Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Далее Джоуль приступил к экспериментам с динамо-машинами, преобразующими работу в электричество. Динамо-машины вроде тех, что крепятся к колесам велосипеда, состоят из катушки с проводом, в центре которой находится магнит. Когда велосипед движется, колесо заставляет магнит вращаться, в результате чего на катушку передается электрический ток, который питает фары. Джоуль заметил, что генерируемое динамо-машиной — как и генерируемое батареей — электричество нагревает провод, и решил, что нашел способ испытать теорию теплорода, которая давно вызывала у него сомнения.

По мнению Джоуля, способность электрического тока создавать теплоту имела два объяснения:

1. Теплота, как полагало большинство ученых, объяснялась присутствием теплорода. В таком случае, чтобы нагревать подсоединенные провода, динамо-машина должна была накачивать их заключенным внутри нее теплородом. Но тогда следовало ожидать, что катушка динамо-машины будет охлаждаться при перемещении теплорода по цепи.

2. Электрический ток преобразовывался в теплоту, проходя по проводам.

В конце 1842 и начале 1843 года Джоуль провел серию революционных экспериментов, чтобы определить, какое из двух объяснений верное. Он сконструировал запускаемую заводной рукояткой динамо-машину с любопытной модификацией. Он поместил катушку, проводящую электрический ток, в стеклянную трубку. Затем он наполнил трубку водой, чтобы замечать любые температурные изменения в катушке. Если теплород действительно существовал, то после запуска динамо-машины и выработки электричества он должен был устремиться прочь от катушки, охлаждая воду вокруг.

Случилось обратное. Катушка не остыла, а нагрелась. Более того, чем активнее Джоуль крутил рукоятку динамо и чем больше тока вырабатывал, тем теплее становилась вода вокруг катушки. Казалось, это электричество, выходящее из динамо-машины и проходящее по ней, производило теплоту, а не динамо-машина перемещала теплород из одного места в другое.

Чтобы лучше разобраться в этом, Джоуль подсоединил к динамо-машине батарею. Пока машина не работала, электричество от батареи проходило по катушке и нагревало ее. Это было вполне ожидаемо, ведь Джоуль давно заметил, что ток от батареи нагревает провода. Более важная вещь произошла, когда Джоуль запустил динамо-машину, не отсоединяя батарею. Если он вращал рукоятку в одну сторону, например по часовой стрелке, то вырабатываемый ток прибавлялся к току, идущему от батареи, и температура воды вокруг катушки поднималась сильнее, чем когда динамо-машина оставалась в покое. Если же он вращал рукоятку в другую сторону, против часовой стрелки, то вырабатываемый ток шел в направлении, противоположном направлению тока от батареи. Температура воды все равно повышалась, но менее существенно. Складывалось впечатление, что электрический ток, вырабатываемый динамо-машиной, уничтожает часть теплоты, производимой током, идущим от батареи.

Следствия этого для Джоуля были очевидны. Он с уверенностью написал: “Таким образом, магнитоэлектричество представляет собой агент, способный простым механическим способом уничтожать или производить теплоту”.

По мнению Джоуля, процесс работы его экспериментальной установки был двухступенчатым. Сначала работа по вращению динамо генерировала электричество, а затем идущий по проводам электрический ток давал тепло. Это значит, что истинным источником теплоты в такой системе была работа, а электричество выступало лишь посредником.

На следующем шаге Джоуль попытался провести количественную оценку этого процесса. Если работу можно преобразовывать в теплоту, то сколько работы необходимо для выработки заданного количества теплоты? В представлении Джоуля работа и теплота стали взаимопревращаемыми, как доллары и фунты. И доллары, и фунты — это виды валюты, поэтому, зная обменный курс, можно понять, сколько долларов дают за один фунт. Джоуль полагал, что существует “обменный курс” для работы и теплоты. Назвав его “механическим эквивалентом теплоты”, он задался целью определить его величину.

