Дослідження "Принцип збереження теплоти та закон збереження і перетворення енергії: історичний аспект"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Секція: теоретична фізика

 

ПРИНЦИП ЗБЕРЕЖЕННЯ ТЕПЛОТИ ТА ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ:

ІСТОРИЧНИЙ АСПЕКТ

 

 

 

 

 

Слюсаренко Віктор Володимирович,

кандидат педагогічних наук, вчитель фізики та інформатики

ліцею «Гармонія» Знам’янської міської ради Кіровоградської області»

 

 

 

 

Тези

науково-дослідницької роботи на тему:

«Принцип збереження теплоти та закон збереження і

перетворення енергії: історичний аспект»

 

Чимало вчених не змогли залишитися осторонь від дитячої розваги – утворення мильних бульбашок. Так, наприклад, англійський фізик Вільям Томсон у своїх лекціях часто говорив про те, що видуваючи мильну бульбашку і спостерігаючи за нею, можна зробити дуже багато цікавих відкриттів. Мильні бульбашки є відмінним об’єктом для спостереження різних фізичних явищ, які легко розуміються і доступні для спостереження. Це зумовлює актуальність теми даної науково-дослідної роботи.

Метою дослідження був аналіз наукової літератури з історії виникнення мильних бульбашок, цікавих фактів, що пов’язані з ними, а також розгляд фізичних явищ, які можливо спостерігати за допомогою мильних бульбашок.

Серед основних завдань дослідження були систематизація матеріалу про історію виникнення мильних бульбашок та способи їх утворення використовуючи фізичні явища поверхневого натягу рідини; аналіз теоретичного матеріалу щодо вивчення явища поверхневого натягу.

Проведене дослідження дозволило провести наступні висновки: мильна бульбашка - тонка багатошарова плівка мильної води, наповнена повітрям, зазвичай у вигляді сфери з переливчастою поверхнею. Мильні бульбашки зазвичай існують лише кілька секунд і лопаються при дотику або мимовільно. Існує декілька методів визначення поверхневого натягу, найбільш розповсюдженими з яких є методи відриву крапель та відриву дротяної петлі від поверхні рідини.

ЗМІСТ

ВСТУП                                                                                                                  4

РОЗДІЛ 1. Історія розвитку принципу збереження теплоти                           5

1.1. Природа теплоти                                                                                           5

1.2. Дослідження Бенджаміна Томпсона                                                           6

1.3. Наукові погляди Гемфрі Деві та Майкла Фарадея                                     9

1.4. Праці Фрідліха Мора і Саді Карно                                                            10

РОЗДІЛ 2. Відкриття закону збереження і перетворення енергії                  13

2.1. Праці Роберта Маєра, Германа Гельмгольца і Джеймса Джоуля         13

2.2. Вчення про теплоту на початку ХХ століття                                            18

2.3. Систематизація основних ідей про принцип збереження теплоти

та закон збереження і перетворення енергії                                                               20

ВИСНОВКИ                                                                                                         21

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ                                                           22

 

 

 

ВСТУП

 

Актуальність дослідження. Мильні бульбашки є розвагою для дітей. Але не лише цю функцію вони мають. Чимало вчених не змогли залишитися осторонь від дитячої розваги – утворення мильних бульбашок. Так, наприклад, англійський фізик Вільям Томсон у своїх лекціях часто говорив про те, що видуваючи мильну кулю і спостерігаючи за нею, можна зробити дуже багато цікавих відкриттів. Мильні бульбашки є відмінним об’єктом для спостереження різних фізичних явищ. Поверхневий натяг, термодинаміка, оптика – тільки деякі з них. І все це легко розуміється і доступно для спостереження.

Об’єкт дослідження: процес утворення мильної бульбашки.

Предмет дослідження: мильна бульбашка, поверхневий натяг рідини, способи отримання мильних бульбашок.

Мета дослідження: аналізувати наукову літературу з історії виникнення мильних бульбашок, цікаві факти, що пов’язані з ними, а також розглянути фізичні явища, які можливо спостерігати за допомогою мильних бульбашок.

Основні завдання дослідження: систематизація матеріалу про історію виникнення мильних бульбашок та способи їх утворення використовуючи фізичні явища поверхневого натягу рідини; аналіз теоретичного матеріалу щодо вивчення явища поверхневого натягу.

Методи дослідження: метод аналізу та синтезу, історичний, емпіричний та метод узагальнення незалежних характеристик.

Наукова новизна дослідження: полягає в тому, що нами зроблена спроба систематизувати існуючі матеріали про історію виникнення мильних бульбашок.

