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가장 중요한 과학적 발견
에너지 절약의 법칙. 과학적 발견의 역사와 본질
자연과학의 가장 중요한 업적은 에너지 보존 법칙의 확립이다. 이 법칙의 의미는 특정 물리적 법칙의 한계를 훨씬 뛰어넘습니다. 질량 보존의 법칙 대신에 이 법칙은 물질과 운동의 불멸성이라는 사실을 표현하는 과학적 유물론적 세계관의 초석을 형성합니다. 사실 그러한 진술을 위한 철학적 전제조건은 이미 거기에 있었다. 그들은 또한 고대 철학자들, 특히 원자론자들 사이에 있었습니다. 데카르트, 특히 구체적이고 뚜렷하게 나타났습니다. 로모노소프. 1807년 파리 과학 아카데미 회원인 프랑스의 물리학자이자 화학자인 Joseph Louis Gay-Lussac은 가스의 특성을 연구하면서 실험을 시작했습니다. 그 전에 압축 가스가 팽창하고 냉각된다는 것은 이미 알려져 있습니다. 과학자는 가스의 열용량이 부피에 따라 달라지기 때문일 수 있다고 제안했습니다. 그는 그것을 확인하기로 결정했습니다. Gay-Lussac은 가스가 용기에서 빈 공간, 즉 이전에 공기가 빠져나간 또 다른 용기로 팽창하도록 했습니다. 실험을 관찰한 모든 과학자들은 놀랍게도 온도 감소가 일어나지 않았고 전체 가스의 온도도 변하지 않았습니다. 얻은 결과는 과학자의 가정을 정당화하지 못했고 실험의 의미를 이해하지 못했습니다. Gay-Lussac은 중요한 발견을 했지만 알아차리지 못했습니다. 러시아 과학자의 연구는 자연력의 변형 가능성에 대한 교리 개발에서 매우 중요한 역할을했습니다. 에밀 크리스티아노비치 렌츠, 연구와 관련하여 인접 패러데이. 전기에 대한 그의 뛰어난 업적은 에너지 지향성이 뚜렷하고 법의 강화에 크게 기여했습니다. 따라서 Lenz는 에너지 보존 법칙의 창조자와 강화자의 은하계에서 첫 번째 장소 중 하나를 정당하게 차지합니다. 이 위대한 자연과학의 법칙을 처음으로 정확하게 공식화한 사람은 독일의 의사 로버트 메이어였습니다. Robert Julius Mayer(1814–1878)는 하일브론에서 약사의 가족 사이에서 태어났습니다. 고등학교를 졸업한 후 Mayer는 튀빙겐 대학교 의과대학에 입학했습니다. 여기에서 그는 수학 및 물리 과정에 참석하지 않았지만 Gmelin과 함께 화학을 철저히 공부했습니다. 그는 쉬지 않고 튀빙겐에서 대학을 마치지 못했습니다. 그는 금지된 집회에 참석했다는 이유로 체포되었습니다. 감옥에서 메이어는 단식투쟁을 벌였고 체포된 지 1838일 만에 가택연금 상태로 풀려났습니다. 튀빙겐에서 마이어는 뮌헨으로 갔다가 비엔나로 갔다. 마침내 XNUMX년 XNUMX월에 그는 고국으로 돌아가는 것이 허락되었습니다. 여기에서 그는 시험에 합격하고 논문을 옹호했습니다. 메이어는 곧 인도네시아로 향하는 네덜란드 선박의 의사로 합류하기로 결정했습니다. 이 여정은 발견에 중요한 역할을 했습니다. 열대 지방에서 일하면서 그는 더운 기후 주민들의 정맥혈 색이 추운 유럽 주민들의 어두운 색보다 더 밝고 주홍색이라는 것을 알았습니다. Mayer는 열대 지방 주민의 혈액 밝기를 올바르게 설명했습니다. 고온으로 인해 신체가 열을 적게 생성해야합니다. 결국 더운 기후에서 사람들은 결코 얼지 않습니다. 따라서 더운 나라에서는 동맥혈이 덜 산화되어 정맥으로 들어갈 때 거의 같은 붉은색을 유지합니다. Mayer는 다음과 같은 가정을 내놓았습니다. 신체가 열을 방출하는 것 외에도 일을 수행한다면 같은 양의 음식이 산화될 때 신체에서 방출되는 열의 양이 변하지 않을까요? 