Эволюция энергетики. Перспективы развития

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 

ФАКУЛЬТЕТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ 
 
 
 
 
 
 

Реферат

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

На тему «Эволюция энергетики. Перспективы  развития» 
 
 
 
 
 
 

Выполнила

Студентка

Гр. 10ЗЭФ31

А. Н. Барышникова 
 

Проверил:

                                                                                                        Першенков П. П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза 2010

ПЛАН 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОТКРЫТИЕ  ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ 

     Долог был путь человечества к установлению понятия об энергии и закона об её сохранении: оно то приближалось к истине, то удалялось от неё; оно  с трудом создавало и уточняло количественные представления о теплоте, работе, температуре, потенциале; оно только постепенно разрабатывало методы измерения этих величин и с запозданием создавало самые единицы этих измерений — механических, тепловых, электромагнитных; оно на опыте, в муках бесплодных исканий «вечного двигателя», осознавало и интуитивно предвидело великий закон сохранения энергии. Начало сохранения движения прозревали Декарт, Ньютон, Ломоносов. У последнего сохранение движения составляло лишь часть, только один случай более общего и широкого физического закона сохранения. Конкретное выражение

закона сохранения энергии принадлежит, как известно, Ю. Р. Майеру,  Дж. П. Джуулу и Г. Гельмгольцу) .

     Если  мы, обогащенные опытом и знанием  протекшего с тех пор столетия, вчитаемся в творения членов этой триады, то убедимся в существовании некоторого различия в понимании открытого закона у Майера, с одной стороны, и у Джуула и Гельмгольца—с другой. Последние оба являются ревностными сторонниками механической доктрины, ведущейся ещё от Гейгенса; для них все явления скрытым образом суть явления механические, объясняются механическими силами и должны трактоваться механическими методами; Джуул при этом имеет в виду преимущественно явления теплоты, и многочисленные его высказывания по этому вопросу подтверждают его убеждение в кинетическом её характере. Гельмгольц уже в первой своей брошюре распространяет свои воззрения и методы исследования на все явления природы. В противоположность этим двум авторам Майер нигде не обмолвился ни одним словом о механическом характере всех физических явлений. Для него энергия (или «сила», как они писали все трое)» испытывает многообразные превращения, проявляясь то в виде механической, то в виде тепловой, то в других ещё видоизменениях. Бесполезно было бы искать в эти ранние годы учения об энергии более точных высказываний — у самих авторов учения об энергии оно ещё не отлилось в более определённые формы. Но теперь, через сто лет, охотно укладывают всю гамму развившихся далее противоречивых воззрений в наметившуюся уже в первые годы учения противоположность высказываний одной стороны и умолчания другой.

ЗАТРУДНЕНИЯ В ПОНИМАНИИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ  ЭНЕРГИИ

Отметим, что у «механистов» с самого начала учения о сохранении энергии возникло некоторое затруднение теоретического характера. В сущности, в механике совершенно наглядным является только один из видов энергии — энергия кинетическая (или, на первых порах, «живая сила»). Как только мы формулируем понятие об энергии потенциальной («напряжённая сила» у Гельмгольца), мы попадаем в строй мыслей, ведущих нас прочь от механики. В самом деле, если потенциальная энергия есть работа, затраченная на сооб-

щение системе данной конфигурации, а элементарная работа равна скалярному произведению длины элементарного участка  на силы, действовавшие на этом участке, то является необходимость обосновать эти силы, — и эта необходимость уже в простейшем случае приводит нас к неразрешимым, или во всяком случае, не разрешённым вопросам: что такое силы тяготения, действующие между небесными телами? тяжесть, притягивающая земные тела к центру земли? силы упругости, которыми одно тело действует при соприкосновении с другим телом, и вообще все силы молекулярного происхождения? все силы, проявляющиеся в электромагнитном поле? и, наконец, пока ещё не раскрытые «ядерные силы», отлагающие в недрах атома неслыханные прежде запасы готовой к использованию энергии? Конечно, чтобы объяснять что-нибудь, мы должны какое-нибудь одно явление признать за простейшее, а прочие явления свести к этому простейшему. Но в зависимости от уровня наших знаний мы в раз-

