Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали. Скотт БембенекЧитать онлайн книгу.
Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) проводил строгие и кропотливые эксперименты, чтобы проверить свои идеи. В одном эксперименте он создал ток в изолированном проводе, который был погружен в воду, – таким образом было выделено тепло[31] (в результате сопротивления между током и проводом). Напряжение создавалось при помощи электрогенератора, который работал за счет силы тяжести. В другом эксперименте он также использовал гравитацию, но на этот раз чтобы повернуть гребное колесо, погруженное в воду. Вращение гребного колеса в воде производило тепло в результате трения воды и колеса.
Два эти отдельных эксперимента наглядно продемонстрировали фундаментальную истину: падающий вес производит работу[32], необходимую для производства требуемого объема тепла. Джоуль смог определить, сколько работы требуется, чтобы произвести необходимое количество тепла[33], таким образом давая одну из точнейших оценок механического эквивалента тепла. В 1843 году он заявляет:
«Количество тепла, необходимое для увеличения температуры одного фунта воды на один градус по шкале Фаренгейта, равно и может быть преобразовано в механическую силу, способную поднять 838 фунтов (вертикально) на высоту одного фута».
Усердный в своих попытках[34], Джоуль проверяет результаты несколько раз и получает несколько значений: 820, 814, 795, 760 и другие.
В 1845 году, то есть в том же году, когда Майер опубликовал более подробную работу на основе своего оригинального труда за свой счет, Джоуль объявил о среднем значении 817 футо-фунтов, а в 1850 году, после еще большего количества измерений, он остановился на значении 772 футо-фунта, которое на 1 % отличается от современного – 778 футо-фунтов (Прим. ред. – сегодня это 427 килограмм-сила-метр в Международной системе измерений).
Природа установила невероятно высокую «механическую цену» на количество тепла, которое требуется, к примеру, чтобы вращать гребное колесо в воде. Для большей уверенности рассмотрим количество тепла, которое вы производите, энергично помешивая некий напиток, – вы получите смехотворно малое значение[35]. И все же, без цифровых термометров под рукой Джоуль смог получить удивительно точный результат.
Ни опубликованные отчеты Джоуля, ни переговоры на научных встречах не вызвали интереса к его работам. В 1847 году Джоуль выступает с докладом на Оксфордской встрече Британской ассоциации продвижения науки. Председатель попросил его не растягивать свою речь, так как ожидалось, что она вызовет мало энтузиазма у аудитории.
Джоуль позднее так опишет это событие:
«Хотя я старался сделать доклад интересным, никто не стал бы его комментировать, если бы один молодой человек не начал обсуждение, и его интеллектуальные наблюдения не пробудили бы живой интерес к новой теории».
Молодым человеком был Уильям Томсон, которому тогда было всего двадцать три года.
Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) (1824–1907)
Основываясь на этом исследовании, Джоуль смог установить, что произведенное количество тепла было пропорционально количеству тока, умноженному на квадрат сопротивления. Это называют джоулевым нагревом.
Давайте проясним. Ранее мы узнали, что работу совершают, применяя силу, чтобы, например, сдвинуть объект на некое расстояние. В таком случае гравитация – сила, двигающая объект таким образом, чтобы он упал на землю.
Работу рассчитывают как расстояние, на которое падает тело под воздействием силы тяжести, тогда как тепло связано с изменением температуры определенного объема воды.
Во время своего медового месяца Джоуль предположительно попытался измерить увеличение температуры воды внизу водопада. Действительно, поскольку вода в основании из-за падения потеряла (гравитационную) потенциальную энергию, за счет сохранения энергии вода оказывается теплее.
Будьте благодарны, что природа установила такую высокую цену за механический эквивалент тепла. Если бы она была «слишком низкой», мы бы производили гигантское количество тепла во время таких повседневных действий, как ходьба, где тепло выделялось бы, например, во время трения между вами и поверхностью земли.