecin allemand Robert Mayer. Robert Julius Mayer (1814–1878) est né à Heilbronn dans une famille de pharmaciens. Après avoir obtenu son diplôme d'études secondaires, Mayer entre à la Faculté de médecine de l'Université de Tübingen. Ici, il n'a pas suivi de cours de mathématiques et de physique, mais il a étudié à fond la chimie avec Gmelin. Il n'a pas réussi à terminer l'université de Tübingen sans interruption. Il a été arrêté pour avoir participé à un rassemblement interdit. En prison, Mayer a entamé une grève de la faim et le sixième jour après son arrestation, il a été libéré en résidence surveillée. De Tübingen, Mayer se rendit à Munich, puis à Vienne. Finalement, en janvier 1838, il fut autorisé à retourner dans son pays natal. Ici, il a réussi les examens et soutenu sa thèse. Mayer a rapidement pris la décision de rejoindre un navire néerlandais à destination de l'Indonésie en tant que médecin de bord. Ce voyage a joué un rôle important dans sa découverte. Travaillant sous les tropiques, il a remarqué que la couleur du sang veineux des habitants d'un climat chaud est plus brillante et écarlate que la couleur sombre du sang des habitants de l'Europe froide. Mayer a correctement expliqué la luminosité du sang chez les habitants des tropiques : en raison de la température élevée, le corps doit produire moins de chaleur. Après tout, dans un climat chaud, les gens ne gèlent jamais. Ainsi, dans les pays chauds, le sang artériel est moins oxydé et reste presque du même rouge lorsqu'il passe dans les veines. Mayer a formulé une hypothèse : la quantité de chaleur dégagée par le corps changerait-elle lorsque la même quantité de nourriture serait oxydée, si le corps, en plus de dégager de la chaleur, fonctionnait toujours ? Si la quantité de chaleur ne change pas, alors plus ou moins de chaleur peut être obtenue à partir de la même quantité de nourriture, puisque le travail peut être converti en chaleur, par exemple par friction. Si la quantité de chaleur change, alors le travail et la chaleur doivent leur origine à la même source : les aliments oxydés dans le corps. Après tout, le travail et la chaleur peuvent se transformer l’un en l’autre. Cette idée a immédiatement permis à Mayer de mettre au jour la mystérieuse expérience Gay-Lussac. Si la chaleur et le travail sont mutuellement convertis, alors lorsque les gaz se dilatent dans le vide, lorsqu'ils ne produisent aucun travail, puisqu'il n'y a pas de force de pression s'opposant à l'augmentation de son volume, le gaz ne doit pas être refroidi. Si, lorsque le gaz se dilate, il doit travailler contre la pression extérieure, alors sa température doit diminuer. Mais si la chaleur et le travail peuvent se transformer l'un en l'autre, si ces quantités physiques sont similaires, alors la question se pose de la relation entre elles. Mayer a essayé de savoir : combien de travail est nécessaire pour dégager une certaine quantité de chaleur et vice versa ? À cette époque, on savait que pour chauffer un gaz à pression constante, lorsque le gaz se dilate, il faut plus de chaleur que pour chauffer le gaz dans un récipient fermé. C'est-à-dire que la capacité calorifique d'un gaz à pression constante est supérieure à celle à volume constant. Ces quantités étaient déjà bien connues. Mais il est établi que l'un et l'autre dépendent de la nature du gaz : la différence entre eux est quasiment la même pour tous les gaz. Mayer s'est rendu compte que cette différence de chaleur est due au fait que le gaz, en se dilatant, fonctionne. Le travail effectué par une mole de gaz en expansion lorsqu'il est chauffé d'un degré n'est pas difficile à déterminer. Tout gaz de faible densité peut être considéré comme idéal - son équation d'état était connue. Si vous chauffez un gaz d'un degré, à pression constante, son volume augmentera d'une certaine quantité. Ainsi, Mayer a découvert que pour tout gaz, la différence entre la capacité calorifique du gaz à pression constante et la capacité calorifique du gaz à volume constant est une quantité appelée constante de gaz. Cela dépend de la masse molaire et de la température. Cette équation porte désormais son nom. En même temps que Mayer et indépendamment de lui, la loi de conservation et de transformation de l'énergie a été développée Joule и Helmholtz. L'approche mécanique de Helmholtz, qu'il était lui-même contraint de reconnaître comme étroite, permettait d'établir une mesure absolue de la "force vive" et d'envisager toutes les formes possibles d'énergie soit sous forme cinétique ("forces vives"), soit potentielle ( "forces de tension"). La quantité de la forme transformée du mouvement peut être mesurée par l'ampleur de ce travail mécanique, par exemple, en soulevant une charge, qui pourrait être obtenue si tout le mouvement qui a disparu est consacré à ce levage. La justification expérimentale du principe consiste d'abord dans la preuve de la certitude quantitative de ce travail. Les expériences classiques