Галилей положил начало экспериментальной физике, научно обосновал и сформулировал закон инерции, имеющий чрезвычайно важное значение в физике.
В 1687 г. Ньютон, который по праву считается одним из создателей механики, в своей работе «Математические начала натуральной философии» сформулировал один из основных законов механики о зависимости ускорения тела от его массы и действующей силы.
На основе законов Кеплера и закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном, стало возможным заранее вычислять орбиты Луны и планет, т. е. появилась реальная научная база, на которой можно было строить небесную механику и прикладную астрономию.
Развитие мануфактурного и машинного производства потребовало решения множества задач, связанных с динамикой твердого тела, гидродинамикой и гидростатикой. В результате развитие техники привело к созданию основ гидродинамики — учения о движении жидкостей (закон Бернулли).
Широкое внедрение машинной техники во все отрасли производства стало возможным после изобретения паровой машины.
Работы Карно объяснили сущность взаимосвязи двух видов энергии — тепловой и механической. В результате были усовершенствованы паровые двигатели, которые в то время являлись основными механизмами, приводящими машины в действие.
Исследования Ломоносова и Лавуазье привели к систематическому изучению химических явлений на основе закона сохранения массы.
В первой половине XIX века были открыты электрический ток и электромагнитные явления. Эти открытия существенным образом изменили представление о веществе и положили начало электротехнике, радиофизике и радиоэлектронике, атомной физике и др.
Как нередко бывает в жизни, открытие какого-либо нового явления часто вызывает сомнения в возможности его практического использования. В самом деле, мог ли человек, видевший, как под действием слабого электрического тока вздрагивает лапка лягушки или под действием непонятных в то время причин отклоняется стрелка компаса, находящегося вблизи проводника, по которому протекает электрический ток, представить себе, каково будет практическое применение таких «незначительных» явлений? Конечно, нет.
Только в процессе развития науки и техники, порой через много лет после открытия, становится понятным значение того или иного явления. Кто бы мог подумать, что открытие Резерфордом особенностей при рассеянии потока а-частиц тончайшей золотой фольгой приведет к созданию атомной физики и квантовой механики, а открытие радио-активности — к овладению ядерной энергией?
Прогресс техники невозможен без прогресса науки точно так же, как и наука не может развиваться без развития техники. В этом состоит диалектическое единство науки, в частности физики, с одной стороны, и техники — с другой.
Мы кратко рассказали о ходе развития физической науки и техники. Сейчас разберем подробнее некоторые примеры, показывающие взаимосвязь физики и техники.
Термодинамика и паровые машины
Итак, развитие науки и техники в конце XVIII и начале XIX века привело к созданию паровой машины, что явилось началом промышленного переворота, т. е. привело к широкому применению машинной техники.
Развитие промышленности и транспорта требовало достаточно мощных и надежных двигателей. Таким двигателем и явилась паровая машина. Различные типы металлорежущих станков, паровой молот и другие машины были созданы в сравнительно короткое время. Для усовершенствования их была необходима теоретическая база. Таким образом, перед наукой встала задача — исследовать характер процессов, протекающих в тепловых (паровых) машинах. Эта задача привела к возникновению новой отрасли науки — термодинамики, целью которой явилось изучение тепловых процессов в машинах.
В 1824 году Карно ввел понятие «тепловые циклы», затем немецкий ученый Клаузиус и англичанин Томсон сформулировали второе начало термодинамики и исследовали вопрос о существовании абсолютного нуля температуры.
В конце XIX и начале XX, века американский физик Гиббс изложил так называемый статистический метод, легший в основу статистической физики,
Большая роль в развитии термодинамики принадлежит русским ученым. В 1887 году В. А, Михельсон и Б. Б. Голицын исследовали законы термодинамики излучения, которые в дальнейшем на основе работ немецких ученых Вина и Планка привели к созданию квантовой механики.
Д. И. Менделеев и А. Г. Столетов внесли большой вклад в изучение так называемых критических состояний вещества, при которых наблюдается переход вещества из одного агрегатного состояния в другое (например, воды — в лед, жидкости — в пар).
Что же представляет собой термодинамика?
Слово термодинамика произошло от греческих слов «термо» — тепло и «динамик» — сила, т. е. это наука о законах теплового движения, о процессах передачи тепла и превращения тепловой энергии в механическую.
Метод термодинамики заключается в том, что на основе общих законов (например, закона сохранения энергии) исследуются процессы передачи и превращения тепла безотносительно к конкретным конструкциям той или иной тепловой машины. При этом метод термодинамики не основывается на конкретных представлениях о структуре вещества.
Термодинамические законы являются выражением статистических закономерностей, которые имеют место в системах, состоящих из огромного числа хаотически движущихся частиц.
Для исследования характера процессов, протекающих при работе тепловых машин, обычно пользуются методом циклов Карно. Цикл Карно отображает процесс в идеальной тепловой машине при условии отсутствия потери энергии на трение.
Метод циклов предполагает, что при работе тепловой машины существуют следующие стадии:
1) расширение пара, температура которого остается постоянной в течение всего времени расширения; при этом непрерывно подводится тепло;
2) расширение пара без подвода или отвода тепла;
3) сжатие пара при непрерывном отводе тепла (температура при сжатии остается постоянной);
4) сжатие пара без подвода или отвода тепла (температура пара при этом изменяется).
После завершения полного цикла работы тепловой машины система возвращается в свое исходное состояние, т. е. температура и давление пара принимают первоначальные значения. Работа, которую совершил при этом пар, может быть численно измерена площадью S, ограниченной кривыми a, b, с, d (рис. 1). При этом количество теплоты Q1, которое было передано пару от внешнего источника тепла, всегда больше количества теплоты Q2, переданной нагретым паром теплоприемнику (холодильнику) в процессе совершения рассмотренных четырех стадий. Разность Q1 — Q2 эквивалентна работе, совершенной паром, а коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины равен отношению этой работы к количеству тепла Q1, т. е.
Для того чтобы пар совершал работу, необходимо наличие теплоотдатчика с высокой температурой и теплоприемника с более низкой температурой. При этом КПД тепловой машины не зависит от конструктивных особенностей и от свойств рабочего тела (пара), а определяется только температурой теплоотдатчика и теплоприемиика.
Цикл Карно не учитывает потерь энергии на трение, излучение и т. д. Однако такие потери всегда имеют место в реальных тепловых машинах. Поэтому КПД реальных машин всегда меньше значения, вычисленного по приведенной формуле.