ные времена  признаём простейшими то одни, то другие явления и

должны, сообразно этому, переделывать логическое построение всего здания нашей науки  — и мы, действительно, были неоднократными свидетелями таких перестроек за время жизни одного только поколения учёных. Но это значит, что самое понятие потенциальной энергии не принадлежит к простым понятиям. Нельзя ли совсем обойтись без этого понятия?

РАБОТА  Н. А. УМОВА «ТЕОРИЯ  ПРОСТЫХ CОЕДИНЕНИЙ»

Замечательную попытку такого рода мы видим в одной из работ нашего соотечественника Н. А. Умова. Написанная в 1871 г., т. е. на сравнительно ещё очень ранней стадии учения об энергии, она как раз отражает некоторую философскую неуспокоенность, существовавшую у учёных того времени, задумывавшихся о самых основах этого учения и, в частности, об энергии потенциальной. Автор отвергает это понятие и старается его устранить из физики, вводя предположение, что количество кинетической (или, как он пишет, динамической) энергии в природе остаётся постоянным; если же нам кажется, что запас её уменьшился (другими словами, перешёл в потенциальную энергию), то это только видимое уменьшение, так как на самом деле, по мнению Н. А. Умова, потенциальная энергия есть кинетическая энергия другой среды, которая остаётся скрытой.

П. П. Лазарев, излагая учение Умова, пользуется такой  наглядной иллюстрацией: газ, находящийся  при большом давлении под поршнем, обладает некоторым количеством  видимой потенциальной энергии. Но эта потенциальная энергия есть на самом деле кинетическая энергия молекул газа — среды, внутренние движения которой остаются для нас незаметными. Вряд ли мы сейчас пойдём с лёгкостью по пути признания скрытых сред. Но напомним, что скрытые массы дожили до 1891 — 1894 гг., когда они фигурируют в «Принципах механики» Г. Герца, знаменитого автора «Исследований о распространении электрической силы». Самая же мысль

Н. А. Умова  о сведении потенциальной энергии  к кинетической и ныне заслуживает  глубокого внимания. Мы видим в  его попытке явное доказательство того, что логический строй нашего физического мировоззрения не может обойтись одним понятием о кинетической энергии, а нуждается в дополнительных положениях чисто физического характера, например, в гипотезах о природе тех или иных сил и т. п. Тут кроется та причина, которая позже привела к гибели всё механистическое воззрение, несмотря на его огромные успехи и завоевания). Отдадим должное проницательности нашего замечательного соотечественника, который сумел на столь ранних стадиях учения об энергии, когда оно развивалось на чисто механистической основе, усмотреть слабые стороны последней и сделал попытку избежать грозящей ей опасности.

ВОПРОС  О ЛОКАЛИЗАЦИИ  ЭНЕРГИИ

Чрезвычайно важный момент своего развития пережило представление об энергии, когда физикам пришлось задуматься над вопросом о локализации энергии. Дадим пример: мы взяли проволоку и, наперекор действующим между её частицами упругим силам, растянули её грузом P на длину L. Тогда можно написать выражение для работы, нами при этом совершённой; она равна PL В этом выражении фигурирует наряду с приложенным к концу проволоки грузом Р, только вызываемое им удлинение проволоки L. Однако легко привести это выражение к другому виду, пользуясь уравнением для

удлинения:

l = P L/qE

(L - первоначальная длина проволоки, q — поперечное сечение, Е —

характерный для материала проволоки коэффициент, так называемый

модуль  Юнга). Подстановкой легко получим:

A = 1/2E(P/q)² qL

В этом выражении qL — объём проволоки, и оно показывает нам,

что работа распределилась по всему объёму проволоки равномерно;

на единицу  объёма приходится количество энергии 

1/2E(P/q)²

где P/q «натяжение», т. е. сила, действующая на единицу площади сечения проволоки.