Практичне значення. Ця робота може бути використана для більш поглибленого вивчення фізичних явищ поверхневого натягу за допомогою мильних бульбашок.

 

 

РОЗДІЛ 1

Історія розвитку принципу збереження теплоти

 

1.1. Природа теплоти

 

Ще з часів античності існували дві теорії природи теплоти. Згідно з однією з них, теплотою є речовина, яка характеризується такими поняттями, як флюїд, субстанція, флогістон, теплород. Відповідно до другої теорії теплота є станом тіла. Думку про те, що теплота - це речовина, яка не породжується і не знищується, а тільки перерозподіляється між тілами, висловив ще у 1613 році Галілео Галілей. Але уявлення про теплоту часто бували вельми незрозумілими. Багато хто ототожнював вогонь з теплотою, інші ж вважали вогонь лише джерелом теплоти, а теплоту якимось станом тіл. Ще англійський природознавець і філософ Роджер Бекон (1214-1292) та німецький астроном Йоганн Кеплер (1571-1630) визначили цей стан як стан руху внутрішніх частинок тіл. Саме це уявлення і було, мабуть, основним у XVII столітті. Такі погляди на природу теплоти висловлювали англійський філософ Френсіс Бекон (1561-1626) і французький вчений Рене Декарт (1596-1650).

У 1620 році Френсіс Бекон звернув увагу на те, що було споконвіку відоме будь-якому ковалеві: під сильними ударами молота стає гарячим холодний шматок заліза. Відомий спосіб отримання вогню тертям. Отже, ударами і тертям можна виробити теплоту, не отримуючи її від вже нагрітого тіла. Бекон з цього зробив висновок про те, що теплота є внутрішнім рухом найдрібніших частинок, з яких складається тіло, і температура тіла визначається швидкістю руху частинок у ньому. Такі погляди на природу теплоти були поширені й серед учених першої половини XVIII століття, отримавши в науці назву механічної теорії теплоти. Підтвердженням цього є те, що, коли у той час Паризька академія наук оголосила конкурс на кращу роботу про природу теплоти, Леонард Ейлер (1707-1783), який брав участь в конкурсі й отримав премію, писав: «Те, що теплота полягає в деякому русі малих частинок тіла, тепер уже достатньо зрозуміло» [4].

1.2. Дослідження Бенджаміна Томпсона

 

Англійський вчений Бенджамін Томпсон (1753-1814) був військовим, державним і громадським діячем кількох країн. Також Томпсон був активним і винахідником та раціоналізатором. Він поліпшив конструкцію димарів, камінів, домашніх та промислових печей. Винайшов пароварку, кухонну плиту - прообраз нинішньої, й два види кавоварок - перколяційну і крапельну. Завдяки його новаторській роботі в баварській армії поліпшився раціон солдатів і їхній одяг.

Бенджамін Томпсон виявив, що при пострілах з гармат холостими снарядами ствол нагрівається менше, ніж при штатних снарядах. Таке не пояснювала теорія теплороду, яка домінувала на той час. Через десять років Бенджамін Томпсон помітив, що при свердлінні стволів гармат виділяється значна кількість теплоти. Виникало запитання: звідки береться теплота у процесі свердління? Було намагання пояснити це таке наступним. Теплота надається механічними ошурками, які відділяються від маси металу при свердлінні. Теплоємність ошурок у цьому випадку повинна бути значно меншою, щоб за рахунок цього була можливість виділитись теплоті.

Бенджамін Томпсон взяв рівні за масою ошурки і тонкі металеві смужки від болванки для свердління і поклав їх при однаковій температурі у посудини з холодною водою. Вода, в яку поклали ошурки, нагрілась до такої ж температури як і та, де були смужки металу.

Виникла ідея поставити інший дослід. У посудину з 7,7 кг води при температурі 60 F погрузили циліндр і опустили термометр. Кінь обертав циліндр. Через годину температура води піднялась до 107 F, а через півтори години – до 142 F, ще через годину вода закипіла. Потім була проведена серія дослідів з тупим свердлом. У канал в циліндричній

