Descoperirea de conservare a energiei: Mayer şi Joule

Michael Fowler 6/3/08

Robert Mayer şi culoarea sangelui

Julius Robert Mayer sa născut în oraşul moara din Heilbronn, Germania, pe raul Neckar, în 1814. Economia oraşului ansamblu a fost bazat pe puterea apei. Vechi de zece ani, Mayer a avut o idee grozava: de ce nu folositi doar o parte a producţiei unei roţi de apă de a conduce un şurub arhimedian care ar pompa de apă din spate din nou? În acest fel nu ar trebui să se bazeze pe râu, la toate!

El a decis să construiască un model. Încercaţi să Primul său nu a lucrat-o apa a fost pompată înapoi în sus, dar nu suficient. Dar cu siguranţă că ar putea fi luate de îngrijire de prin punerea într-un tren de viteze pentru a face pe termen şurubul mai repede? Dezamăgitor, el a descoperit roata de apă a avut un timp mai dure rotiţi şurubul mai repede, şi el nevoie de alimentare cu apă mult mai mult peste roata, astfel încât el a fost din nou la un pătrat. Stabileşte ce în ce mai ingenioase, dar în pretenţii în cele din urmă l-au convins că, de fapt, nu a existat nici o soluţie: nu exista nici o modalitate de a aranja o maşină pentru a face munca pentru nimic. Această lecţie a rămas cu Mayer pentru viaţă.

Mayer a studiat pentru a deveni un medic (studiile sale inclus un curs de fizica) şi în 1840, la 25 de ani, el a semnat pe medicul ca o navă pe o navă cu destinaţia la tropice. La scurt timp după ce a ajuns olandeze Indiile de Est, unii dintre marinari sa îmbolnăvit şi tratamentul Mayer este inclus permiţându-sânge. El a fost uimit să constate că sange venos a fost un rosu aprins, aproape la fel ca sangele arterial. Înapoi în Germania, sânge venos a fost mult mai întunecată, şi a existat un motiv: chimistul Lavoisier a explicat că a avut utilizează organismul de alimente, cel puţin în parte, s-au ridicat să-l ardere într-un mod controlat, pentru a furniza caldura. Sânge venos întunecate în vigoare conţinea cenuşă, care urmează să fie livrate la plamani si expulzat ca dioxid de carbon. Mayer a concluzionat că ardere mai puţin de alimente a fost necesare pentru a menţine cald la tropice, deci mai putin sange întuneric.

Acum, Lavoisier a pretins că cantitatea de căldură generată de ardere, sau oxigenarea, de o anumită cantitate de carbon nu depinde de secvenţă de reacţii chimice implicate, astfel încât căldura generată de oxigenare chimie sânge ar fi acelaşi cu cel din necontrolate de modă veche ardere în aer. Această formulare cantitativă a dus Mayer sa se gandeasca la cum s-ar măsura căldura generată în organism, pentru a egala la produsele alimentare ars. Dar acest lucru în curând a condus la o problemă. Oricine poate genera căldură suplimentară, doar prin frecarea mâini împreună, sau, de exemplu, prin rotirea o roată ruginită, unoiled: ax va primi fierbinte. Face acest lucru "afara" de căldură, de asemenea, contează ca generată de alimente? Probabil da, competenţele de alimentare corpului, şi corpul genereaza caldura, chiar dacă în mod indirect. Mayer a fost convins din experienţă copilărie cu roata de apă că nimic nu a venit din nimic: energie termică din afara nu ar putea să apară doar de nicăieri, ea trebuia să aibă o cauză.

Dar el a văzut că, dacă în mod indirect de căldură generată trebuie să fie incluse, de asemenea, există o problemă. Analiza lui a fugit ceva de genul acesta (mi-am schimbat ilustraţie uşor, dar ideea e la fel): să presupunem că doi oameni sunt, fiecare, roţile mari de cotitură în mod constant în acelaşi ritm, şi roţile sunt la fel de greu pentru a porni. Una dintre ele este nostru roata ruginită unoiled de la ultimul paragraf, precum şi toate eforturile care persoane sunt generatoare de a intra în căldură. Dar cealaltă roată are un ax neted, unse şi generează o cantitate neglijabilă de căldură. Este la fel de greu de a transforma, însă, pentru că se ridica o galeata mare de apă dintr-un bine profund. Cum putem echilibra "produs alimentar = căldura" buget în acest al doilea caz?