Итак, энергия  распределилась с некоторой плотностью в равномерно растянутой проволоке.

Другой  пример, который нам понадобится  в дальнейшем, представляет электростатическая энергия. Известно, что если мы хотим  зарядить находящийся в пустоте  изолированный металлический шар  радиуса R количеством электричества е, то мы должны для этого затратить работу

e²/2R

Максвелл, руководствуясь основными воззрениями  Фарадея, показал в своём «Трактате» (1873), что мы получим ту же величину, если представим себе электростатическую энергию не сосредоточенной на поверхности  проводника, а распределённой во всём безграничном пространстве по закону

w = E²/8p

где w — плотность энергии (количество энергии в единице объёма), Е — электрическая напряжённость в данной точке. Она равна для всех точек вне шара

е/r²

а внутри шара — нулю. Расчёт показывает, что при таком предположении общее количество энергии в поле заряженного шара равно вышеуказанной величине

e²/2R

Энергия расположена концентрическими шару слоями равномерной плотности; за сферой радиуса nR лежит n-ая часть всей энергии; энергия «жмётся» к поверхности шара, довольно быстро убывая с расстоянием от центра шара.

Полезно указать, что вокруг шара, расположенного не в пустоте, а в другой среде, плотность энергии будет не E2/8p, а eE2/8p, где e - так называемая диэлектрическая постоянная среды — её характерная константа, открытая Фарадеем.

Подобным  же образом ставятся и решаются вопросы  о локализации других видов энергии. Например, для магнитной энергии  мы получаем аналогичное выражение  для плотности энергии:

w_m= H²/8p   (H – магнитная напряженность)

  О ДВИЖЕНИИ ЭНЕРГИИ.  ТЕОРЕМЫ УМОВА  И ПОЙНТИНГА

Следующей стадией в уточнении понятия  об энергии является постановка вопроса  об её движении. Самое возникновение  этого вопроса с современной  точки зрения вполне понятно. Возьмём, например, явление согревания Земли Солнцем. Солнце вырабатывает в своих недрах непостижимо громадные запасы тепловой энергии. Не касаясь пока что вопроса об источниках этой энергии, обратим внимание на то, что часть её в конце концов оказывается на поверхности Земли. Ясно, что она должна была пройти через пространство разделяющее эти небесные тела, а значит, возникает вопрос о путях и законах этого движения энергии в пространстве и во времени. Повторяем, что сейчас этот строй мысли представляется даже тривиальным. Но необходимо иметь в виду коренное различие между современными взглядами на энергию и теми неопределёнными представлениями о ней, которые господствовали в научных книгах в 70-е годы, когда эта задача возникла. Следует с законной национальной гордостью отметить, что впервые поставил и решил задачу тот же Н. А. Умов, тогда ещё двадцативосьмилетний доцент Новороссийского (т. е. Одесского) университета; он сделал это в знаменитой своей работе о движении энергии. Уже в цитированной выше работе «Теория простых сред» и в других последовавших за ней, он вскользь касается этого вопроса, создавая даже термин: «токовая» энергия.

Теперь  же он занимается ею специально для  важного случая упругодеформированного тела) и приходит к фундаментальному выводу:

