Istoria fizicii 75

FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 1-2, 2012

ISTORIA DESCOPERIRII ŞI FORMULĂRII LEGII CONSERVĂRII ŞI TRANSFORMĂRII ENERGIEI (I)

Conf. univ. dr. Mihail POPA

Universitatea de Stat „Alecu Russo” Bălţi

Cuvinte cheie: energie, forţă vie, lucru, calorie.

INTRODUCERE Energia este unul dintre cele mai profunde şi utile concepte descoperite de om.

Înţelegerea sa corectă prezintă o importanţă esenţială nu numai pentru energeticieni, dar şi pentru întreaga societate umană în calitate de beneficiar al ei. Din punct de vedere etimologic termenul de energie provine din cuvântul grec “energhia”, respectiv din cel latin “energia”, care aveau inţelesul de “activitate”. Totalitatea experimentelor acumulate în decursul secolelor de către omenire au condus la concluzia că formele de mişcare ale materiei, caracterizate de interacţiunile care se manifesta permanent în Univers, se transformă reciproc unele în altele, în raporturi cantitative strict determinate. Acest fapt a permis, pe de o parte, introducerea noţiunii de energie ca o măsură comună şi generală a mişcării materiei, iar pe de alta parte, enunţarea uneia dintre cele mai generale legi din natură, cunoscută sub numele de “legea conservării şi transformării energiei”.

În cele ce urmează, vom descrie detaliat etapele istorice ale descoperirii şi formulării legii conservării şi transformării energiei.

1.1. FUNDAMENTAREA ÎNVĂŢĂTURII DESPRE „MĂSURILE” MIŞCĂRII

Ideea conservării mişcării, din care apoi s-a şi dezvoltat legea conservării energiei, a fost

expusă pentru prima dată încă în epoca antică. Încă atunci s-a format concepţia conform căreia nimic nu apare din nimic şi nu dispare în nimic. Astfel, la învăţatul Democrit întâlnim expresia: „Nimic nu apare din neant şi nu dispare în neant” ([2], pag. 78). Ideile din antichitate au fost dezvoltate abia în sec. XVII, în perioada creării mecanicii clasice.

Studiind mişcarea mecanică, matematicianul, fizicianul, astronomul şi filosoful italian Galileo Galilei (1564-1642) formulează principiul inerţiei şi astfel descoperă indestructibilitatea şi conservarea mişcării mecanice. Termenul de „energie” este folosit mai întâi de Kepler (1571-1630) în sensul de putere care emană din corpuri. Prima măsură a mişcării a fost introdusă de matematicianul şi filosoful francez Renẻ Descartes (1596-1650) (cu numele latin Cartesius) care propune în calitate de măsură a mişcării termenul mv şi consideră că suma aritmetică a termenilor mv pentru toate corpurile sistemului se conservă. În anul 1639 Descartes scria: „Eu admit că pentru toată materia creată există o cantitate de mişcare constantă, care nici odată nu creşte şi nici nu se micşorează, şi în felul acesta, dacă un corp pune în mişcare alt corp, atunci

René Descartes [10]

76 Istoria fizicii

FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 1-2, 2012

pierde tot atâta mişcare, cât îi este comunicată.” ([2], pag.105). Astfel, Renẻ Descartes formulează pentru prima dată legea conservării impulsului, considerând-o lege universală a naturii.