Mayer a fost obligat la concluzia că pentru "produse alimentare de căldură = 'ecuatia sa aiba sens, trebuie să existe o altă echivalenţă: o anumită cantitate de lucru mecanic, de exemplu, măsurată prin creşterea cu o greutate cunoscut printr-o anumită distanţă, a trebuit să conta acelaşi ca o anumită cantitate de căldură, măsurată prin creşterea temperaturii de o sumă fixă de apă, să zicem, un anumit număr de grade. În termeni moderni, un jouli trebuie să fie echivalent cu un număr fix de calorii. Mayer a fost primul care să precizeze, în această "echivalente mecanice de căldură" şi în 1842 el a calculat numărul folosind rezultatele experimentelor efectuate mai devreme în Franţa privind specifice incalzeste de gaze. Experimentatori franceză a măsurat căldura specifică a gazului acelaşi volum constant (CV) şi la presiune constantă (Cp). Ei au descoperit Cp întotdeauna să fie mai mare de Cv. Mayer a interpretat acest experiment cu gând următoarele: ia în considerare doi cilindri identice verticale, închisă la partea de sus de pistoane mobile, pistoanele odihnindu-se pe presiunea gazului, fiecare anexând aceeaşi cantitate de gaz aceeaşi la aceeaşi temperatură. Aprovizionare de caldura acum la două gaze, pentru un gaz menţine pistoane fixe, pentru alte lăsaţi-l să crească. Măsură cât de mult de căldură este necesară pentru a ridica temperatura gazelor de zece grade, spune. Se constată că de căldură suplimentar este necesar pentru gaz la presiune constantă, în cazul în care un piston a fost permis să crească. Mayer a afirmat acest lucru sa datorat faptului că, în acest caz, o parte din caldura au fost cheltuite de lucru ca să ridice piston: aceasta a urmat foarte natural de la gândirea lui anterioare, precum şi măsurătorile francez a condus la o valoare numerică pentru a echivalenţei. Mayer a înţeles secvenţa: o reactie chimica produce căldură şi de lucru, că munca poate produce apoi o anumită cantitate de căldură. Acest lucru s-au ridicat la o declaraţie de conservare a energiei. Trist să raporteze, Mayer nu a fost parte a unităţii ştiinţific german, şi acest lucru la sol-rupere a fost ignorat de câţiva ani.

James Joule

Între timp, din Manchester, Anglia, centrul revoluţiei industriale, aceeaşi problemă a fost abordată de la cu totul o altă direcţie de James Joule, fiul unui fabricant de bere prospere. Joule a fost norocos în care ca un adolescent, el a fost îndrumat la domiciliu, împreună cu fratele său, de către John Dalton, chimist care a fondat teoria atomică. Manchester a fost la marginea de taiere a progresului tehnologic, şi o idee interesantă în 1830 a fost că, probabil, cărbune determinate de locomotive cu abur ar putea fi înlocuit de o baterie determinate de motoare electrice. Joule, în douăzeci său, stabilit el însuşi sarcina de a îmbunătăţi motor electric, până la punctul în cazul în care ar fi competitivă cu motorul cu aburi. Dar na fost să fie, după ani de efort, el a ajuns la concluzia că cel mai bun caz ar fi nevoie de cinci kilograme de zinc consumate într-o baterie pentru a livra munca de la o jumătate de kilogram de cărbune. Dar el a invatat multe. El a descoperit un curent electric într-un fir de căldură produsă într-un ritm I 2 R, acum cunoscut sub numele de căldură prin efectul Joule. Cu privire la interpretarea Teoria termice a fost ca lichidul caloric iniţial în bateria a fost lansat, împreună cu curentul electric şi sa stabilit în sârmă. Cu toate acestea, Joule descoperit de încălzire aceeaşi avut loc cu un curent generat prin mutarea firului trecut un magnet permanent. A fost dificil pentru a vedea modul în care lichidul termice a intrat în sârmă în această situaţie. Joule a decis teoria caloric a fost suspect. El a generat un curent prin aplicarea unei forţe măsurate la un dinam, şi a stabilit că de căldură care apare în sârmă a fost întotdeauna direct proporţională cu activitatea desfăşurată de către forţa motrice dinam.

În sfârşit, dat seama că el a fost intermediarul electrice inutile: căldura ar putea fi produse direct de către forţa, dacă în loc de a transforma un dinam, sa dovedit roţi cu zbaturi churning de apă într-un izolat pot. Imaginea de mai jos prezinta aparatului său:

Roţile cu zbaturi rândul său, prin găuri tăiate în foi de alamă staţionare, churning la apă. Acest lucru este în interiorul unei izolat poate, desigur. În acest fel, Joule măsurată echivalentul mecanic al căldură, acelaşi număr Mayer au dedus din experimente de gaze franceze.