Для этого Джоуль с помощью веревок и блоков подсоединил динамо-машину к опускающемуся грузу. Опускаясь, груз поворачивал динамо, что сначала приводило к выработке электричества, а затем и теплоты, которая, как и раньше, нагревала трубку с водой. Теперь Джоуль мог приравнять высоту, с которой опускался груз определенной массы, к количеству вырабатываемой теплоты. Иными словами, у него появился способ измерить механический эквивалент теплоты.

Джоуль принял за “единицу теплоты” количество теплоты, необходимое для нагревания 1 фунта воды на 1 °F. За единицу работы он принял работу, совершаемую, когда груз массой 1 фунт опускается на 1 фут, и назвал эту меру фут-фунт. На протяжении нескольких недель Джоуль с огромной скрупулезностью проводил различные варианты своего эксперимента. Процесс был хлопотным и сложным — не в последнюю очередь потому, что теплота от электрического тока повышала температуру воды в трубке максимум на 3 °F, что едва фиксировалось имеющимся в распоряжении у Джоуля термометром. Кроме того, Джоулю сложно было изолировать аппарат таким образом, чтобы температурные изменения происходили исключительно под действием электрического тока, генерируемого динамо-машиной, а не объяснялись колебаниями температуры в лаборатории.

Через несколько недель экспериментов Джоуль пришел к выводу, что полученные результаты заслуживают доверия. Более того, они показывали, что действительно существует фиксированный “обменный курс” работы и теплоты. Назвать его точно было сложно — судя по всему, он составлял от 750 до 1000 фут-фунтов на единицу теплоты, — поэтому Джоуль определил среднее значение на основе всех снятых показаний.

“Количество теплоты, способное повысить температуру одного фунта воды на один градус Фаренгейта эквивалентно механической силе, способной поднять 838 фунтов вертикально на высоту в один фут”.

Сегодня кажется, что Джоуль слишком быстро принял результаты своих экспериментов на веру. Его уверенность отчасти объяснялась его воспитанием и убеждениями. Консерватор и верующий христианин, Джоуль считал свои научные изыскания “по существу священным начинанием” и не сомневался, что Бог наделил Вселенную постоянным количеством нематериальной субстанции, которая обеспечивала изменчивость и движение. Электричество, работа и теплота были просто разными ее проявлениями. Их можно было преобразовывать друг в друга, но общее их количество оставалось неизменным. В конце одной из своих статей Джоуль написал: “Великие силы природы по замыслу Творца несокрушимы, и везде, где расходуется механическая сила, всегда образуется строго эквивалентное количество теплоты”.

Сегодня мы называем эти “великие силы природы” энергией. Дело в том, что за религиозной риторикой Джоуля скрывался принцип, который известен современным ученым как закон сохранения энергии, а также как первое начало термодинамики.

Летом 1843 года, надеясь привлечь внимание к своему открытию, Джоуль приехал в город Корк на южном побережье Ирландии для участия во встрече Британской ассоциации содействия развитию науки (BAAS). Ассоциацию десятью годами ранее основали британские ученые, недовольные высокомерием и консерватизмом Королевского общества. На первой встрече ассоциации был предложен термин scientist (“ученый”), которым можно было обозначать всех, кто занимается “познанием материального мира”. Достаточно высоко оценив работу Джоуля, члены BAAS пригласили его рассказать о механическом эквиваленте теплоты, однако, как он впоследствии отметил, “тема не вызвала у собравшихся особенного интереса”. Почему? Во-первых, не входивший в число членов ассоциации Джоуль опровергал теорию теплорода, которую многие считали устоявшейся. Во-вторых, ему недоставало харизмы. Его одежда была “предельно заурядна”, манера держаться казалась “нервной”, а сам “он был лишен природной грации” и “не слишком хорошо умел говорить”. Даже излагая доказательства одной из важнейших идей в науке, Джоуль не мог достучаться до слушателей. На следующий год он представил еще одну статью на рассмотрение Королевского общества. И снова ему отказали в публикации.