История и методология физики

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии 
Важным событием в развитии представлений о теплоте стало открытие закона о 
взаимной превращаемости механической работы и теплоты. Этот закон впервые 
сформулировал немецкий врач Юлиус Майер (1814-1878) в 1840-1842 гг.
Идея о сохранении и превращении энергии или «сил», как в то время говорили, 
основывалась на многочисленных экспериментальных фактах, и «ждала своего часа», 
чтобы быть сформулированной в виде закона. Известно высказывание на этот счет 
Фарадея в 1840г.: 
«Мы имеем много процессов, при которых форма силы может претерпеть 
такие изменения, что происходит ясное превращение ее в другую. Так, мы можем 
превратить химическую силу в электрический ток или ток в химическую силу. 
Прекрасные опыты Зеебека и Пельтье показывают взаимную превращаемость 
теплоты и электричества, а опыты Эрстеда и мои собственные показывают вза-
имную превращаемость электричества и магнетизма. Но ни в одном случае... нет 
чистого сотворения силы, нет производства силы без соответствующего 
израсходования чего-либо, что питает ее». 
Майер в 1840-1841 гг. участвовал в плавании на остров Яву как корабельный 
врач. Он заметил, что цвет венозной крови матросов в тропиках значительно светлее, 
чем в северных широтах. Для объяснения изменения цвета венозной крови он 
предположил, что существует связь между потреблением вещества и образованием 
тепла. Он установил также, что количество окисляемых продуктов в организме 
человека растет с увеличением выполняемой им работы. Эти наблюдения привели его 
к мысли о том, что теплота и механическая работа могут превращаться друг в друга. 

---

Закон сохранения и превращения энергии Майер сформулировал и подробно 
изложил, вычислив механический эквивалент теплоты, в 1845 г. в работе 
«Органическое движение в его связи с обменом веществ». Открыв закон сохранения 
энергии, Майер с необходимостью пришел к выводу о том, что следует отказаться от 
идеи теплорода. Надо сказать, что долгое время работы Майера и его открытие оста-
вались незамеченными. Честь открытия закона сохранения и превращения энергии 
приписывали Джоулю, а затем - Гельмгольцу. Лишь в 50-х - 60-х гг. XIX в. был 
признан приоритет Майера. 
Чрезвычайно важными для установления закона сохранения энергии были 
эксперименты английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889). 
В 1841 г. он открыл закон, получивший впоследствии имя Джоуля-Ленца: 
количество тепла, выделяемого в проводнике при прохождении по нему 
электрического тока, пропорционально силе тока и сопротивлению проводника. Он 
исследовал также тепловые явления при сжатии и расширении газа. Теплоту 
рассматривал как результат движения частиц, составляющих тела. В 1843 г. Джоуль 
проводил эксперименты, из которых следовало, что теплоту можно получить за счет 
механической работы и обратно - работу за счет тепла. По результатам экспериментов 
он определил механический эквивалент теплоты. Он писал: «Количество тепла, 
способное увеличить температуру одного фунта воды на один градус Фаренгейта, 
равно и может быть превращено в механическую силу (энергию), которая в 
состоянии поднять 838 фунтов на высоту в 1 фут». Этим Джоуль дал опытное 
доказательство закона сохранения и превращения энергии. По современным понятиям 
1 ккал эквивалентна 427 кГм работы. 
В 1847 г. закон сохранения и превращения энергии независимо сформулировал и 
математически обосновал Герман Гельмгольц в работе «О сохранении силы». Он 
отмечал всеобщий характер этого закона, которому подчиняются механические, 
тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Таким образом, был 
сделан важный вывод, что все виды движений и взаимодействий энергетически 
эквивалентны. Другими словами, превращения претерпевают виды движения, а их 
общая мера - энергия - сохраняется. Закон сохранения и превращения энергии 
воспринимался физиками XIX в. как воплощение единства и упорядоченности 
природы.
Из энергетической эквивалентности механической работы и теплоты следует, 
что количество теплоты может измеряться в тех же единицах, что и работа. Однако 
при господстве теории теплорода количество теплоты измерялось с помощью особой 
единицы - калории. Калория - внесистемная единица. Однако используется 
международная килокалория, которая, по определению, содержит 4,1868 кило-
джоулей. Тысячную долю этой величины называют калорией. 
После открытия закона сохранения и превращения энергии стало ясно, что 
теплота как-то связана с движением мельчайших частиц вещества. Поэтому вновь 
начал возникать интерес к молекулярно-кинетическим представлениям. 

---