Добывать огонь посредством трения человек научился уже на заре своей истории. Во всяком случае известно, что индейцы американского континента за несколько тысяч лет до открытия его Христофором Колумбом добывали огонь вращением палочки в углублении бревна. Рисунок 35 воспроизводит этот процесс, как он был изображён на камне в то давнее время.

Рис. 35. Добывание огня трением.

Ударом молотка, например, по концу мягкой железной проволоки диаметром 2–3 мм её можно разогреть до красного каления. Нередко так делали в сельских кузницах недавнего прошлого, чтобы разжечь горн. Это можно назвать неосознанным преобразованием механической энергии вращающейся палочки или падающего молотка в тепловую.

Преобразование механической энергии в тепловую нередко наблюдали и учёные. В 1798 году английский учёный Румфорд обнаружил сильное нагревание стволов пушек в процессе сверления. Вода, налитая в жерло, доходила даже до кипения.

В качестве источника этой теплоты была пара лошадей, вращавших привод сверлильной машины.

Переход механической энергии в тепловую наблюдал английский учёный Деви в 1802 году, производя опыт: трение двух кусков льда друг о друга. Лёд таял, превращаясь в воду.

Но учёные сталкивались со случаями перехода не только механической в тепловую энергию.

Английский учёный Михаил Фарадей, например, в 1821 году обнаружил появление электрического тока в катушке, в которую вдвигал один конец магнита. В этом же году Фарадей добился непрерывного вращательного движения проводников в магнитном поле, а десять лет спустя, вращая проводники в магнитном поле, получил электрический ток. Механическая энергия переходила в электрическую и, наоборот, электрическая — в механическую.

Несколько позже эти опыты Фарадея были подтверждены членом Петербургской академии наук Э. X. Ленцем, опубликовавшим в «Анналах» Погендорфа за 1834–1835 гг. результаты исследований индукционных токов. Основным выводом его исследований было знаменитое и поныне «правило Ленца», из которого следует, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, пересекающем его, возникает индукционный ток.

Из опытов Румфорда и Деви не было сделано правильных выводов ни ими, ни их учениками, современниками, потому что все они руководствовались в то время неправильными взглядами на природу тепла. Правильных же выводов М. В. Ломоносова об этом они не знали.

Фарадей и Ленц не ставили в описанных опытах перед собой задачи установления закона перехода механической энергии в электрическую или наоборот. Мы привели эти два примера для того, чтобы показать возможность перехода этих видов энергии из одного вида в другой.

Сейчас мы можем утверждать, что в любом из описанных случаев строго определённое количество единиц механической энергии преобразовывалось в определённое количество тепловой или электрической. Это наше утверждение стало возможным после работ ряда учёных, открывших, что для получения единицы тепловой энергии необходимо затратить определённое число единиц механической энергии. Такое число единиц механической энергии они назвали механическим эквивалентом тепла. Своими опытами учёные убедительно показали, что энергия переходит из одного вида в другой в строго определённом соотношении, причём никогда энергия не создаётся из ничего и не исчезает бесследно.

Закон сохранения и превращения энергии окончательно сформулирован лишь в XIX столетии после работ ряда учёных. Среди них нельзя не упомянуть о работах немецкого врача Роберта Майера, немецкого учёного Гельмгольца и английского учёного Джемса Прескотта Джоуля.

Крупнейшее открытие в области техники, осуществлённое врачом Робертом Майером, достойно особого внимания не только по значительности открытия. Этот факт наглядно показывает, насколько важны для успешной научной работы наблюдательность, умение научно анализировать и обобщать все подмечаемые явления.

Роберт Майер работал на голландском корабле в качестве судового врача. Находясь однажды на стоянке корабля в ныне индонезийском порту Сурабая на Яве, Майер обратил внимание на цвет венозной крови матросов, которая была значительно ярче, чем это приходилось наблюдать ему при кровопусканиях в умеренном поясе. Из бесед с местными врачами Майер выяснил, что яркий цвет венозной крови обычен для человека, находящегося в тропических широтах. Разобравшись в обнаруженном явлении, он делает правильный вывод, что совершение матросами тяжёлой физической работы в умеренном поясе сопровождается появлением в их крови большего количества продуктов соединения с кислородом — «продуктов горения», чем в тропиках; происходит это вследствие резкого различия в температурах окружающей среды.