열의 양이 변하지 않으면 같은 양의 음식에서 더 많거나 적은 열을 얻을 수 있습니다. 예를 들어 마찰에 의해 일이 열로 변환될 수 있기 때문입니다. 열의 양이 변하면 일과 열은 같은 근원, 즉 체내에서 산화된 음식에 기인합니다. 결국 일과 열은 서로 변환될 수 있습니다. 이 아이디어는 Mayer가 Gay-Lussac의 실험을 명확하고 수수께끼로 만드는 것을 즉시 가능하게 했습니다. 열과 일이 상호 변환되면 기체가 공극으로 팽창할 때 일이 발생하지 않을 때 부피 증가에 반대되는 압력이 없기 때문에 기체를 냉각해서는 안 됩니다. 가스가 팽창할 때 외부 압력에 대해 일을 해야 한다면 온도가 낮아져야 합니다. 그러나 열과 일이 서로 변할 수 있고 이러한 물리량이 비슷하다면 그 사이의 관계에 대한 의문이 생깁니다. Mayer는 알아내려고 노력했습니다. 특정 양의 열을 방출하는 데 얼마나 많은 작업이 필요하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니까? 그때까지 일정한 압력에서 가스를 가열하려면 가스가 팽창할 때 밀폐된 용기에서 가스를 가열하는 것보다 더 많은 열이 필요하다는 것이 알려져 있었습니다. 즉, 일정한 압력에서 기체의 열용량은 일정한 부피에서보다 큽니다. 이러한 양은 이미 잘 알려져 있습니다. 그러나 둘 다 가스의 특성에 의존한다는 것이 확인되었습니다. 이들의 차이는 모든 가스에서 거의 동일합니다. Mayer는 이러한 열의 차이가 가스가 팽창할 때 작동한다는 사실에 기인한다는 것을 깨달았습니다. 팽창하는 기체 XNUMX몰이 XNUMX도 가열했을 때 한 일은 쉽게 구할 수 있습니다. 저밀도의 모든 가스는 이상적인 것으로 간주될 수 있습니다. 상태 방정식이 알려져 있습니다. 가스를 XNUMX도 가열하면 일정한 압력에서 부피가 일정량 증가합니다. 따라서 Mayer는 모든 기체에 대해 일정한 압력에서의 기체의 열용량과 일정한 부피에서의 기체의 열용량의 차이가 기체 상수라고 하는 양이라는 것을 발견했습니다. 몰 질량과 온도에 따라 다릅니다. 이 방정식은 이제 그의 이름을 지닙니다. Mayer와 동시에 그리고 독립적으로 에너지 보존 및 변환 법칙이 개발되었습니다. 줄 и 헬름홀츠. Helmholtz의 기계적인 접근 방식은 그 자신이 협소하다고 인식하도록 강요받았고, "살아있는 힘"에 대한 절대적인 척도를 확립하고 운동("살아있는 힘") 또는 잠재력의 형태로 가능한 모든 형태의 에너지를 고려하는 것을 가능하게 했습니다. "인장력"). 변형된 운동 형태의 양은 예를 들어 짐을 들어 올리는 것과 같은 기계적 작업의 크기로 측정할 수 있습니다. 원리의 실험적 입증은 무엇보다도 이 작업의 양적 확실성을 증명하는 데 있습니다. 주울의 고전적 실험은 이 문제에 전념했습니다. James Prescott Joule(1818-1889) - 맨체스터 양조업자 - 전자기 장치의 발명으로 시작되었습니다. 이러한 장치와 이와 관련된 현상은 물리적 힘의 변환 가능성을 구체적으로 생생하게 표현한 것입니다. 우선 Joule은 전류에 의한 열 발생의 법칙을 조사했습니다. 갈바닉 소스(1841)에 대한 실험으로 도체의 전류에 의해 발생하는 열이 배터리의 화학 반응 열인지 여부를 확인할 수 없었기 때문에 Joule은 유도 전류를 실험하기로 결정했습니다. 그는 물이 담긴 밀폐 용기에 철심 코일을 배치하고 코일 권선의 끝을 민감한 검류계에 연결했습니다. 