    Рис. 1.1. Бенджамін Томпсон

болванці для ствола довжиною 18,3 і діаметром 8,4 см вставили тупе свердло і обертали зі швидкістю 32 оберти на хвилину (рис. 1.2). Через 960 обертів термометр показав підвищення температури з 60 до 130 F. Відпала ідея, що теплоту передають металеві ошурки. Виникла інша думка: можливо теплота передається через повітря, що вступає в контакт при свердлінні всередині ствола. Для перевірки Бенджамін Томпсон помістив всю установку в посудину з водою. Доступ повітря був відсутнім. З своїх дослідів він зробив висновки: «Обдумуючи результати всіх цих дослідів, ми природно приходимо до важливого питання – предмету досить частих роздумів учених, – якраз, що таке теплота? Чи існує вогняна рідина? Чи існує речовина, яку можна було б назвати теплородом? Ми бачили, що дуже велика кількість теплоти може бути утворена тертям двох металевих поверхонь. Роздумуючи про цей предмет, не повинні забувати тієї помітної обставини, що джерело теплоти, яка виділяється при терті в цих дослідах, очевидно, є невичерпним. Необхідно також додати, що неможна приймати за матеріальну речовину те, що може постійно і нескінченно вироблятись одним тілом або навіть цілою системою їх, і мені здається дуже важким, якщо неможливим, ясно собі уявити те, що збуджувалось і надавалось у цих дослідах, якщо це не було рухом» [5].

 

Рис. 1.2. Сторінка з праці Бенджаміна Томпсона

У своїй доповіді на засіданні Королівського товариства 25 січня 1798 року Бенджамін Томпсон зазначив наступне: «Обдумуючи результати всіх цих дослідів, ми, природно, підходимо до кардинальної проблеми, що є часто предметом філософських побудов: що ж таке теплота? Можливо, це щось подібне вогненній рідині? Щось, що можна назвати теплородом? Роздумуючи із цього приводу, ми не повинні випускати з уваги вельми примітну обставину, а саме те, що джерело тепла, що виникає при терті в цих дослідах, уявляється, мабуть, невичерпним. Було б зайвим додавати, щось, що може безперервно поставлятися в необмеженій кількості ізольованим тілом або системою тіл, не може бути матеріальною субстанцією, так що мені видається винятково важким, якщо не повністю неможливим, інше уявлення про ці явища, яке не було б уявленням про рух».

Наступною проблемою, яку розв’язував Бенджамін Томпсон було вивчення залежності теплопровідності від густини речовини. Вчений вважав, що частинки рідини сприймають тепло від одного тіла і передають іншому. Між частинками рідини передача теплоти відсутня. У циліндричну посудину поміщався загострений льодяний кружок. Зверху наливали оливкове масло. Потім у посудину вводився сильно нагрітий циліндр і наближали до вістря. Ознак розтавання льоду Бенджамін Томпсон не помітив і зробив висновок, що рідина не проводить теплоти. З ним не погодились вчені А. Делюк, Е. Нікольс, Р. Муррей, К. Соке [4].

Ще одна проблема виникла після дослідів Гершеля з виявлення максимуму температури в інфрачервоній частині спектру сонячного світла. Вчений вважав, що відкрив темні промені випромінювання. Британський фізик Джон Леслі, який відомий роботами з теплового випромінювання (диференціальний термометр) та побудовою першої абсорбційної машини для приготування штучного льоду, його не підтримав у цьому. Бенджамін Томпсон виготовив добре відшліфовані циліндри. Зверху одні з них покрив сажою, а інші – сріблом. Циліндри заповнювались водою, зміну температури визначав термоскопом. Він встановив, що якщо поверхня краще відбиває теплові промені, то вона гірше випромінює теплоту [1].

 

1.3. Наукові погляди Гемфрі Деві та Майкла Фарадея

 

Проблему виділення теплоти при терті досліджував також британський фізик і хімік, член Лондонського королівського наукового товариства, Гемфрі Деві (1778-1829). Зокрема, при терті двох кусків льоду він доводив їх до розтавання. Щоб відвести всі заперечення прихильників теплороду про притік теплоти ззовні, Гемфрі Деві помістив установку під повітряний ковпак. У цих умовах тертя здійснювалось між двома кусками металу, оточених льодом. Спочатку вчений зробив висновок, що тертя не зменшує теплоємність, а через декілька років писав: «Теплота, або та сила, яка перешкоджає дотику частинок тіла і слугує джерелом наших відчуттів тепла і холоду, може бути названа особливим родом руху. Вона, напевне, полягає у вібрації частинок, що намагаються відштовхнути їх одну від одної. Рух цей потрібно назвати відштовхуючим» [3].

У 1812 році Гемфрі Деві доводив, що безпосередньою причиною явищ теплоти є рух, тобто відстоював кінетичну теорію теплоти. Закони передачі теплоти тотожні законам передачі механічного руху.