Корабль, на котором служил Майер, возвратился в Нидерланды в 1841 году. А уже в 1842 году Майер написал работу, в которой говорит, что при взаимных переходах механической и тепловой энергии она не создаётся из ничего и не теряется бесследно. В этой же работе Майер теоретически вычисляет механический эквивалент тепла, а несколько позже, в 1845 году, утверждает, что высказанное им в 1842 году относится не только к тепловой, но и к электрической и химической энергии.

В 1847 году публикует свою работу «О сохранении силы» немецкий учёный Гельмгольц. В ней он дал много новых и важных доказательств того, что энергия не создаётся из ничего и не уничтожается бесследно, распространив это правило на все явления природы.

Эти теоретические выводы о сохранении и превращении энергии подтверждены опытами многих учёных. Джоуль провёл множество самых различных опытов неизменно с одним и тем же результатом. В 1847 году он осуществил опыт, который и поныне описывается в различных вариантах во всех учебниках, где идёт речь о законе сохранения и превращения энергии.

Прибор Джоуля состоял из следующих основных деталей (рис. 36): сосуда-калориметра, заполненного водой и имеющего перегородки для усиления трения; вала со специальными лопастями и шкивом; шнура, намотанного на шкив; груза, подвешенного к концу шнура; рейки с делениями, по которым определяют высоту падения груза.

Падающий груз тянет за шнур и вращает вал. Трение вращающихся лопастей о воду нагревает её.

Рис. 36. Прибор в опыте Джоуля по определению механического эквивалента тепла.

Измерив термометром температуру жидкости до и после опыта, зная её массу, Джоуль вычислял количество теплоты, образовавшейся в воде вследствие трения. Сопоставив эти данные с работой, которую совершил груз в процессе падения, учёный определял равнозначность (эквивалентность) механической и тепловой энергии. Она всегда оказывалась одинаковой. Множество других опытов приводили Джоуля к таким же результатам. На основании всех этих опытов Джоуль наиболее полно и наиболее точно определил соотношение между механической и тепловой энергией при взаимных превращениях, установив механический эквивалент тепла, по абсолютному значению близко совпадающий с теоретически вычисленным Робертом Майером.

Механический эквивалент тепла показывает, что для получения одной большой калории тепла необходимо затратить 426,9 или округлённо 427 кем работы. Во всех позднее проводившихся опытах учёные получали почти это же число. Некоторое несовпадение происходило исключительно за счёт неточности измерений, несовершенства аппаратуры.

Несколько описанных здесь опытов, как и огромная масса других, с яркой убедительностью указывают, что энергия не исчезает бесследно и не создаётся из ничего.

Крупнейшее значение для науки имели работы Фридриха Энгельса, в которых он, дав глубокий анализ закона сохранения энергии, впервые в мире указал, что содержание его сводится не только к установлению закона неуничтожимости движения, но и к установлению закона превращения форм движения друг в друга в их взаимной связи.

Он указал, что любую форму движения можно характеризовать любой единицей меры, измеряющей какое угодно иное количество движения.

«Если ещё десять лет тому назад, — писал Ф. Энгельс в „Анти-Дюринге“, — новооткрытый великий основной закон движения понимался лишь как простой закон сохранения энергии, как простое выражение того, что движение не может быть уничтожено или создано, т. е. понимался только с количественной стороны, то это узкое, отрицательное выражение всё более вытесняется положительным выражением в виде закона превращения энергии, где впервые вступает в свои права качественное содержание процесса… Теперь уже не нужно проповедовать как нечто новое, что количество движения (так называемой энергии) не изменяется, когда оно из кинетической энергии (так называемой механической силы) превращается в электричество, теплоту, потенциальную энергию положения и т. д., и обратно».

Следовательно, закон сохранения энергии является одновременно и законом превращения энергии. Абсолютно во всех явлениях природы одни формы энергии переходят в другие, но никогда энергия не исчезает и никогда не создаётся из ничего.