Fizicianul olandez Christiaan Huygens (1629-1695) nu a ignorat rezultatele experimentale şi nu a putut să nu observe concluzia greşită a lui Descartes despre conservarea sumei aritmetice a termenilor mv. Pentru prima dată el a atras atenţia asupra caracterului vectorial al acestei mărimi şi a atribuit corpurilor cu diferite sensuri de mişcare diferite semne ale termenului mv, arătând astfel că se conservă suma algebrică a mărimii mv. De asemenea, pentru prima dată Huygens a introdus şi o altă măsură a mişcării, termenul mv2 , prototipul

noţiunii de energie cinetică. Fizicianul a descoperit că la ciocnirea perfect elastică a bilelor se conservă atât suma algebrică a produselor mv, cât şi suma produselor mv2. În anul 1687 iese de sub tipar lucrarea clasică a lui Isaac Newton (1642-1727) Principiile matematice ale filozofiei naturale, în care este expusă forma finală a teoriei mişcării mecanice. Fizicianul introduce noţiunea de masă, defineşte cantitatea de mişcare mv ca mărime vectorială şi folosind această noţiune formulează legea fundamentală a dinamicii:

vmtF

(1) Ca o consecinţă a legilor a II-a şi a III-a ale dinamicii, el obţine că în lipsa forţelor exterioare suma vectorială a mărimilor mv se conservă pentru întreg sistemul de corpuri.

Contemporanul lui Newton, matematicianul şi filosoful german Gottfried von Leibniz (1646-1716) respinge măsura carteziană mv a mişcării şi desemnează, în anul 1665, ca măsură a mişcării - cantitatea mv2 introdusă de Huygens, numind-o forţă vie (vis viva). Această mărime apărea în calculele mecanice ale lui Leibnitz, iar denumirea a fost dată prin analogie cu termenul de „forţă“, folosit de I. Newton pentru produsul ma. Însă alegerea sa nu a fost prea inspirată.

În acelaşi timp, Galileo defineşte mărimea mv ca forţă moartă care nu produce mişcare. Prin termenul forţă vie Leibniz înţelegea capacitatea corpului de a efectua o oarecare mişcare, de a pune în mişcare alte corpuri sau, cum am fi spus astăzi, de a efectua un lucru mecanic, adică prin termenul forţă vie fizicianul înţelegea ceea ce astăzi numim energie. Este de menţionat faptul că Leibniz a constatat că acolo unde mărimea mv2 se micşorează (de exemplu, în ciocnirea total neelastică) „pierderea” de forţă vie nu are loc, deoarece forţa vie (energia) se transmite particulelor mici ale corpurilor (astăzi spunem că

Christiaan Huygens [4]

Gottfried Wilhelm von Leibniz [10]

Istoria fizicii 77

FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 1-2, 2012

se transformă în energie termică). Prin urmare, concepţia lui Leibniz privind conservarea forţei vii a servit ca început al ştiinţei despre conservarea energiei. Confruntările cu privire la adevărata măsură a mişcării au fost purtate mulţi ani la rând. Însă în urma discuţiilor fizicienii nu au ajuns nemijlocit la legea conservării energiei. În acea perioadă domina mecanica şi pentru a „vedea” legea conservării şi transformării energiei trebuia să se renunţe la concepţia despre mişcare ca un proces mecanic.

Într-un articol publicat în 1686 în revista Acta eruditorum, Leibniz scrie: „Adevărata măsură a forţelor trebuie să fie produsul mărimii corpului la pătratul vitezei. Datorită vitezei imprimate corpul se ridică la o aşa înălţime, de la care ar cădea obţinând aceeaşi viteză finală” ([4], pag. 6).

Discuţiile aprinse asupra măsurii mişcării au divizat învăţaţii în două tabere, cartezieni şi newtonieni, iar Academia de Ştiinţe din Petersburg a hotărât ca asupra acestei probleme să se pronunţe matematicianul, fizicianul şi astronomul de origine elveţiană Leonard Euler. Acesta era adeptul ideilor lui Newton privind dinamica mişcării, dar nu respingea nici importanţa metodologică a ideilor lui Democrit. Euler scrie în formă diferenţială legea fundamentală a dinamicii. Nu este ocolit de el nici subiectul forţelor vii şi al celor moarte. Diferenţa dintre acestea se explică prin faptul „că pentru obţinerea mişcării de la forţa moartă este necesar ca corpul să fie acţionat de aceasta un timp mai îndelungat, adică pentru ca forţa moartă să producă mişcarea este nevoie de timp. Forţa vie, invers, naşte mişcare momentan şi în acest caz nu este nevoie de timp” ([4], pag. 6).