Recepţie iniţială Joule prin înfiinţarea ştiinţifice nu a fost prea diferită de a lui Mayer. El, de asemenea, a fost un provincial, cu un accent ciudat. Dar el a avut o pauză de norocos in 1847, cand a raportat activitatea sa la o reuniune a Asociatiei britanice, iar William Thomson a fost în audienţă. Thomson a avut doar un an petrecut la Paris. El a fost pe deplin familiarizat cu munca lui Carnot, şi a crezut în teoria caloric care urmează să fie corectă. Dar el ştia că, dacă într-adevăr a avut Joule caldura produsa de agitare apă, teoria caloric trebuie să fie greşit-a spus el au existat "dificultăţi de netrecut" în reconcilierea celor două.

Dar care a fost primul: Mayer sau Joule?

Mayer şi Joule, utilizând abordări complet diferite, au sosit aproape simultan la concluzia că de căldură şi lucru mecanic au fost numeric echivalent: o anumită cantitate de muncă ar putea fi transformat într-o sumă cantitativ previzibil de căldură. Care dintre doi oameni merită mai mult credit (nu mai vorbim de ceilalţi concurenţi!) A fost susţinut de mai bine de un secol. Pe scurt, aceasta este în general recunoscut faptul că Mayer a fost primul care să precizeze conceptul de echivalentul mecanic al căldură (deşi urmată îndeaproape, independent, de Joule) şi Joule a fost primul care a pus-o pe o bază experimentală firmă.

Emergence de conservare a energiei

De fapt, prin 1840, cu toate că mulţi încă mai credea în teoria termice, aceasta a rula în alte dificultăţi. Înainte de anii 1820, aproape toată lumea credea, în urma Newton, că lumina a fost un flux de particule. În jurul valorii de 1800, Herschel a descoperit că, la lumina soarelui trece printr-o prismă, şi depistarea de căldură corespunzătoare pentru diferite culori, de fapt, a fost de căldură transmis dincolo de roşu. Acest lucru a sugerat că de căldură radiantă a fost particule termice streaming prin spaţiu, şi fără îndoială foarte asemănătoare în caracter la lumina. Dar în 1820 a fost fără echivoc stabilit că lumina a fost într-adevăr un val. Oare această căldură medie a fost de un val prea? Poate că lichidul termice a fost oscilaţii în eter. Lucrurile au fost foarte confuz acum. In 1841, a scris Joule diplomatic: "Să spaţiul dintre aceste atomi fi combinate ar trebui sa fie umplut cu eter calorifică într-o stare de vibraţie, sau, în caz contrar, care urmează să fie ocupat cu oscilaţii de atomi de sine" (Joule 1963, p. 52).

Aceasta reieşit, însă, că dificultăţile de armonizare a teoriei Carnot si experimentele lui Joule nu au fost la fel ca insurmontabile Thomson a pretins. În 1850, un profesor german, Rudolph Clausius, a subliniat faptul că teoria Carnot era încă aproape dreapta: ajustarea necesare doar a fost că a existat o căldură mai puţin în curs de dezvoltare din partea de jos a "roată de apă caloric" decât a fost în partea de sus- o parte din caldura a devenit energie mecanică, activitatea motorul cu aburi a fost performante. Pentru motoarele cu abur reale, eficienţei fracţiunea de energie termică livrată de încorporare la fel de util de lucru a fost atât de scăzut încât era uşor de înţeles de ce imaginea lui Carnot au fost acceptate atât de mult timp. Pentru prima dată, cu hârtie Clausius ", o teorie coerentă a apărut de căldură, şi de zile de la teoria termice se apropia.

Cărţi am folosit, în scris, aceste note...

Caneva, KL: 1993, Robert Mayer şi Conservarea Energiei, Princeton University Press, Princeton, New Jersey.

Cardwell, DSL: 1989, James Joule: O Biografie, Manchester University Press, Manchester şi New York.

Cardwell, DSL: 1971, de la Watt la Clausius, Cornell University Press, Ithaca, New York.

Joule, JP: 1963, lucrari stiintifice, Vol.. I, Dawsons de Pall Mall, din Londra.

Magie, WF: 1935, O Rezervaţi la sursă în Fizica, McGraw-Hill, New York.

Roller, D.: 1957, "Dezvoltarea timpurie a conceptelor de temperatură şi de căldură: Ascensiunea si Declinul Teoria calorica", în JB Conant şi Nash LK (coord.), Harvard Studii de caz în ştiinţă experimentală, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1957, 117-215.