 

Рис. 1.3. Гемфрі Деві	Рис. 1.4. Майкл Фарадей

 

Майкл Фарадей (1791-1867) певний час працював під керівництвом Гемфрі Деві і найближче підійшов до формулювання закону збереження та перетворення енергії. Дослідник розумів, що розрізнені розділи з електрики, електростатики, термоелектрики, магнетизму можуть бути об’єднані навколо якоїсь певної ідеї, закону. Твердження, що сила не може виникнути із нічого привело його до відкриття закону електромагнітної індукції. Намагання Майкла Фарадея установити співвідношення між різними видами електрики привело до відкриття у 1834 році законів електролізу. У цьому випадку він знову опирався на те, що сила не може створюватись із нічого: «Але в жодному випадку навіть з електричним скатом немає чистого створення сили; немає генерації сили без відповідного використання чогось, що його живить», - зазначав Майкл Фарадей [2].

 

 

1.4. Праці Фрідліха Мора і Саді Карно

 

Ідея збереження все більше ставала на порядок денний науки фізики. У 1837 році німецький фізик та фармацевт Фрідліх Мор (1806–1879) висловив ідею про збереження енергії  та механічний еквівалент теплоти [118]. У своїх роботах він писав: «Якщо нагріти воду на 1 ℃, то згідно результатів дослідів вона розшириться на 0,00466 свого об’єму. Якщо на воду тиснути навантаженням в одну атмосферу, то об’єм води зменшиться на 48/1000000 її об’єму, якщо ж знову викликати збільшення води на 48 мільйонних частини, то, згідно приведеного коефіцієнта об’ємного розширення води, достатньо 1/97 ℃. Якщо ж нагріти воду на 1/97 ℃ і стиснути силою в одну атмосферу, то обидві дії урівноважаться. Таки чином, при нагріванні води на 1/97 ℃ здійснюється сила, яка, перетворена в абсолютну міру, рівна тиску в одну атмосферу». Значення механічного еквівалента теплоти вчений не визначив, що привело до дискусії про роль Фрідліха Мора у відкритті закону збереження і перетворення енергії. Найбільш активними в цій дискусії були Н.Г. Тет, Р. Рюльман, Ф. Розенбергер, М. Лоцці [5].

Розвиток термодинаміки здійснювався не від принципу збереження, а від принципу Карно, який Клаузіс ввів у теорію теплоти на основі механічних уявлень про неї.

У 1824 році 28-річний французький інженер Саді Карно (1796-1832) опублікував чудову працю «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу», в якій розглянув у загальному вигляді питання про «отримання руху з теплоти». У своїх міркуваннях Саді Карно дотримувався теорії теплороду, проте в пізніших дослідженнях він відмовився від цієї теорії, визнавши взаємоперетворення теплоти і механічної роботи. Карно вперше приблизно визначив механічний еквівалент теплоти.

У додатку до своєї єдиної книги, який своєчасно не було опубліковано (рукописи Карно стали відомі лише в 1878 році), Саді Карно писав: «Теплота - це не що інше, як рушійна сила, або, точніше, рух, що змінив свій вигляд. Це рух частинок тіл. Всюди, де відбувається знищення рушійної сили, виникає одночасно теплота в кількості, точно пропорційній кіль кості зниклої рушійної сили. Навпаки, завжди при зникненні теплоти виникає рушійна сила. Таким чином, можна висловити загальне положення: рушійна сила існує в природі у незмінній кіль кості; вона, власне кажучи, ніколи не створюється, ніколи не знищується; насправді вона міняє форму, тобто викликає то один тип руху, то інший, але ніколи не зникає». Можна вважати, що Саді Карно висловив у загальному вигляді закон збереження енергії.

 

Рис. 1.5. Саді Карно

Відзначимо, що на роботи Саді Карно сучасники не звернули тієї уваги, якої вони заслуговували. Знадобилися десятиліття, щоб стало можливим утвердження закону збереження і перетворення енергії. Ще приблизно 30 років після дослідів Бенджаміна Томпсона і Гемфрі Деві теорія теплороду, що підправлялася і «уточнювалася», продовжувала займати пануюче становище у поясненнях причини виникнення теплоти. Явища нагріву і охолодження газу при стисненні та розширенні також тлумачилися прихильниками теплороду як підтвердження їх теорії. Теплород, говорили вони, міститься в газі, як сік в апельсині. Стиснеш апельсин – з нього потече сік. Так само при стисненні газу з нього виділяється теплород, що проявляється у вигляді нагріву.

Ще в 1829 році французький фізик Жан Батист Біо (1774-1862) у другому виданні свого підручника, найавторитетнішого і повнішого загального курсу фізики того часу, писав, що причина виникнення теплоти при терті все ще невідома.

