Юлиус Роберт фон Майер: Жизнь и открытия основоположника термодинамики.

Введение

Немецкий врач, химик и физик

Юлиус Роберт фон Майер (25 ноября 1814 – 20 марта 1878) был немецким врачом, химиком и физиком и одним из основоположников термодинамики. Он наиболее известен тем, что в 1841 году сформулировал одно из первых положений о сохранении энергии, или, как это теперь известно, одну из первых формулировок первого закона термодинамики, а именно, что "энергия не может быть создана или уничтожена". В 1842 году Майер описал важнейший химический процесс, известный сегодня как окисление, как основной источник энергии для любого живого организма. Он также предположил, что растения преобразуют свет в химическую энергию. Его достижения оставались незамеченными, а приоритет открытия механического эквивалента теплоты в 1842 году был отдан Джеймсу Джоулю в следующем году.

Ранние годы

Майер родился 25 ноября 1814 года в Хайльброне, Вюртемберг (Баден-Вюртемберг, современная Германия), в семье фармацевта. Он вырос в Хайльброне. После окончания гимназии (Абитура) он изучал медицину в Тюбингенском университете, где был членом студенческого корпуса Guestphalia, немецкого студенческого союза. В 1838 году он получил докторскую степень и сдал государственный экзамен (Staatsexamen). После пребывания в Париже (1839/40) он отправился в качестве корабельного врача на голландском трехмачтовом паруснике в Джакарту. Хотя до этого путешествия он почти не интересовался физическими явлениями, его наблюдение, что волны во время шторма теплее спокойного моря, побудило его задуматься о физических законах, в частности о природе тепла и о том, следует ли учитывать в процессе горения только непосредственно выделяемое тепло (тепло сгорания), или же сумму тепла, выделяемого прямым и косвенным путем. По возвращении в феврале 1841 года Майер посвятил себя решению этой проблемы. В 1841 году он поселился в Хайльброне и женился.

Развитие идей

Еще в детстве Майер проявлял живой интерес к различным механическим механизмам. Он был молодым человеком, проводившим разнообразные эксперименты в области физики и химии. Фактически, одним из его любимых занятий было создание различных типов электрических приборов и воздушных насосов. Было очевидно, что он отличался умом. Поэтому в мае 1832 года Майер поступил в университет Эберхарда Карла. Там он изучал медицину. В 1837 году он и несколько его друзей были арестованы за ношение цветов запрещенной организации. Последствия этого ареста включали годичное отчисление из университета и непродолжительное заключение. Это обстоятельство отправило Майера в путешествие по Швейцарии, Франции и Голландской Ост-Индии. Друг Майера, Карл Баур, посредством частных уроков, пробудил в нем дополнительный интерес к математике и инженерии. В 1841 году Майер вернулся в Хайльбронн для медицинской практики, но физика стала его новой страстью. В июне 1841 года он завершил свою первую научную работу под названием «О количественном и качественном определении сил». Она была в значительной степени проигнорирована другими специалистами в этой области. Затем Майер заинтересовался областью тепла и его движением. Он представил численное значение механического эквивалента тепла. Он также был первым, кто описал жизненно важный химический процесс, ныне известный как окисление, как основной источник энергии для любого живого существа. В 1848 году он рассчитал, что без источника энергии Солнце остынет всего за 5000 лет, и предположил, что столкновения с метеоритами поддерживают его температуру. Поскольку его в то время не воспринимали всерьез, его достижения оставались незамеченными, и приоритет был отдан Джеймсу Джоулю. Майер едва не покончил с собой, узнав об этом. Он провел некоторое время в психиатрических лечебницах, чтобы восстановиться после этого и потери некоторых своих детей. Несколько его работ были опубликованы благодаря передовому характеру исследований в области физики и химии. В 1859 году философский факультет Тюбингенского университета присудил ему почетную докторскую степень. Его забытая работа была вновь открыта в 1862 году коллегой-физиком Джоном Тиндаллем в лекции, прочитанной в Лондонском Королевском институте. В июле 1867 года Майер опубликовал «Die Mechanik der Wärme». Эта публикация посвящена механике тепла и его движению. 5 ноября 1867 года Королевство Вюртемберг возвело Майера в личное дворянство (von Mayer), что является немецким эквивалентом британского рыцарского звания. Фон Майер умер в Германии в 1878 году. После того, как Сади Карно сформулировал это для калорий, Майер был первым, кто сформулировал закон сохранения энергии – один из самых фундаментальных принципов современной физики. Закон сохранения энергии гласит, что полная механическая энергия системы остается постоянной в любой изолированной системе объектов, взаимодействующих друг с другом только посредством консервативных сил. Первой попыткой Майера сформулировать закон сохранения энергии была статья, отправленная им в Annalen der Physik Иоганна Кристиана Поггендорфа, в которой он постулировал сохранение силы (Erhaltungssatz der Kraft). Однако из-за недостаточной подготовки Майера в области физики, она содержала некоторые фундаментальные ошибки и не была опубликована. Майер продолжал упорно придерживаться этой идеи и спорил с тюбингенским профессором физики Иоганном Готтлибом Нёррембергом, который отверг его гипотезу. Тем не менее, Нёрремберг дал Майеру ряд ценных предложений о том, как можно экспериментально исследовать эту идею; например, если кинетическая энергия преобразуется в тепловую, вода должна нагреваться в результате вибрации. Майер не только продемонстрировал это, но и определил количественный коэффициент преобразования, рассчитав механический эквивалент тепла. Результаты его исследований были опубликованы в 1842 году в майском выпуске Annalen der Chemie und Pharmacie Юстуса фон Либига. Они были переведены как «Замечания о силах неорганической природы». В своей брошюре «Органическое движение в связи с метаболизмом» (1845) он указал численное значение механического эквивалента тепла: сначала 365 кгф·м/ккал, позже 425 кгф·м/ккал; современные значения составляют 4,184 кДж/ккал (426,6 кгф·м/ккал) для термохимической калории и 4,1868 кДж/ккал (426,9 кгф·м/ккал) для международной калории стола пара. Это соотношение подразумевает, что, хотя работа и тепло являются различными формами энергии, они могут преобразовываться друг в друга. Этот закон теперь называется первым законом термодинамики и привел к формулировке общего принципа сохранения энергии, окончательно сформулированного Германом фон Гельмгольцем в 1847 году.

Even as a young child, Mayer showed an intense interest with various mechanical mechanisms. He was a young man who performed various experiments of the physical and chemical variety. In fact, one of his favorite hobbies was creating various types of electrical devices and air pumps. It was obvious that he was intelligent. Hence, Mayer attended Eberhard Karls University in May 1832. He studied medicine during his time there. In 1837, he and some of his friends were arrested for wearing the couleurs of a forbidden organization. The consequences for this arrest included a one year expulsion from the college and a brief period of incarceration. This diversion sent Mayer traveling to Switzerland, France, and the Dutch East Indies. Mayer drew some additional interest in mathematics and engineering from his friend Carl Baur through private tutoring. In 1841, Mayer returned to Heilbronn to practice medicine, but physics became his new passion. In June 1841 he completed his first scientific paper entitled "On the Quantitative and Qualitative Determination of Forces". It was largely ignored by other professionals in the area. Then, Mayer became interested in the area of heat and its motion. He presented a value in numerical terms for the mechanical equivalent of heat. He also was the first person to describe the vital chemical process now referred to as oxidation as the primary source of energy for any living creature. In 1848 he calculated that in the absence of a source of energy the Sun would cool down in only 5000 years, and he suggested that the impact of meteorites kept it hot. Since he was not taken seriously at the time, his achievements were overlooked and credit was given to James Joule. Mayer almost committed suicide after he discovered this fact. He spent some time in mental institutions to recover from this and the loss of some of his children. Several of his papers were published due to the advanced nature of the physics and chemistry. He was awarded an honorary doctorate in 1859 by the philosophical faculty at the University of Tübingen. His overlooked work was revived in 1862 by fellow physicist John Tyndall in a lecture at the London Royal Institution. In July 1867 Mayer published "Die Mechanik der Wärme." This publication dealt with the mechanics of heat and its motion. On 5 November 1867 Mayer was awarded personal nobility by the Kingdom of Württemberg (von Mayer) which is the German equivalent of a British knighthood. von Mayer died in Germany in 1878. After Sadi Carnot stated it for caloric, Mayer was the first person to state the law of the conservation of energy, one of the most fundamental tenets of modern day physics. The law of the conservation of energy states that the total mechanical energy of a system remains constant in any isolated system of objects that interact with each other only by way of forces that are conservative. Mayer's first attempt at stating the conservation of energy was a paper he sent to Johann Christian Poggendorff's Annalen der Physik, in which he postulated a conservation of force (Erhaltungssatz der Kraft). However, owing to Mayer's lack of advanced training in physics, it contained some fundamental mistakes and was not published. Mayer continued to pursue the idea steadfastly and argued with the Tübingen physics professor Johann Gottlieb Nörremberg, who rejected his hypothesis. Nörremberg did, however, give Mayer a number of valuable suggestions on how the idea could be examined experimentally; for example, if kinetic energy transforms into heat energy, water should be warmed by vibration. Mayer not only performed this demonstration, but determined also the quantitative factor of the transformation, calculating the mechanical equivalent of heat. The result of his investigations was published 1842 in the May edition of Justus von Liebig's Annalen der Chemie und Pharmacie. It was translated as Remarks on the Forces of Inorganic Nature In his booklet Die organische Bewegung im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel (The Organic Movement in Connection with the Metabolism, 1845) he specified the numerical value of the mechanical equivalent of heat: at first as 365 kgf·m/kcal, later as 425 kgf·m/kcal; the modern values are 4.184 kJ/kcal (426.6 kgf·m/kcal) for the thermochemical calorie and 4.1868 kJ/kcal (426.9 kgf·m/kcal) for the international steam table calorie. This relation implies that, although work and heat are different forms of energy, they can be transformed into one another. This law is now called the first law of thermodynamics, and led to the formulation of the general principle of conservation of energy, definitively stated by Hermann von Helmholtz in 1847.

Поздние годы

Майер осознавал важность своего открытия, но его неспособность излагать свои мысли научным языком привела к уничижительным спекуляциям и сопротивлению со стороны научного сообщества. Современные физики отвергали его принцип сохранения энергии, и даже прославленные физики Герман фон Гельмгольц и Джеймс Прескотт Джоул относились к его идеям с неприязнью. Первый сомневался в компетентности Майера в вопросах физики, а с последним разгорелся острый спор о первенстве. В 1848 году двое его детей скончались один за другим, и психическое здоровье Майера ухудшилось. 18 мая 1850 года он предпринял попытку самоубийства и был помещен в психиатрическую клинику. После освобождения он был сломлен и лишь нерешительно вернулся к общественной жизни в 1860 году. Однако к тому времени его научная известность возросла, и он получил запоздалое признание своих заслуг, хотя, возможно, уже не мог в полной мере им насладиться. Он продолжал энергично работать врачом до самой смерти.

Почести

В 1840 году Майер был награжден Рыцарским крестом ордена Короны (Вюртемберг). В 1869 году Майер получил премию Понселе. Гимназия имени Роберта Майера и Народная и школьная обсерватория Роберта Майера в Хайльбронне названы в его честь. В химии он изобрел реагент Майера, используемый для обнаружения алкалоидов.

Работы

Ueber das Santonin: eine Inaugural Dissertation, welche zur Erlangung der Doctorwürde in der Medicin & Chirurgie unter dem Praesidium von Wilhelm Rapp im July 1838 der öffentlichen Prüfung vorlegt Julius Robert Mayer M. Müller, Heilbronn 1838 Цифровое издание Университетской и государственной библиотеки Дюссельдорфа.