Термин «работа» впервые был введен французским ученым-механиком Ж. Понселе в 1826 г. («Курс механики в приложении к машинам»), чему предшествовало установление этого понятия (правда, под другими названиями - «сила», «действие», «момент действия», «механический эффект») как меры производительности машин. Им уже широко пользовались во второй половине XVIII в. Например, в курсе механики Котельникова (1774 г.) дано четкое определение величины «действия», впоследствии названного работой: «Действие махины или действующая посредством ея силы равно тягости, умноженной на пройденный ею путь».
Еще более общее представление о работе (когда направление силы не совпадает с направлением движения) содержится в книге французского инженера, ученого и политического деятеля Великой французской революции Лазара Карно. В сочинении «Опыт о машинах вообще» (т. е. в курсе прикладной механики), вышедшем в 1783г., он показал, что значение момента действия (т. е. работы) определяется произведением силы на путь и на косинус угла между ними.
После того как термин «работа» окончательно установился (в XIX в.), исчезла и двойственность понятия «сила». Теперь под силой понималось только воздействие, вызывающее движение тела в определенном направлении.
Так или иначе, в механике «закон сохранения силы» (а затем работы) не подвергался сомнению среди серьезных ученых уже во второй половине XVIII в. Парижская Академия наук в 1775 г. приняла официальное постановление о том, что она «не будет рассматривать никакой машины, дающей вечное движение».
В литературе обычно это решение цитируется очень кратко. Между тем в части, относящейся к ppm2, содержатся интересные мысли .
«...Создание вечного двигателя абсолютно невозможно: даже если трение и сопротивление среды не уменьшают длительности воздействия движущей силы, она не может произвести равного ей эффекта. Причина этого состоит в следующем: если мы хотим, чтобы эффект, производимый силой конечной величины, действовал бесконечное время, необходимо, чтобы произведенный эффект был бесконечно мал.
Предположим, что тело, которому сообщили движение, при отсутствии трения и сопротивления способно сохранить это движение постоянно; но при этом не идет речь о других телах. Это вечное движение возможно было бы только в этих условиях (которые, впрочем, не могут существовать в природе); оно было бы совершенно бесполезно по отношению к другим объектам, предлагаемым обычно творцами вечного движения..» Здесь (правда, применительно только к механическому движению) закон сохранения «силы» и вытекающая из него невозможность вечного двигателя первого рода выражены совершенно четко. И далее:
«...Такой способ исследования, несомненно, дорого обходится; он уже разрушил много семей. Часты случаи, когда механик, который мог бы занять достойное место, растрачивал на это свою славу, время и талант. Таковы принципы, на которых основано решение Академии: постановляя, что она больше не будет заниматься этими вопросами, Академия заявляет о своем мнении о их бесполезности, для сведения тех, кто будет ими заниматься. Часто говорят, что, занимаясь химерическими проблемами, люди открывали полезные истины. Такая точка зрения была бы обоснованна в те времена, когда метод поиска центы был истины во всех областях. В настоящее время, когда он известен, наиболее верный способ поиска истины - искать ее».
Эта часть решения звучит и теперь вполне современно. Здесь указано не только на бесполезность занятий химерическими проектами и пагубность их для самих изобретателей. Обращено внимание на необходимость применять, говоря современным языком, правильную методологию научного поиска. Нынешним ученым изобретателям ppm неплохо было бы вдуматься в умные слова, сказанные французскими академиками более 200 лет назад.
При всей важности и дальновидности решения Парижской Академии в нем не упоминалось о других формах движения и особенно о тепловой; вопрос об их связи с механическим движением оставался открытым. Соответственно оставалась и «щель» для идеологии, разрешающей ppm. Блестящие прозрения Лейбница и Ломоносова имели общий, философский характер. Развитие техники (паровые машины и другие тепловые двигатели, например машина Стирлинга требовало осмысления процессов превращения тепла в работу и работы в тепло, точного их количественного анализа.
Первым правильно поставил (и в основе решил) задачу определения теплового эквивалента работы французский военный инженер Николай Леонар Сади Карно (1796-1832 гг.), сын Л. Карно. Он опубликовал в 1824 г. ставшую впоследствии знаменитой небольшую книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В ней С. Карно заложил основы не только теории тепловых машин, но и второго закона термодинамики. Мы еще вернемся к труду Карно в следующей главе, когда займемся ppm-2. Здесь же нас интересуют взгляды Карно на ppm-1 и его вклад в «закон сохранения силы», из которого вышел закон сохранения энергии - первый закон термодинамики.