Німецький фізик Герман Гельмгольц першим висунув гіпотезу про те, що внутрішню причину взаємного перетворювання теплоти в роботу можна знайти (яким чином – він не вказав), звівши теплові явища до механічних, тобто до явищ руху.

Механічна теорія теплоти прожила складне життя і набула права громадянства в науці лише на кінець XIX сторіччя, перш за все завдяки роботам німецького фізика-теоретика Макса Планка (1858-1947).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 2

Відкриття закону збереження і перетворення енергії

 

2.1. Праці Роберта Маєра, Германа Гельмгольца і Джеймса Джоуля

 

40-і роки XIX століття - це час, коли вченим належало осмислити той факт, що, окрім речовини, яка, змінюючись якісно, зберігає свою кількість, в природі існує ще щось інше, пов'язане з рухом матеріальних частинок і тіл, що теж підкоряється закону збереження і міняє свою форму. Цьому також послужили дослідження хімічної, теплової і механічної дії електричного струму в перші 40 років XIX століття. Слід зазначити і успіхи біології, в якій поступово формувалися уявлення про переробку в рослинах неорганічних елементів в органічні. У ті часи були встановлення взаємозв'язків між теплотою і роботою.

Атомно-молекулярне вчення про матерію супроводжувало фізичні та хімічні дослідження, починаючи з Левкіппа та Демокріта. Уявлення про теплоту, як форму руху дрібних невідчутних частинок матерії висловили ще у XVII ст. Фрідліх Бекон, Рене Декарт, Ісаак Ньютон, Роберт Гук та інші. Цю ідею розробляв і відстоював Михайло Ломоносов, проте він був одиноким, більшість вчених схилялись до ідеї теплороду.

Успіхи експериментальної теплофізики ХІХ ст. і, насамперед, калориметрії пояснювались також на користь теплороду. Але ХІХ століття довело зв’язок теплоти і механічного руху. Факт перетворення тертя у тепло був відомий з древніх часів. Прихильники теплоти вбачали в цьому явищі аналогію електризації тіл. Тертя сприяє вилученню теплороду з тіла. У 1798 році Бенджамін Томпсон у мюнхенських військових майстернях спостерігав виділення великої кількості тепла при свердлінні гарматних стволів. Цим дослідом Бенджамін Томпсон довів, що теплота є формою руху.

Гемфрі Деві плавив лід при терті одного куска з іншим. Вчений розглядав теплоту як коливальний рух частинок матерії. Цю гіпотезу підтримав Юнг. У 1837 р. німецький аптекар Фрідліх Мор надіслав Поггендорфу статтю «Про природу теплоти», яку не було надруковано, бо редактор вважав її чисто теоретичною. У статті указувалось, що теплота є формою руху.

Майкл Фарадей у спорі з прихильниками контактної теорії в 1839-1840 роках утверджував ідею перетворення сил із збереженням їх постійної кількісної величини [4].

Таким чином, ідея про закон збереження енергії виникла не у спеціалістів фізиків. Стимулювала відкриття закону збереження практика: техніка і медицина. Визначальна роль тут належить лікарям Роберту Маєру (1814-1878) та Герману фон Гельмгольцу (1821-1894) і пивовару Джеймсу Джоулю (1818-1889).

У 1840-1841 рр. на посаді суднового лікаря Роберт Маєр брав участь в плаванні на голландському кораблі до Батавії (острів Ява). Під час перебування в тропіках помітив зміну кольору венозної крові у своїх пацієнтів і на основі цих спостережень зробив висновок про існування зв'язку між споживанням їжі та утворенням теплоти в живому організмі. У 1841 році, повернувшись на батьківщину, Роберт Маєр написав статтю «Про якісне і кількісне визначення сил» і надіслав її видавцеві журналу «Annalen der Physik» І. Поггендорфу (ця стаття не була надрукована). Вона містила положення, близьке за змістом до закону збереження енергії. У наступній статті «Зауваження про сили неживої природи», опублікованій у 1842 році, Роберт Маєр багато уваги приділяв взаємоперетворенням механічної роботи і теплоти, стверджув, що існує певний кількісний зв'язок між висотою h, з якої падає тіло масою m, і виділеною під час удару об землю кількістю теплоти, говорить про «незруйновність» сил.

