Читать книгу "Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон"

С анализа Карно началось то, что Кельвин впоследствии назовет термодинамикой, однако сам Карно продолжал считать, что теплота — это вещество под названием теплород, который, так же как вода, падающая на лопасти колеса, не может быть ни создан, ни уничтожен. Джоуль, будучи подростком, вероятно, узнал это все от своего учителя Джона Дальтона — еще одного жителя Манчестера, чьи эксперименты позволили заложить основы современного атомного учения. Отец Джоуля, преуспевающий пивовар, организовал для своих сыновей частные уроки химии. И вот, увлекшись научными опытами, Джоуль то бил мальчишек электричеством, используя лейденские банки, то пускал электрический заряд через хромую лошадь и девочку-служанку, которая как-то получила такой удар, что потеряла сознание. Когда ему исполнилось девятнадцать, он уже что-то сооружал из катушек и магнитов в надежде создать электромотор, который будет мощнее паровой машины и дешевле в эксплуатации.

Для питания устройства Джоуль использовал электрические батареи, в которых два электрода — цинковый и медный — погружались в разбавленную серную кислоту. В такой батарее кислота реагирует с цинком, высвобождая электроны. Если к противоположным полюсам подключить мотор, то через него потечет ток, который будет намагничивать обмотки и заставлять мотор вращаться.

Очень быстро Джоуль заметил, что сила электромагнита возрастает как квадрат силы тока. Удвоив количество батарей, можно вчетверо увеличить мощность. Сама вероятность того, что это соотношение справедливо и для электромотора, звучала тогда так же заманчиво, как в 8о-е годы прошлого столетия возможность холодного термояда. «Вряд ли стоит сомневаться, что электромагнетизм в конечном счете заменит пар как источник движения машин, — заявил Джоуль с энтузиазмом двадцатилетнего юноши, еще не знакомого с трудностями бытия. — Стоимость эксплуатации электромотора можно уменьшать до бесконечности». Если не считать небольших трудностей, например, сопротивление воздуха и преодоление трения, считал он, «нет ничего такого, что могло бы помешать достигнуть огромных скоростей вращения и в результате — огромных мощностей».

Однако в реальности все обстояло не так просто. Мощность первого мотора Джоуля была достаточной лишь для того, чтобы с трудом заставить вращаться ротор. Джоуль перепробовал множество вариантов обмоток и батарей, наматывал различные типы проволоки на разные сердечники, и, чем больше он пробовал, тем больше сопротивлялась ему природа. С ростом тока, подаваемого на мотор, росла температура обмоток. По сути, Джоуль обнаружил, что нагрев тоже увеличивается пропорционально квадрату величины тока. При удвоении количества батарей нагрев происходит в четыре раза сильнее. Казалось, решение не будет найдено никогда. Правда же заключалась в том, что система не способна отдавать больше энергии, чем получает сама. Можно лишь один вид энергии преобразовать в другой.

К 1841 году это уже было понятно. Лучшие паровые машины в мире могли усваивать достаточно «жизненной силы» из фунта угля, чтобы поднять груз весом полтора миллиона фунтов на один фут над землей или груз весом один фунт на полтора миллиона футов над землей. Другими словами, фунт угля производил 208 тысяч кг х м работы. Лучший, работавший от батареи, электромотор Джоуля мог извлечь всего лишь одну пятую от этого количества из фунта цинка, а цинк стоил в 60–70 раз больше, чем уголь. «Сравнение настолько удручающее, — жаловался Джоуль, — что я начинаю терять веру в то, что электромагнетизм хоть когда-нибудь станет источником мощности, привлекательным с точки зрения экономики».

Электрический мотор Джоуля

Рисунок из его «Научных записок»

Сегодня, конечно, электромоторы, которые питаются от электрических сетей, давно и повсюду вытеснили паровые машины. Но все равно источником их энергии является преобразованный пар. Для того чтобы довести воду до кипения, на электростанции сжигается уголь или газ или происходит распад урана в реакторе, затем пар начинает двигать турбины, которые, в свою очередь, приводят в движение динамо-машины, производящие электричество.

Для человека, непосредственно занятого изготовлением моторов, нагрев всегда представлял собой проблему, но только Джоулю стала постепенно открываться истина: между теплом и работой существует фундаментальная связь. Если проволокой замкнуть полюсы батареи, она так быстро нагревается, что начинает дымиться ее изоляция. Но если в цепь вставить электромотор, то проволока не перегревается, поскольку за счет теплоты осуществляется работа мотора. То же самое происходит, когда батарея используется для электролиза воды — разделения ее на водород и кислород — или при анодировании ложки.

Может быть, теплород вытекает из батареи вместе с электричеством, однако батарея при этом не становится холоднее — еще одно доказательство того, что теплота не присутствует изначально, а возникает в результате какого-либо процесса. В 1843 году Джоуль начал проверять эту гипотезу.

Он решил поместить катушку с железным сердечником внутри изолированной стеклянной трубки, наполненной водой, и вращать ее изогнутой ручкой. Вдоль трубки он установил два электромагнита, снятых с его электромоторов. В результате получился генератор. Провода катушки были подсоединены к гальванометру, измеряющему величину получаемого тока. (Чтобы провода при вращении не скручивались, он придумал контакт, состоявший из двух полукруглых канавок, заполненных ртутью.) Джоуль определял температуру воды, потом крутил ручку в течение 15 минут, а затем снова измерял температуру воды.

Это достаточно сложный опыт, поскольку приходится принимать во внимание такие факторы, как охлаждающий эффект воздуха и колебания температуры в помещении. Нужно было учесть и то, что ток, возбуждаемый при вращении ручки, был не постоянным, а пульсирующим. Джоуль испробовал электромагниты различной мощности, а также разное количество гальванических элементов и, только все перепробовав, позволил себе увериться в том, что вода нагревается от вращения. Более того, сопоставив показания гальванометра и термометра, он увидел знакомую закономерность: удвоение величины тока вело к повышению нагрева в четыре раза.

Генератор Джоуля. Электромагниты на рисунке не изображены

Рисунок из «Научных записок» Джоуля

Обмотка катушки не была соединена с батареей, поэтому теплороду браться было неоткуда. Единственно возможным источником нагрева была работа, которую проделывал Джоуль, вращая ручку. Как и в эксперименте с пушкой, проведенном Румфордом, вращательное движение преобразовывалось в движение иного рода — незаметные вибрации, которые наши пальцы ощущают как тепло.

Джоуль знал, что для переубеждения скептиков полученных результатов мало. Необходимо еще точно определить, какое количество работы совершено для получения соответствующего количества тепла. Он перестроил свой первоначальный прибор, обмотав двумя длинными кусками бечевы вал ручки так, что один отрезок бечевки был накручен в одну сторону, а второй — в другую. Каждый конец бечевы был продет через шкив и прикреплен к чаше весов, на которой находился груз. По мере падения груза катушка будет вращаться и генерировать электричество и тепло.