О ppm С. Карно писал в своей книге: «Если бы это было возможно, то стало бы бесполезно искать движущую силу в потоках воды и воздуха, в горючем материале; мы имели бы бесконечный источник, из которого могли бы бесконечно черпать». И далее: «...могут здесь спросить: если доказана невозможность ppm для чисто механических действий, то сохраняется ли это при употреблении тепла или электричества; но разве возможно для явлений тепла или электричества придумать какую иную причину, кроме какого-либо движения тел, и разве эти движения не должны подчиняться законам механики?».
Что касается «сохранения силы» при взаимных превращениях тепла и работы, то позиция С. Карно была четко сформулирована в его более поздних записях:
«Тепло - не что иное, как движущая сила или, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тел возникает повсюду, где происходит уничтожение движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила.
Таким образом, можно высказать общее положение: , движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один вид движения, то другой, но никогда не исчезает. По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».
Если заменить во всем тексте слова «движущая сила» на «энергия», а в последней фразе - на «работа», го формулировка Карно целиком может быть помещена в современный учебник физики. Карно не только сформулировал здесь закон сохранения энергии, но впервые дал числовой коэффициент для пересчета тепла в работу и наоборот. Это был качественный скачок, переход на новый уровень знаний, значение которого нельзя переоценить. Дальше мы увидим, с каким трудом эти истины входили в сознание людей.
Насколько правильно С. Карно подсчитал тепловой эквивалент работы? Аири Пуанкаре в 1892г. писал: «Можно ли яснее и точнее высказать закон сохранения энергии? Заметим также, что значение эквивалента, вычисленного Карно в 2,7 ккал на единицу работы, за которую он принимает 1000 кГм, соответствует 370 кГм/ /ккал, что недалеко от истины (427 кГм)...».
Однако открытие Карно осталось неизвестным его современникам; он не успел его опубликовать. В 1832 г. С. Карно умер, заболев холерой. Только в 1878 г. его брат опубликовал записки, в которых содержался цитированный отрывок, вместе со вторым изданием книги «О движущей силе огня».
Это открытие Карно не оказало влияния на дальнейшее развитие учения о сохранении энергии; главные события, связанные с его установлением, произошли позже- в 40-е и 50-е годы XIX в. Тем не менее приоритет С. Карно не подлежит сомнению.
Однако как основоположник закона сохранения энергии в историю вошел (с полным правом на это) другой человек, по существу «шедший вторым» - немецкий врач Роберт Майер (1814-1878 гг.). Он впервые опубликовал свой расчет механического эквивалента тепла в 1842 г. (полученная им цифра - 365 кГм/ккал - была немного менее точна, чем у Карно).
Р. Майер, как и многие другие первооткрыватели, принял на себя первые удары противников нового закона. Он понимал проблему энергетических превращений глубже и шире, чем его современники - физики, занятые той же задачей.
Это было и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что (хотя и не сразу) дало возможность закону сохранения энергии утвердиться в наиболее общей форме. Плохо потому, что работы Майера в значительной степени именно по этой причине долго «не доходили» до его современников и не были оценены по достоинству. Он прожил дольше Карно, но судьба его тоже была трагичной.
Майер подошел к закону сохранения с несколько неожиданной для физиков биологической стороны: как и Дарвин, он получил первый толчок к своим идеям из наблюдений во время дальнего морского путешествия.
Ему как судовому врачу приходилось делать хирургические операции; он обратил внимание на то, что у жителей острова Ява венозная кровь оказалась намного светлее, чем у европейцев. Майеру было известно, что выделяемое живым организмом тепло получается в результате окисления пищи кислородом (первыми это установили еще А. Лавуазье и П. Лаплас). Размышляя об этом, Майер совершенно правильно пришел к объяснению: в жарком климате организм отдает, а следовательно, и вырабатывает меньше тепла, чем на севере. Соответственно артериальная кровь, переходя в венозную, должна отдавать меньше кислорода (т. е. меньше темнеть).
Развивая эту мысль, Майер связал процесс окисления пищи не только с выделением тепла организмом, но и с работой, которую он производит. Следовательно, и тепло, и работа возникают из одного и того же источника - пищи. Поскольку Майер, так же как и Лейбниц, исходил из принципа равенства причины и действия (causa aequat effectum), для него было очевидно, что теплота и работа могут взаимно превращаться. Более того, их количества при этом должны находиться в совершенно определенном соотношении.