У праці «Органічний рух в його зв'язку з обміном речовин» у 1845 році Роберт Маєр чітко сформулював закон збереження енергії і теоретично розрахував чисельне значення механічного еквіваленту теплоти. За його уявленнями, рух, теплота, електрика – якісно різні форми «сил» (так він називав енергію). Ідеї Маєра мали такий загальний і універсальний характер, що вони спочатку не були сприйняті сучасниками. Супротивники вишукували у роботах Роберта Маєра щонайменші неточності та невдалі формулювання, ставили під сумнів всі його наукові результати у цілому. Ця обставина, а також цькування його у зв'язку із запереченням пріоритету вченого у відкритті закону збереження і перетворення енергії сприяли тому, що роки з 1846 по 1850 були дуже складними для Роберта Маєра. Щоправда, в останні роки життя Маєр відчув смак слави: у 1871 році він отримав медаль Лондонського королівського товариства, пізніше його нагородила Французька академія наук. Він став почесним доктором свого рідного університету в Тюбінгені.

Доказом існування кількісного співвідношення між «силами» різної природи, що приводять до виділення теплоти, зайнявся в 1843-1847 роках Джеймс Джоуль. Він здійснив класичні вимірювання механічного еквіваленту теплоти, розробив термометри, які вимірювали температуру з похибкою до однієї двохсотої градуса, що дозволило йому виконувати вимірювання з найвищою для того часу точністю. Основною рисою Джеймса Джоуля був суворий експериментальний підхід до цих явищ. Дослідна установка, що застосовувалася Джеймсом Джоулем, стала класичною. Ідея досліду полягала у нагріванні води в посудині за рахунок тертя з перемішуючою її крильчаткою, що приводилася в дію падаючими вантажами, і визначенні співвідношення між виконаною роботою і теплотою, що утворилася. Була встановлена загальна міра теплоти і роботи. Нагрівання 1 кг води на 1 градус виявилося рівноцінним підйому 1 кг вантажу на 460 м (за розрахунками Роберта Маєра роком раніше – на 365 м).

У подальші роки Джеймс Джоуль та інші дослідники доклали багатьох зусиль до того, аби уточнити значення теплового еквіваленту, довести його повну універсальність. Було доведено, що яким би способом не переходила робота в теплоту, кількість теплоти, що з'являється, завжди пропорційна витраченій роботі.

У червні 1847 році Джоуль зробив доповідь на зборах Британської асоціації вчених, в якій повідомив про найбільш точні вимірювання механічного еквівалента теплоти. На слухачів доповідь не справила ніякого враження і не була належним чином оцінена ними, доки молодий і палкий Уїльям Томсон (майбутній лорд Кельвін) не пояснив своїм колегам значення робіт Джеймса Джоуля. Ця доповідь стала поворотним пунктом в кар'єрі Джеймса Джоуля. Він став одним з найавторитетніших вчених свого часу, володарем багатьох титулів і нагород.

Відомий англійський вчений Джон Тіндаль (1820-1892), який видав у 1846 році твори Роберта Маєра, характеризуючи праці Роберта Маєра і Джеймс Джоуля, писав: «Праці Маєра носять відбиток глибоко думного споглядання, яке набуло в умі автора силу безперечного переконання. Праці Джоуля, навпаки, являють собою дослідні докази. Маєр, закінчивши теорію в умі, довів її до найбільшого здійснення; Джоуль же розробляв теорію практично і дав їй твердість природної істини. Обидва вони заслуговують слави, яка не скоро зникне, тому що обидва вони брали участь у відкритті шляху, який веде до вірної оцінки загального запасу сил природи» [5].

 

Рис. 2.1. Роберт Маєр	Рис. 2.2. Джеймс Джоуль	Рис. 2.3. Герман Гельмгольц

 

Не дивлячись на те, що Джеймс Джоуль обґрунтував закон збереження енергії на досліді, він не дав у своїх роботах його виразного формулювання. Ця заслуга належить німецькому природодосліднику Герману Гельмгольцу, який у 1847 році в праці «Про збереження сили» виклав у найбільш загальному вигляді закон збереження енергії. 26-річний автор цієї праці був лікарем-хірургом гусарського ескадрону. Незабаром він розлучився з військовою службою і цілком присвятив себе науці.

Велике значення мав наведений у цій же праці доказ того, що процеси в живих організмах теж підкоряються закону збереження і перетворення енергії. У ній детально обґрунтований закон збереження енергії і вперше дано його математичне трактування, що підкреслює загальний характер цього закону. Надалі на долю інших вчених залишилися лише перевірка і прикладання принципу збереження і перетворення енергії. Успіх всіх цих досліджень привів до того, що закон збереження і перетворення енергії був загальновизнаний як фундаментальний закон природознавства.