코일은 배터리에서 전류가 흐르는 권선을 통해 강한 전자석의 극 사이에서 회전하도록 설정되었습니다. 코일의 회전 수는 분당 600에 이르렀고 전자석 권선은 XNUMX/XNUMX 시간 동안 교대로 닫히고 XNUMX/XNUMX은 열렸습니다. 첫 번째 경우에서 방출된 열에서 두 번째 경우의 마찰로 인해 방출된 열을 뺍니다. Joule은 유도 전류에 의해 생성되는 열의 양이 전류 강도의 제곱에 비례한다는 것을 발견했습니다. 이 경우 기계적 움직임으로 인해 전류가 발생했기 때문에 Joule은 기계적 힘을 사용하여 열을 생성할 수 있다는 결론에 도달했습니다. 또한 주울은 손의 회전을 낙하추에 의해 생성된 회전으로 대체하여 "1파운드의 물을 1도 가열할 수 있는 열의 양은 동일하며 기계적 힘으로 변환할 수 있습니다. 838파운드를 수직 높이 1피트까지 올릴 수 있습니다." 이러한 결과는 21년 1843월 XNUMX일 영국 협회의 물리 및 수학 섹션에 보고된 "자기 전기의 열 효과 및 열의 기계적 중요성"이라는 작업에서 그에 의해 요약되었습니다. 마지막으로 1847-1850년의 작업에서 Joule은 물리학 교과서에 포함된 주요 방법을 개발합니다. 그것은 열의 기계적 등가물에 대한 가장 완벽한 정의를 제공합니다. 금속 열량계는 나무 벤치에 장착되었습니다. 블레이드 또는 날개를 운반하는 축이 열량계 내부를 통과합니다. 이 날개는 서로 45도 각도(XNUMX열)를 형성하는 수직면에 있습니다. 네 줄의 플레이트가 반경 방향으로 측벽에 부착되어 블레이드의 회전을 방지하지는 않지만 전체 물 덩어리의 움직임을 방지합니다. 단열 목적을 위해 금속 축은 나무 실린더에 의해 두 부분으로 나뉩니다. 차축의 바깥 쪽 끝에는 두 개의 로프가 같은 방향으로 감긴 나무 실린더가 있으며 실린더 표면은 반대 지점에 남습니다. 로프의 끝은 고정 블록에 부착되며 그 축은 가벼운 바퀴에 있습니다. 축에는 하중을 전달하는 감긴 로프가 있습니다. 상품 낙하 높이는 레일로 측정됩니다. 다음으로 주울은 주철과 주철의 마찰로 인해 발생하는 열을 측정하여 등가를 결정했습니다. 열량계의 축에서 회전하는 주철판. 링은 축을 따라 자유롭게 미끄러지며 프레임, 튜브 및 디스크를 운반하며 모양이 주철판에 맞춰져 있습니다. 막대와 레버를 사용하여 압력을 가하고 레코드에 대고 디스크를 누를 수 있습니다. Joule은 1878년에 기계적 등가물을 마지막으로 측정했습니다. Mayer의 계산과 Joule의 실험은 열의 본질에 관한 XNUMX년 간의 논쟁을 완성했습니다. 경험으로 증명된 열과 일의 등가 원리는 다음과 같이 공식화할 수 있습니다. 모든 경우에 열에서 일이 발생하면 받은 일과 동일한 양의 열이 소비되고 그 반대의 경우에도 일이 소비되면 열이 소비됩니다. 같은 양의 열이 얻어집니다. 이 결론을 열역학 제XNUMX법칙이라고 합니다. 이 법칙에 따르면 일은 열로 변환될 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 또한, 이 두 값은 서로 동일합니다. 이 결론은 시스템이 초기 조건으로 축소되어야 하는 열역학 주기에 유효합니다. 따라서 모든 순환 과정에서 시스템이 수행한 작업은 시스템이 받은 열과 같습니다. 열역학 제XNUMX법칙의 발견은 영구 운동 기계를 발명하는 것이 불가능하다는 것을 증명했습니다. 처음에는 에너지 보존 법칙을 "영구 운동 기계는 불가능하다"라고 불렀습니다. 저자: Samin D.K.
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