энергия течёт вдоль луча, т. е. по направлению распространения деформации; поток энергии, т. е. количество её, протекающее в единицу времени через единицу площади, численно равно давлению в соответственной точке пространства, помноженному на скорость распространения деформации в данной среде. Мы называем эту изящную теорему теоремой Умова. Чтобы понять всё значение вывода Умова и строя его мыслей вообще, расскажем несколько фактов, связанных с этой работой. Последнюю он представил как докторскую диссертацию в Московский университет — и здесь едва не потерпел неудачи; во всяком случае он выслушал от своих оппонентов — официальных и неофициальных - много страстных и горьких упрёков. А этими оппонентами были выдающиеся московские профессора: А. Г. Столетов, сам крупный и тонкий ученый, признанный тогда старейшина русской физики; А. Ф. Слудский и В. Я- Цингер — математики с большим именем и авторитетом. В чём же эти ученые, пользовавшиеся уважением и самого Н. А. Умова, упрекали молодого диспутанта? — Они сразу

ощутили в его работе новую и, как им казалось, еретическую струю.

Ересь эта заключалась в том, что  автор развивал недостаточно, по их мнению, мотивированное воззрение, что  энергия представляет собой нечто, как тогда говорили, субстанциальное .

Между тем, говорили оппоненты, пока доказано только одно: сумма энергий разных видов остаётся постоянной во всех явлениях, происходящих в изолированной системе. Но это свойство принадлежит многим математическим функциям, и отсюда нельзя делать вывода об их физическом существовании. С точки зрения математика такая точка зрения понятна: ведь ещё Лагранж в своей аналитической механике писал выражение

Т + V = Н,

где в  наших терминах Т является кинетической энергией, V — потенциальной, а их сумма Н - постоянной величиной. Это - так называемый у механиков математического уклона «интеграл живых сил», и никакого физического смысла вкладывать в него они не привыкли.

Даже  термина «работа», необходимого для  физического обоснования понятия  «потенциальная энергия», до Понселе  не существовало, уже не говоря об энергии вообще; V—это некоторое математическое выражение «потенциальная функция». И вот их, привычных к этим терминам математиков, хотят уверить, что эти математические понятия, эти интегралы имеют физическое существование, что они размещены в пространстве, текут и пр. и пр. Думается, что здесь сказалась присущая учёным той эпохи настороженность по отношению к новым гипотезам и теориям, в особенности в случаях, когда они представляли собой более или менее широкое обобщение — отголосок затянувшейся борьбы естественников с натурфилософами-шеллингианцами.

ЭНЕРГИЯ —СУБСТАНЦИЯ

Мы видим, таким образом, что именно в те годы — 75 лет тому назад в умах передовых физиков созревала  мысль о субстанциальности энергии. Ход их рассуждений повторил собой  то, что в восемнадцатом столетии произошло с понятием о теплоте: то, что распределяется между телами, усваивается ими, переходит от одного к другому и при этом сохраняется всегда в неизменном количестве — это постепенно приобретает в глазах заинтересованных работников «предикат субстанциальности», становится физической сущностью особого рода. Теперь мы знаем, что сторонники «теплорода» были неправы, были поспешны в своих заключениях. Пока что учение об энергии как субстанции не поколеблено никакими позднейшими данными или доводами *). Напротив, как мы увидим, оно ещё укрепилось со временем и стало безраздельно господствующим. Причины этого вскроются в дальнейшем изложении. Скажем несколько слов о дальнейшей судьбе умовского представления о потоке энергии. Оно было (по-видимому, совершенно независимо) в 1884 г. применено Пойнтингом к электромагнитному полю. Пойнтинг показал, что через единицу площади в единицу времени проходит поток энергии

S = с/4p [Е´H],

где Е  и H — электрическая и магнитная напряжённости в месте потока, с — скорость света. Нетрудно показать, что эта формула при пересчёте на простой случай плоской волны тождественна с высказыванием Умова. Теорема Пойнтинга является предметом школьного обучения, а имя Умова, его предшественника, незаслуженно забывается . . .

Независимо от этого, рекомендуем каждому любителю истории нашей науки перечитать, Пойнтинга в подлиннике. Кроме чисто эстетического наслаждения, которое при этом получаешь, легко убедиться при чтении, какой успех за 10 лет (1874—1884) сделала идея о субстанциальности энергии.