Згідно з механічною теорією теплоти передача енергії від однієї системи до іншої або від одного тіла до другого відбувається тільки в двох можливих формах – у формі теплоти або у формі роботи. У першому випадку енергія передається у вигляді хаотичного (теплового) руху молекул і атомів без зміни форми руху в самому процесі її передачі. У другому випадку енергія, що перетворюється з одного виду в інший, передається у формі направленого руху. Передача енергії у формі теплоти виникає завжди за наявності різниці температур між тілами (зовнішній теплообмін) або між окремими частинами одного і того ж тіла (внутрішній теплообмін).

На пріоритет відкриття закону збереження і перетворення енергії претендувало ряд дослідників. Зокрема, це стосується датського фізика та інженера Людвіга Кольдінга (1815-1888), який у 1843 році доповів у Королівському Копенгагенському товаристві результати своїх робіт з визначення співвідношення між механічною роботою і теплотою, яке становило 350 кГм/ккал. У своїх роботах Роберт Маєр визнає пріоритетність за собою, Джеймсом Джоулем та Германом Гельмгольцем.

Таким чином, діяльність Роберта Маєра, Германа Гельмгольца, Джеймса Джоуля поставили на порядок денний фізичної науки якісно новий підхід до розуміння природних явищ. Їх діяльність не могла відразу забезпечити розуміння нового закону. Немало утруднень виникало до того часу, поки британський фізик і математик Вільям Ранкін (1820-1872) не ввів поняття «енергія» і однозначний зміст поняття «сила».

 

 

 

2.2. Вчення про теплоту на початку ХХ століття

 

Вчення про теплоту остаточно оформилося в самостійну наукову дисципліну лише на початку ХХ століття.

Кількість енергії, переданої у формі хаотичного (теплового) руху частинок, називають кількістю теплоти Q, або теплотою, розуміючи під цим кінцевий результат теплообміну. Іншими словами, теплота Q є переданою від одного тіла до іншого певною кількістю енергії хаотичного молекулярного і внутрішньомолекулярного руху. При цьому теплоту, що підводиться, вважають позитивною, а що відводиться, – негативною.

Найбільш споживаними одиницями для вимірювання теплоти є калорія і джоуль. Калорія – це кількість теплоти, яку треба надати 1 г води, щоб нагріти його на один градус (1 кал ≈ 4,19 Дж).

Термодинаміка не має однозначного чіткого визначення. В енциклопедії термодинаміка визначається як наука про закономірності теплового руху і вплив теплового руху на властивості фізичних тіл. Головний зміст термодинаміки полягає в двох її засадах (законах) - першому і другому; перше поширює закон збереження енергії на теплові явища, друге ж вказує напрям можливих енергетичних перетворень у природі. Термодинаміка як самостійна наука про теплові явища і перетворення теплової енергії у механічну склалась у другій половині ХІХ століття внаслідок низки технічних та наукових відкриттів і бурхливого розвитку теплових двигунів [2].

Німецький фізик-теоретик Макс Планк (1858-1947) вважав, що «… в новітній час теорія теплоти зобов’язана зовсім не головним чином принципу енергії, хоч перший поштовх до перетворення і виходив від нього; дійсно в якійсь мірі і, можливо, ще в більшій вона зобов’язана застосуванню повністю незалежного від нього принципу Карно, який Клаузіс ввів в теорію теплоти» [88].

Німецький фізик-теоретик і математик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951) ввів поняття енергії аксіоматично: кожна термодинамічна система має характеристичну функцію стану – енергію. Ця функція зростає на величину наданої системі кількості теплоти Q і зменшується на величину зовнішньої роботи А, здійсненної системою. Якщо до визначеного додати замкнутість системи, а відповідно і принцип збереження енергії, то має місце перше начало термодинаміки.

2.3. Систематизація основних ідей про принцип збереження теплоти та закон збереження і перетворення енергії

 

Я проаналізував основні ідеї вчених про принцип збереження теплоти і закон збереження і перетворення енергії. Систематизувала ідеї, подавши їх у таблиці 3.1, вказавши також цих вчених і роки їх життя.

Таблиця 3.1.