Trebuie de menţionat că matematicianul, fizicianul şi filosoful francez Jean d'Alembert (1717-1783) în lucrarea sa „Tratat de dinamică” sublinia că cele două măsuri ale mişcării sunt echivalente şi ca demonstraţie aduce egalitatea care în notaţii contemporane s-ar putea scrie astfel:

t

mv

s2

mvF

2

. (2)

Aici găsim pentru prima dată ideea despre legătura dintre aceste două măsuri ale mişcării, care în teoria relativităţii se exprimă printr-o relaţie fundamentală de legătură dintre energie şi impuls.

Astfel, în secolele XVII-XVIII s-au pus bazele învăţăturii despre „măsurile” mişcării şi s-a emis ideea despre conservarea mărimilor care reprezintă „măsurile” mişcării mecanice. Termenul de „forţă vie” a dominat fizica circa două secole. Aceasta a fost prima etapă de dezvoltare a ştiinţei care a pregătit terenul pentru descoperirea legii conservării şi transformării energiei.

1.2. IMPOSIBILITATEA UNUI PERPETUUM MOBILE ŞI FORMAREA NOŢIUNII DE LUCRU MECANIC

A doua etapă a fost legată de dezvoltarea mecanicii aplicate. Această perioadă s-a

evidenţiat prin confirmarea treptată a ideii despre imposibilitatea construirii unui perpetuum mobile şi formarea noţiunii de lucru mecanic. Crearea unei maşini care să funcţioneze fără vre-o acţiune din exterior – un perpetuum mobile, era o preocupare de perspectivă destul de interesantă. Încă din antichitate se cunoştea că cu cât câştigi în forţă, cu atât pierzi în distanţă, însă în acea perioadă ideea despre imposibilitatea obţinerii de câştig în lucru mecanic cu

Jean-Baptiste d'Alembert [10]

78 Istoria fizicii

FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 1-2, 2012

ajutorul mecanismelor simple nu s-a copt ca o idee despre imposibilitatea unui perpetuum mobile. La începutul secolului al XVIII-lea proiectele unor astfel de motoare au început să se răspândească tot mai mult şi posibilitatea utilizării lor se discuta tot mai serios între învăţaţi. Însă toate încercările erau zădarnice şi treptat s-a format concepţia despre imposibilitatea creării unui perpetuum mobile. Aşa tratau lucrurile Kepler, Leonardo da Vinci, Galileo, Huygens şi un şir de alţi învăţaţi din acea perioadă. Nu întâmplător în anul 1756 Academia de Ştiinţe de la Paris a anunţat că nu va mai examina proiectele unor astfel de motoare.

În anul 1807, fizicianul englez Thomas Young (1773-1829) a făcut trecerea de la forţa vie la termenul de energie. Această noţiune s-a încetăţenit în ştiinţă abia în jumătatea a doua a sec. al XIX-lea.

Necesitatea modernizării maşinilor a determinat aprecierea cantitativă a productivităţii acestora, iar aceasta în mecanica aplicată a condus la definirea noţiunii de lucru mecanic. Este evident că o macara (sau o pompă) este mai eficientă, dacă în acelaşi timp ridică o greutate mai mare la o înălţime mai mare, adică eficienţa

maşinii se poate aprecia prin produsul hP . Noţiunea de „lucru mecanic” şi definiţia corectă a acestuia aparţine matematicianului şi inginerului francez Jean-Victor Poncelet (1788-1867). În anul 1826 el defineşte noţiunea de lucru mecanic prin produsul scalar dintre vectorii forţă şi deplasare, contribuind astfel la crearea premiselor pentru descoperirea legii conservării energiei.

