Закон сохранения энергии в макроскопических процессах кратко

Обновлено: 05.07.2024

XIX в. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшему к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энерги­ей, которая не меняется ни при каких превращениях, проис­ходящих в природе. Энергия — единая мера различных форм движения материи.

На протяжении более четырех десятилетий формировался этот принцип в науке. Следует отметить, что процесс ус­тановления закона сохранения и превращения энергии — это одновременно процесс формирования таких дисциплин в фи­зике, как статистическая физика и термодинамика, процесс установления I и II начал термодинамики, выработка поня­тий энергии, тепловой (внутренней) энергии, работы, эн­тропии.

Механическая энергия и внутренняя энергия — это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превра­щено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии.

Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому — в фор­ме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии, утверждая, что изменить внут­реннюю энергию тела можно любым из этих способов.

Изменение энергии тела, осуществленное первым спосо­бом, называют работой, совершаемой над этим телом. Пере­дача энергии в форме работы производится в процессе сило­вого взаимодействия тел и всегда сопровождается макроперемещением. Работа, совершаемая над телом, может непо­средственно пойти на увеличение любого вида энергии.

Передача энергии путем теплообмена между телами обу­словлена различием температур этих тел. Энергия, получае­мая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.

Невозможен вечный двигатель (перпетуум-мобиле) первого рода. Это является следствием начала термодинамики.

Концепция вероятностного

Детерминизма в статистической

Физике

Молекулярно-кинетическая теория явилась развитием кинетической теории вещества (альтернативной теплородной). Она характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод,интересуясь не движением отдельных молекул, а толь­ко средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика.Оформившись к середине XIX в., оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения состо­яния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя одно целое.

При рассмотрении систем, состоящих из огромного числа частиц, состояние системы характеризуют не полным набо­ром значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри определенных интервалов. Тогда состояние системы задается с помощью функции распределения, зависящей от координат, импульсов всех частиц системы и от времени. Функция распределения интерпретируется как плотность вероятности обнаружения той или иной физической величины (например, х. или Р) в определенных интервалах от х до X, + ∆х, или от Р. до Р. + АР.. По известной функции распределения можно найти средние зна­чения любой физической величины, зависящей от координат и импульсов, и вероятность того, что эта величина принимает определенное значение в заданных интервалах.

Энергией называется единая мера различных форм движения. Мы так часто пользуемся этим термином в своей повседневной жизни, что не задумываемся о том центральном месте, которое занимает это понятие в струк­туре современного естествознания, являясь, по существу, фундаментом всего здания современной физики.

Нашим однопланетянам повезло. Потому что без энер­гии, излучаемой Солнцем, не было бы жизни на планете Зем­ля. Миллиарды лет тому назад Солнце пробудило жизнь на Земле и неустанно поддерживало ее, щедро посылая нам свою энергию. Однако подобное расточительство когда-либо окончится, запасы водорода, обеспечивающие протекание реакций термоядерного синтеза на Солнце, в конце концов, иссякнут. Перед человечеством неизбежно возникнет про­блема переселения, возможно, даже в другую галактику. Важно найти звезду, более молодую, и разместиться на удобной планете неподалеку от нее. Думать об этом не

мешало бы уже сейчас. Вот почему проблема освоения кос­моса является глобальной проблемой, стоящей перед чело­вечеством.

Но все это задачи далекого будущего. А сегодня нас волнует вопрос использования энергетических ресурсов Земли. Мы постоянно слышим, что цивилизация человече­ского общества связана со все увеличивающимся ростом потребления энергии. Запасы топлива — нефти, угля, дре­весины и др. не безграничны. И на повестку дня ставит­ся вопрос о дальнейшем развитии атомной энергетики.

Итак, энергия проявляется во всех этих формах. Соб­ственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую озна­чает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращает­ся в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное по­нятие естествознания. Оказывается, что при любых процес­сах, происходящих в изолированной системе, полная энер­гия системы не изменяется. То есть переход энергии из од­ной формы в другую происходит с соблюдением количест­венной эквивалентности. Для количественной характери­стики различных форм движения вводятся соответствую­щие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепло­вая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явления­ми природы, исключений из него науке неизвестно.

Характерно, что, являясь центральным понятием в физике, само формирование понятия энергии есть вместе с тем история открытия закона сохранения и превращения энергии. Так что в структуру физической теории понятие энергии вошло лишь к середине XIX века.


Термин в качестве физического понятия

встречается у Аристотеля. Аристотель был первым антич­ным философом, создавшим понятийный аппарат для оп-


ределения того, что есть движение. Движение трактуется Аристотелем как средний термин, как переход от возмож­ности к действительности, от потенции к деятельности. Термин употребляется Аристотелем для ха-


рактеристики деятельности по осуществлению способности, то есть переход от потенции в ее реализацию, деятельность (например, строительство). Можно было бы сделать вывод о том, что прямой связи между Аристотеля и


современным содержанием этого понятия нет. Однако су­щественным является то, что появляется у Аристотеля именно в связи с попыткой охарактеризовать движение в качестве общей категории, описывающей все виды, роды движения.

Само представление о превращениях различных видов движения, о неуничтожимости движения содержится и в древней мифологии, и в философии Древней Греции и Во­стока. Идея о неуничтожимости и несотворимости движе­ния возродилась в Новое время и стала принимать более определенные, научные формы в XVII веке.

Декарт утверждал, что справедливо следующее равен­ство:



- механическим движением и теплотой;

- химическими явлениями и электричеством;

- механическим движением и электричеством;

- электричеством и магнетизмом;

- химическими явлениями и теплотой;

- теплотой и электричеством и т. д.

Результаты этих исследований и привели к открытию закона сохранения и превращения энергии. Остановимся вкратце на рассмотрении этих результатов.

Читайте также: