|
| Схема элемента Даниеля — Якоби |
основным принципом при
Самое главное, что преследовал и чего добился Якоби, это то, что в процессе работы батареи изменялось только количество реагирующих веществ, но вид реакции не менялся. Это стало конструировании гальванических элементов для практики.
Оба, Даниель и Якоби, исходили из одного и того же, оба приняли серьезные меры к устранению главной помехи, но Якоби поступил решительнее своего английского собрата. Новый стабильно работающий электрохимический источник тока получил впоследствии название элемента Даниеля — Якоби. Это был сосуд, разделенный пористой перегородкой. В одном отделении медный электрод находился в растворе медного купороса, в другом цинковый — в растворе сульфата цинка. Сульфат цинка не взаимодействует с цинком, а сульфат меди — с медью. При замыкании цепи элемента электрический ток шел от цинкового электрода к медному.
Через некоторое время медный электрод становился тяжелее, а цинковый — легче. Атом цинка отдавал иону меди свои заряды и переходил в раствор в виде иона, а ион меди, получив заряды, превращался в металлическую медь. Но явления ионизации цинка и выделения меди были пространственно разделены, заряды передавались через внешнюю цепь.
Элемент Даниеля — Якоби давал постоянное напряжение — почти ровно один вольт. Поэтому он нашел широкое применение в практике электрохимических исследований. Русский электрохимик А. С. Савельев, работавший вместе с Ленцем, сказал, что это изобретение «надобно поставить в ряду самых важных открытий в области гальванизма». Работа элемента Даниеля — Якоби показала, что энергетическим источником действия вольтова столба являются химические процессы. Подтвердилась мысль, ранее высказанная Риттером, Дэви, Берцелиусом, Петровым, Фарадеем, что гальванический процесс — это процесс химический. Но окончательным этот вывод мог стать лишь после того, как был открыт и утвердился в науке закон сохранения энергии.
Затворник из Нью-Хейвена
В июле 1840 г. судно, на котором служил врачом Роберт Майер (1814—1878), стояло у острова Ява. Одному матросу надо было сделать операцию, и Майер был поражен, увидев, как светла у того венозная кровь. Неужели он задел артерию? Нет! Потом ему сказали, что у экватора венозная кровь всегда светлее, чем в северных широтах. И его осенило: в жарком климате для поддержания нормальной температуры тела должно сгорать (окисляться) в организме меньше пищи, чем в холодных странах. Он установил также, что количество сгораемых продуктов в организме при выполнении работы возрастает с увеличением ее объема. Сопоставив два этих явления, Майер сделал гениальный вывод: так как и теплота и работа могут быть получены за счет химических реакций, то они могут превращаться друг в друга. Спустя два года он вычислил механический эквивалент теплоты.
Вскоре ту же идею выдвинули англичанин Джеймс Джоуль (1818—1889) и молодой немецкий физиолог и физик Герман Гельмгольц (1821 —1894). Подход к идее сохранения и превращения энергии у каждого был различным. Если Майера поразила связь количества необходимой организму пищи с его температурой и работой, то Джоуля привели к этой идее опыты, которые он ставил, чтобы определить, может ли изобретенный им электрический двигатель стать практическим источником работы, получая энергию от батареи, где расходовался дорогой цинк. При решении этой задачи Джоуль пользовался весьма большими токами и заметил, что проводники сильно нагревались. Он понимал, что часть тока тратится на нагревание, и решил выяснить, что же нужно сделать, чтобы эти потери были наименьшими. Решение технической задачи привело его, таким образом, к открытию закона: «количество образующейся теплоты пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению в цепи и времени протекания тока».
Нужно сказать, что, несмотря на такую четкую формулировку и превосходное экспериментальное обоснование, сообщение Джоуля на заседании Королевского общества ни на кого почти не произвело особого впечатления и, возможно, не было бы оценено по достоинству, если бы не один молодой человек, который своими дельными замечаниями возбудил у публики интерес к идее Джоуля. Это был Уильям Томсон, в будущем один из крупнейших физиков мира. Юноша этот оказался настолько прозорливым, что, несмотря на ряд несовпадений в измерениях Джоуля, усмотрел в его сообщении новый важный закон. Когда немного позже, в 1844 г., свои результаты опубликовал выдающийся физик-экспериментатор, преемник В. В. Петрова, русский академик Эмилий Христианович Ленц (1804—1865), в этом уже никто не сомневался. Закон теплового действия тока вошел в физику как закон Джоуля — Ленца.