de Joule étaient consacrées à ce problème. James Prescott Joule (1818-1889) - brasseur de Manchester - a commencé avec l'invention des appareils électromagnétiques. Ces dispositifs et les phénomènes qui leur sont associés sont devenus une manifestation concrète et vivante de la transmutabilité des forces physiques. Tout d'abord, Joule a étudié les lois de la génération de chaleur par le courant électrique. Les expériences avec des sources galvaniques (1841) ne permettant pas d'établir si la chaleur développée par le courant dans le conducteur n'est que la chaleur transférée des réactions chimiques dans la pile, Joule décide d'expérimenter le courant d'induction. Il a placé une bobine avec un noyau de fer dans un récipient fermé avec de l'eau, les extrémités de l'enroulement de la bobine étaient connectées à un galvanomètre sensible. La bobine était mise en rotation entre les pôles d'un électroaimant puissant, à travers l'enroulement duquel passait le courant de la batterie. Le nombre de tours de la bobine atteignait 600 par minute, tandis qu'un quart d'heure alternativement l'enroulement de l'électroaimant était fermé, un quart était ouvert. La chaleur dégagée par le frottement dans le second cas a été soustraite de la chaleur dégagée dans le premier cas. Joule a découvert que la quantité de chaleur générée par les courants inductifs est proportionnelle au carré de l'intensité du courant. Étant donné que dans ce cas, les courants sont dus au mouvement mécanique, Joule est arrivé à la conclusion que la chaleur peut être créée à l'aide de forces mécaniques. De plus, Joule, remplaçant la rotation de la main par la rotation produite par la chute d'un poids, a établi que "la quantité de chaleur capable de chauffer 1 livre d'eau de 1 degré est égale et peut être convertie en force mécanique, ce qui est capable de soulever 838 livres à une hauteur verticale de 1 pied". Ces résultats furent résumés par lui dans l'ouvrage "Sur l'effet thermique de la magnétoélectricité et la signification mécanique de la chaleur", rapporté à la section physique et mathématique de la British Association le 21 août 1843. Enfin, dans les travaux de 1847-1850, Joule développe sa méthode principale, qui figurait dans les manuels de physique. Il donne la définition la plus parfaite de l'équivalent mécanique de la chaleur. Le calorimètre métallique était monté sur un banc en bois. Un axe passe à l'intérieur du calorimètre, portant des aubes ou des ailes. Ces ailes sont situées dans des plans verticaux formant un angle de 45 degrés entre elles (huit rangées). Quatre rangées de plaques sont fixées aux parois latérales dans le sens radial, ce qui n'empêche pas la rotation des pales, mais empêche le mouvement de toute la masse d'eau. A des fins d'isolation thermique, l'axe métallique est divisé en deux parties par un cylindre en bois. A l'extrémité extérieure de l'essieu se trouve un cylindre en bois, sur lequel deux cordes sont enroulées dans le même sens, laissant la surface du cylindre à des points opposés. Les extrémités des cordes sont attachées à des blocs fixes dont les axes reposent sur des roues légères. Sur l'axe se trouvent des cordes enroulées qui portent des charges. La hauteur de chute des marchandises est mesurée par des rails. Ensuite, le Joule a déterminé l'équivalent en mesurant la chaleur générée par le frottement de la fonte sur la fonte. Une plaque en fonte tournait autour d'un axe dans le calorimètre. Des anneaux coulissent librement le long de l'axe, portant un bâti, un tube et un disque, emboîtés en forme sur une plaque en fonte. A l'aide d'une tige et d'un levier, vous pouvez appliquer une pression et presser le disque contre le disque. Joule fit les dernières mesures de l'équivalent mécanique en 1878. Les calculs de Mayer et les expériences de Joule ont complété la dispute du bicentenaire sur la nature de la chaleur. Le principe d'équivalence entre la chaleur et le travail prouvé par l'expérience peut être formulé comme suit : dans tous les cas où le travail ressort de la chaleur, une quantité de chaleur égale au travail reçu est dépensée, et inversement, lorsque le travail est dépensé, la même quantité de chaleur est obtenue. Cette conclusion a été appelée la première loi de la thermodynamique. Selon cette loi, le travail peut être converti en chaleur et vice versa - la chaleur en travail. De plus, ces deux valeurs sont égales l'une à l'autre. Cette conclusion est valable pour le cycle thermodynamique, dans lequel le système doit être ramené aux conditions initiales. Ainsi, pour tout processus circulaire, le travail effectué par le système est égal à la chaleur reçue par le système. La découverte de la première loi de la thermodynamique a prouvé l'impossibilité d'inventer une machine à mouvement perpétuel. Au début, la loi de conservation de l’énergie était appelée « le mouvement perpétuel est impossible ». Auteur : Samin D.K.
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