Тепловая электрическая станция - это очень просто

Следя за изготовлением пушек в Мюнхенском арсенале, Румфорд обратил внимание на то, что при сверлении и ствол пушки, и сверло сильно разогреваются. Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта.

Наблюдая нагревание ствола пушки, он пытался объяснить это явление на основе господствующей тогда теории теплорода. Румфорд спросил себя: не происходит ли нагревание оттого, что получаемые от сверления металлические опилки обладают меньшей теплоемкостью, чем обрабатываемый металл? В этом случае имеющееся в целом куске металла количество теплоты при переходе его в опилки может уместиться в них, только вызвав повышение температуры (это подобно тому, как ведро с водой, смятое с боков, содержит ту же массу воды, что и до смятия, но уровень ее в ведре становится выше). Однако оказалось, что теплоемкость сплошного металла и опилок одинакова, и поэтому дать такое объяснение наблюдаемому явлению нельзя. Тогда Румфорд предположил, что при сверлении теплота входит в изделие из воздуха. Он проверил это предположение, заливая рассверливаемый ствол водой. Результат, однако, получился прежний – в процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Вот тогда-то Румфорд понял, что если можно получить теплоту в неограниченном количестве, для чего достаточно только продолжать сверление, то теплоту нельзя считать веществом (теплородом), и поэтому все тепловые явления следует рассматривать как движение.

Немецкий физик и врач Юлиус Роберт Майер, заметив, что температура воды в медицинской колбе повышается, если ее несколько минут встряхивать, в 1842 г. вычислил механический эквивалент теплоты по разности удельных теплоемкостей воздуха при постоянном давлении и постоянном объеме. В то время точные значения этих удельных теплоемкостей еще не были известны, а потому его результат был не совсем верным, хотя и правильным по порядку величины. Через три года Джеймс Джоуль точно измерил количество теплоты, получаемое при преобразовании механической работы в тепловую энергию, и уточнил результат Майера.

Юлиус Роберт фон Майер (Julius Robert von Mayer, 1814–1878) – немецкий врач и естествоиспытатель. В работе «Органическое движение в его связи с обменом веществ» Майер четко сформулировал закон сохранения энергии и теоретически рассчитал численное значение механического эквивалента теплоты. По представлениям Майера, движение, теплота, электричество и т. д. – это качественно различные формы «сил» (так Майер называл энергию), превращающихся друг в друга в равных количественных соотношениях. Он рассмотрел также применение этого закона к процессам, происходящим в живых организмах, утверждая, что аккумулятором солнечной энергии на Земле являются растения, в других же организмах происходят лишь превращения веществ и «сил», но не их создание. Идеи Майера не были поняты его современниками.

Так возникла наука термодинамика – теоретическая основа начавшей развиваться теплотехники. Ее первоначальной задачей было изучение закономерностей превращения теплоты в работу. Основным содержанием современной физической термодинамики является изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Тепловая форма движения материи – это хаотическое движение атомов и молекул в макроскопических телах. Особое положение термодинамики связано с тем, что любая форма энергии при ее превращениях в конце концов переходит в тепловую форму: электрическая, механическая, химическая энергии становятся тепловой энергией.

Представление о том, что теплота есть просто одна из форм энергии, а именно кинетическая энергия движения атомов и молекул, стало одним из главных достижений физики XIX в.

1.2. Энергия и энергетика