В этой связи необходимо остановиться на тех  шатаниях, которые обнаружились в  умах целого поколения физиков и  других учёных, задумывавшихся над  новой вошедшей в науку субстанцией  — энергией.

Прежде  всего это новое понятие использовали философы-идеалисты. Они обратили внимание на то, что создавшийся в физике известный дуализм чем-то напоминает их диаду — материи и  духа. Материя — инертная, дух — активная субстанция. А когда в дальнейшем в физике обнаружилась, как полагается, борьба между двумя стоящими рядом субстанциями за титул главной и основной и когда победа начала склоняться на сторону энергии, поднялся прямо торжествующий вопль: физики сошли со своей традиционной материалистической позиции и переходят к спиритуализму.

Конечно, за такой вывод нельзя делать вполне ответственными физиков; несомненно, что выяснение свойств энергии и относящихся к ней законов шло, прежде всего, по линии исследования и накопления фактов. Однако некоторые идеологические ошибки были и у физиков; к числу их относится так называемая «энергетика». Под таким именем слыла в своё время — не физическая, в собственном смысле, а натурфилософская — система, восходившая корнями к Рэнкину, а главными глашатаями имевшая Гельма и В. Оствальда. Они многократно прокламировали и, можно сказать, рекламировали свою систему; их настойчивость вызывала не раз весьма авторитетные отповеди, прежде всего, со стороны Людвига Больцмана. У нас против них высказывался, между прочим, А. Г. Столетов16. Прочитывая сейчас произведения энергетиков, поражаешься, с каким малым багажом они выходили на научную арену. Даже в тех случаях, когда их высказывания близки к современным взглядам, легко убедиться в том, что у них они остаются абсолютно не обоснованными; не стоя ни в какой связи с экспериментальными фактами, они остались совершенно в стороне от дальнейших успехов физики. Справедливый приговор энергетике дан в замечательной книге В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм».

Роль  В. Оствальда заслуживает особого  внимания. Независимо от своих собственных научных работ (они оставили достаточно осязательный след в науке) он связал своё имя с горячей защитой Аррениусовской теории электролитической диссоциации, специально для этого основав журнал.

Как он совмещал вражду к молекулярной теории с проповедью распада молекул, понять совершенно невозможно. К «энергетике» его привела ненависть к механическим воззрениям. Впрочем, многие химики были их противниками — и по вполне понятным причинам: именно для химии механические теории почти ничего не сумели дать.

ОБ  ИНЕРТНОЙ МАССЕ ЭНЕРГИИ

К восьмидесятым  годам относится выяснение ещё  одного важного свойства энергии: движущееся тело, которому сообщено некоторое  количество энергии (всё равно, какой), ведёт себя при попытках ускорить или замедлить его движение так, как если бы его инертная масса испытала прирост. Этот прирост пропорционален запасу энергии тела.

Эта замечательная  истина вначале высказывалась только относительно электрического заряда. Уже давно было замечено, что электрический  заряд обладает чем-то подобным инерции. Эта мысль приходила уже в 1834 г. Фарадею в связи с его опытами по самоиндукции, но он её отбросил. Основанием её является тот факт, что при попытках увеличить ток в проводе, его несущем, возбуждается ток противоположного направления; наоборот, при ослаблении тока в проводе индуцируется ток прямого направления. Здесь, однако, дело маскируется влиянием формы проводов, что и сбило Фарадея.

В более  простых случаях позднейшие учёные неоднократно возвращались к мысли  об этой «электрической инерции». Но первым, кто остановился на ней более внимательно и усмотрел в явлении нечто более глубокое, чем простую аналогию, был Дж. Дж. Томсон - впоследствии знаменитый руководитель Кембриджской лаборатории, а тогда, в 1881 году, ещё молодой учёный. Он вычислил14, что будет с металлическим шаром радиуса R, если его зарядить количеством электричества е. Можно рассуждать так: шар, при движении

со скоростью  V, обладает кинетической энергией

m×u²/2,

где т — масса шара.