Poncelet a descoperit şi relaţia dintre lucrul

mecanic şi variaţia mărimii 2mv :

2

mvsF

2 , (3)

adică teorema despre modificarea „forţei vii”. De asemenea, este de menţionat că prima

unitate de lucru mecanic, kilogram-metrul mkg , a fost introdusă de J.V. Poncelet, iar prima unitate de căldură, caloria (cantitatea de căldură necesară pentru modificarea temperaturii 1 kg de apă cu 1oC) a fost introdusă de fizicianul suedez I. Wilke (1732-1796). Dispozitivul pentru determinarea căldurii specifice a substanţelor, calorimetrul, a fost creat în anul 1780 de chimistul francez Antoine-Laurent Lavoisier (1743—1794) şi Pierre-Simon Laplace (1749– 1827). 1.3. NAŞTEREA TEORIILOR „FLUIDELOR” ŞI ZDROBIREA ACESTORA

A treia direcţie de dezvoltare a ştiinţei care a pregătit terenul pentru descoperirea legii

conservării energiei este legată de cercetarea transformările reciproce ale diferitelor forme de mişcare ale materiei şi legăturilor reciproce între diferite fenomene.

Ideea legăturii reciproce şi a transformărilor reciproce ale diferitelor forme de mişcare a materiei era străină fizicii secolelor XVII-XVIII. Încercările de reducere a fenomenelor electrice şi magnetice la cele mecanice au condus la apariţia în fizică a concepţiei idealiste mecaniciste, concepţie şi metodă unilaterală de cunoaştere care absolutizează mişcarea mecanică, explicând întreaga diversitate a fenomenelor prin noţiunile şi legile mecanicii.

Jean-Victor Poncelet [3]

Istoria fizicii 79

FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 1-2, 2012

Acest fapt nu era de mirare, deoarece mecanica lui Newton a permis explicarea cu succes a tuturor fenomenelor mecanice, în primul rând a fenomenelor gravitaţionale.

Conform acestei concepţii, forţele electrice şi magnetice nu sunt universale. Purtători ai acestor forţe nu erau considerate particulele de substanţă, ci particulele unor lichide imponderabile (fluidele electrice şi magnetice) care circulă prin porii corpurilor. În mod analog, fenomenele termice erau explicate prin existenţa în corpuri a unei substanţe speciale, „termogenul”, ale cărui particule s-ar respinge între ele şi ar fi atrase de particulele substanţei. Se mai spunea că la încălzire termogenul intră în corp, iar la răcire – este eliminat. Fenomenul de ardere era determinat de existenţa unui fluid special – flogiston. Astfel, pentru fiecare set de fenomene era responsabil câte un lichid special, însă nici vorbă de vreo legătură între fenomene sau de transformări reciproce ale acestora. De aceea, ideea transformării unei forme de mişcare în alta care stă la baza legii conservării şi transformării energiei a putut fi consolidată abia după zdrobirea teoriilor bazate pe conceptul de fluide. După înfrângerea concepţiei termogenului au fost formulate principalele noţiuni ale calorimetriei (cantitatea de căldură, capacitatea calorică, căldura specifică etc.), pe baza cărora explicarea fenomenelor termice a devenit simplă şi explicită.

La sfârşitul secolului al XVIII-lea – începutul secolului al XIX-lea, odată cu dezvoltarea metalurgiei şi crearea maşinilor termice a sporit interesul faţă de problemele căldurii. În afară de teoria căldurii bazată pe conceptul de termogen, în acea perioadă s-a dezvoltat şi teoria cinetică a căldurii, conform căreia căldura este determinată de mişcarea particulelor de substanţă. Cel mai ferm reprezentant al acestei concepţii a fost învăţatul rus M.V. Lomonosov (1711-1765), care în lucrările sale porneşte de la conservarea materiei şi mişcării şi formulează legea conservării masei.