№	Вчений і його роки життя	Основне його твердження з теорії теплоти
1.	Роджер Бекон (1214-1292) і Йоганн Кеплер (1571-1630)	Теплота - це стан руху внутрішніх частинок тіл
2.	Галілео Галілей (1564-1642)	Теплота - це речовина, яка не породжується і не знищується, а тільки перерозподіляється між тілами
3.	Леонард Ейлер (1707-1783)	Теплота полягає в деякому русі малих частинок тіла
4.	Бенджамін Томпсон (1753-1814)	Джерело тепла, що виникає при терті в цих дослідах, уявляється, мабуть, невичерпним
5.	Гемфрі Деві (1778-1829)	Причиною явищ теплоти є рух, тобто відстоював кінетичну теорію теплоти
6.	Майкл Фарадей (1791-1867)	Немає генерації сили без відповідного використання чогось, що його живить
7.	Фрідліх Мор (1806-1879)	Висловив ідею про збереження енергії  та механічний еквівалент теплоти
8.	Саді Карно (1796-1832)	Визнав взаємоперетворення теплоти і механічної роботи і вперше приблизно визначив механічний еквівалент теплоти
9.	Роберт Маєр (1814-1878)	Сформулював закон збереження енергії і теоретично розрахував чисельне значення механічного еквіваленту теплоти
10.	Джеймс Джоуль (1818-1889)	Повідомив про найбільш точні вимірювання механічного еквівалента теплоти
11.	Герман Гельмгольц (1821-1894)	Виклав у найбільш загальному вигляді закон збереження енергії
12.	Макс Планк (1858-1947)	Обґрунтував механічну теорію теплоти
13.	Арнольд Зоммерфельд (1868-1951)	Ввів поняття енергії аксіоматично: кожна термодинамічна система має характеристичну функцію стану – енергію
14.	Константин Путілов (1900-1966)	Дав свою класифікацію видів енергії та ґрунтовний аналіз визначення першого начала термодинаміки

ВИСНОВКИ

У ході дослідження ми з’ясували що собою являє мильна бульбашка, які її фізичні властивості, зрозуміли природу сили поверхневого натягу. Проаналізували теоретичні знання про можливість створення мильних бульбашок у домашніх умовах. Також у цьому дослідженні ознайомилися зі списком складових, які можуть знадобитися при приготуванні розчину для видування сфер.

Мильна бульбашка – тонка багатошарова плівка мильної води, наповнена повітрям, зазвичай у вигляді сфери з переливчастою поверхнею. Мильні бульбашки зазвичай існують лише кілька секунд і лопаються при дотику або мимовільно. Мильна бульбашка – не просто цікава забава з мильної води, а й завжди відчинені ворота до пізнання фізики!

Розглянули поняття поверхневого натягу. Оскільки положенню рівноваги відповідає мінімум потенціальної енергії, то рідина прагне скоротити площу поверхневої плівки і приймає форму кулі, коли на неї не діють ніякі сили. Сили, які зумовлюють таке скорочення поверхневої плівки рідини, називаються силами поверхневого натягу. Сила поверхневого натягу рідини пропорційна довжині лінії, яка обмежує поверхню. Відзначимо, що існує декілька методів визначення поверхневого натягу. Найбільш розповсюдженим є методи відриву крапель та відриву дротяної петлі від поверхні рідини.

В умовах постійного розвитку науки підвищилася роль та важливість експериментального вивчення фізики в середніх закладах освіти. Задля зменшення похибок вимірювань та покращення експерименту фізичні кабінети почали оновлювати, впроваджуючи, зокрема, і обладнання німецького виробника «PHYWE», який вже чимало років є одним із головним постачальників новітнього фізичного обладнання. Одним з прикладів застосування новітнього обладнання «PHYWE» при викладенні фізики є виконання лабораторної роботи «Вимірювання поверхневого натягу методом відриву з використанням системи «Кобра 3». Це обладнання дозволяє досліджувати явище поверхневого натягу у нових умовах, отримуючи більш точніші результати вимірювань і обчислень.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Андріанов В.М. Нариси з історії розвитку фізики в Україні. / Андріанов В.М. - [2-е вид.]. - Рівне: ДАН, 1998. – 268 с.

2. Бар'яхтар В. Г. Фізика. 10 клас. Академічний рівень: [підручн. для загальноосв. навч. закл.] / В.Г. Бар'яхтар, Ф.Я. Божинова. - Х.: Ранок, 2010. - 256 с.

3. Енергетика: історія, сучасність і майбутнє. Пізнання й досвід - шлях до сучасної енергетики [Електронний ресурс]: Науково-пізнавальне видання / Плачкова С. Г. - К., 2011. - С. 10.

4. Садовий М.І. Наукові школи в Україні: [наук.-метод. матеріали] / Садовий М.І. - Кіровоград: Прінтер, 2002. - 160 с.

5. Садовий М.І., Трифонова О.М. Історія фізики з перших етапів становлення до початку ХХІ століття: навчальний посібник [для студ. ф.-м. фак. вищ. пед. навч. закл.] - Кіровоград: ПП «Центр оперативної поліграфії «Авангард», 2013. - [2-ге вид. переробл. та доп.] - 436 с.