Новая история стран Европы и Америки XVI–XIX века. Часть 1

Изучению природы теплоты и процесса перехода ее в механическую энергию были посвящены исследования Ю.Р. Майера (1814–1878), Дж. Джоуля (1818–1889), Э.X. Ленца (1804–1865) и Г. Гельмгольца (1821–1894). Немецкому врачу Юлиусу Майеру удалось в 1842 г. впервые сформулировать закон сохранения энергии: «Движение, теплота и … электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». В 1847 г. английский физик Джеймс Джоуль выдвинул идею «превращения» различных видов энергии – взаимосвязи между выделением и поглощением тепла, электричеством и магнетизмом, химическими и биологическими реакциями, в результате которой качественное изменение «чего-либо» не приводит к его количественному изменению («во Вселенной ничего не растрачивается, ничто не утрачивается»). Эквивалент этих трансформаций Джоуль предложил определять как энергию. Он экспериментально доказал, что при различных физико-химических трансформациях определенной системы ее общая потенциальная энергия может полностью или частично переходить в кинетическую, т. е. энергию механического движения (и наоборот). Это позволило Джоулю рассчитать строгую закономерность выделения теплоты при прохождении электрического тока через проводник. К тем же выводам одновременно пришел и петербургский академик Эмилий Ленц. Математическое обоснование закона сохранения энергии выдвинул немецкий физик и физиолог Герман Гельмгольц.

Обобщенный закон сохранения энергии стал первым аксиоматическим основанием теории термодинамических систем («первое начало термодинамики»). Современники воспринимали его как важное дополнение ньютоновских принципов физики – доказательство того, что «все процессы в природе могут быть сведены к общим правилам и могут быть выведены из этих последних» (Г. Гельмгольц), и что «порядок во Вселенной, при всей своей сложности, работает слаженно и гармонично» (Д. Джоуль). Но взаимодействия и качественные трансформации термодинамических систем уже с трудом редуцировались к механическим процессам. Поиск нового «основополагающего» принципа физической картины мира вызвал активные исследования в области электрических явлений.

Экспериментальные открытия Луиджи Гальвани (1737–1798) и Алессандро Вольта (1745–1827), совершенные в конце XVIII в., открыли путь к изучению электродинамики, т. е. явлений, порожденных постоянным электрическим током, а не статическими разрядами. Была установлена и взаимосвязь между электрическим током и химическими реакциями. В 1800 г. Вольта сконструировал химическую батарею, ставшую первым искусственным источником электрического тока, а вскоре был открыт электролиз – процесс изменения химических свойств под влиянием электрического тока. Эксперименты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда (1777–1851) выявили связь между электричеством и магнетизмом. В 1820 г. он издал трактат «Опыты по воздействию электрического конфликта на магнитную стрелку», где излагались выводы о существовании некоей единой скрытой силы, лежащей в основе всяких взаимодействий. Природу этой силы Эрстед усматривал в электромагнетизме. Спустя два года были опубликованы результаты исследований Томаса Зеебека (1770–1831), доказавшего возможность тепла быть источником электрического тока («термоэлектрический эффект»).

В 20-х гг. XIX в. появляется серия научных трудов французского физика Андре-Мари Ампера (1775–1836), где систематизировались сведения о электродинамических и электростатических явлениях. Ампер сформулировал и закон взаимодействия двух элементов тока (притяжение проводников с одинаково направленными токами и отталкивание проводников с противоположно направленными токами). В 1826 г. немецкий ученый Георг Симон Ом (1789–1854) сформулировал закон изменения напряжения электрического тока вдоль проводящей цепи, т. е. зависимости интенсивности электрического тока от сопротивления проводника. Разработка теории электропроводимости (теории электрических цепей) позволила перейти к практическому использованию электричества, источника энергии. Так, уже в 1833 г. в Геттингене была построена первая телеграфная линия, а спустя два года сконструирована и модель телеграфа американца Самуэла Морзе (1791–1872) с двоичным алфавитом.