Teoria termogenului a fost combătută abia la sfârşitul secolului al XVIII-lea prin lucrările învăţatului şi inventatorului anglo-american Benjamin Rumford (1753-1814).

Urmărind găurirea canalelor în ţevile puştilor, Rumford a rămas uimit de faptul că procesul era însoţit de degajarea unei cantităţi enorme de căldură. În timp de 2,5 ore prin frecare s-a degajat o cantitate de căldură suficientă pentru a transforma în vapori 12 kg de apă, obţinându-se doar 270 g de aşchii. Adepţii termogenului explicau acest fenomen prin faptul că la frecare şi la separarea aşchiilor are loc modificarea capacităţii calorice a metalului. Însă Rumford, folosind o metodă calorimetrică simplă, a constatat că capacitatea calorică a aşchiilor şi bucăţii de metal rămâne aceeaşi. Rezulta o singură concluzie: căldura este determinată de mişcarea particulelor de substanţă.

După experienţele lui Rumford teoria termogenului pierdea treptat teren în favoarea teoriei cinetice a căldurii. Devenea clar că în procesul de frecare mişcarea mecanică se transformă în mişcare termică (mişcarea particulelor de substanţă). Se presupunea că la funcţionarea maşinii termice are loc fenomenul invers – mişcarea termică se transformă în mişcare mecanică.

În primul sfert al secolului al XIX-lea au fost făcute mai multe descoperiri care au zdrobit concepţia despre fluidele electrice şi magnetice. Descoperirea curentului electric (L. Galvani (1737-1798)), crearea elementelor galvanice (A. Volta (1745-1827)) şi studierea fenomenului de electroliză (H. Davy (1778-1829) şi M. Faraday (1791-1867)) au demonstrat

Benjamin Rumford [3]

80 Istoria fizicii

FIZICA ŞI TEHNOLOGIILE MODERNE, vol. 10, nr. 1-2, 2012

transformările reciproce ale fenomenelor chimice şi electrice. Descoperirea efectului termic al curentului electric (V.V. Petrov, (1761-1834), J.P. Joule (1818 – 1889), H. Lenz (1818 – 1889)) şi a termoelectricităţii (Th.J. Seebeck (1770 – 1831)) confirma legătura reciprocă dintre fenomenele electrice şi termice. Descoperirea efectului magnetic al curentului electric (H.Ch. Oersted (1777–1851)) şi a inducţiei electromagnetice (M. Faraday (1791–1867)) a demonstrat legătura între fenomenele electrice şi magnetice. Explicarea acestor fenomene cu ajutorul teoriei fluidelor era imposibilă. BIBLIOGRAFIE

1. Popescu, I.M., Fizica (I), Editura didactică şi pedagogică, Bucureşti,1982, 654 p. 2. Спасский, Б.И., История физики, Том 1, Высшая школа, Москва, 1977, 345 c. 3. Кудрявцев, П.С., Курс истории физики, Просвещение, Москва, 1982, 448 с. 4. Франкфурт, У.И., Закон сохранения и превращения энергии, Наука, Москва, 1978,

191 с. 5. Мощанский, В.Н., “Из истории открытия закона сохранения энергии”, Физика в

школе, Nr. 5, 1983, с. 22-26. 6. Дуков, В.М., “История формулировки закона сохранения энергии” (1), Физика:

еженед. приложение к газете «Первое сентября», Nr. 24, 2002, стр. 5-8. 7. Дуков, В.М., “История формулировки закона сохранения энергии” (2), Физика:

еженед. приложение к газете «Первое сентября», Nr. 31, 2002, стр. 1-4. 8. Гатилов, К.С., “Закон сохранения и превращения энергии при повторении

физики”, Физика в школе, N.2, 1985, с. 66-68. 9. http://ro.wikipedia.org/wiki/.... 10. http://universulenergiei.europartes.eu

Primit la redacţie: 17 ianuarie 2012