Если  шар несёт на себе заряд, то его  движение представляет собой некоторый ток; величина этого тока i пропорциональна величине переносимого заряда и скорости движения

i ~ ev или / = Aev.

Вокруг  тока образуется магнитное поле, напряжённость  которого H в каждой точке пропорциональна силе тока, т. е.

H ~ ev или H = Bev.

Наконец, плотность магнитной энергии  в каждой точке даётся выражением

W_m= H²/8p.

Подставив сюда вместо H его выражение, получим

W_m = Ce²u²

и подобное же выражение для суммы всей магнитной  энергии, находящейся вокруг движущегося  заряженного шара

W_m = De²u²

Сумма кинетической энергии шара и его магнитной  энергии будет 

T¢ = m/2×u² + De²u²

что можно  представить так:

T¢ = u²/2(m + 2 De²) = u²/2(m + m¢).

Результат имеет такой вид, как будто  бы масса т увеличилась благодаря присутствию заряда на величину т.

Томсон  вычислил коэффициент D в упрощающем предположении, что скорость движения н мала по сравнению со скоростью света с. Тогда для добавочной (так называемой электромагнитной) массы получается выражение

m¢ = 2/3× e²/Rc² .

Томсон  осторожно называет эту величину «кажущимся приростом массы».

На первых норах было обращено внимание на то, что величина эта очень мала из-за огромного множителя с² в знаменателе; заметить её можно только при очень малых величинах R и больших зарядах е. Но мы напишем её несколько иначе, а именно:

m¢ = 4/3 × 1/ c² × e²/2R,

и вспомним, что e²/2R - есть электростатическая энергия заряженного

шара. Тогда  мы получим, что кажущийся прирост  массы шара измеряется электростатической энергией его заряда, делённой на квадрат  скорости света.

На первых порах этому выводу было признано только ограниченное значение: по ходу его казалось, что он имеет отношение  только к электрическому заряду; поэтому  часто называли добавочную массу  «электромагнитной». И трактовали её именно как добавочную к основному члену истинной инертной массы.

Более общее значение понятие об электромагнитной массе получило в самом конце XIX века, когда, с одной стороны, в  теоретических работах Г. А. Лоренца  было предположено, а, с другой стороны, на опытах Томсона, Кауфмана, Ленарда, Симона и других выяснилось существование электронов — частиц с массой, которая меньше массы атома водорода круглым числом в 1800 раз, а заряд равен по абсолютной величине заряду иона водорода. Относительно этой предельно лёгкой частицы как-то сразу явилось подозрение, что она не обладает истинной инертной массой, а что вся её мас-

са - электромагнитного  происхождения.

Мы не будем излагать всего исторического  хода вопроса. Все существовавшие к  тому времени теории предсказывали, что масса электрического заряда будет зависеть от его скорости (формула Дж. Томсона, указанная выше, выведена была в упрощающем предположении, что скорость вообще мала - подразумевается, по сравнению со скоростью света), но различные теории предсказывали различную зависимость, так как их авторы делали различные предположения о поведении электрона при движении. Абрагам предполагал, что электрон представляет собой неизменяемое твёрдое тело.

Лоренц  думал, что электрон при быстром  движении сокращается в направлении  движения, превращается в сжатый в продольном направлении эллипсоид.

В опытах с быстрыми электронами хотели найти  подтверждение той или иной теории, а кстати, решить важный для нас  вопрос: вся ли масса электрона  является электромагнитной? Думали, что  только электромагнитная масса является переменной при изменении скорости, а истинная масса остаётся неизменной. Из опытов, казалось, можно было вывести, что электрон ведёт себя ближе всего к теории Лоренца и что вся его масса -ектромагнитного происхождения. Но впоследствии, как мы увидим, этот вывод лишился своей доказательной силы.