Закон сохранения материи и энергии кратко

Обновлено: 02.07.2024

Фундаментальные законы справедливы для всего естествознания: замкнутых и незамкнутых систем, макроскопических и мик-роскопических, классических и квантовых явлений. Они выделяются среди всех законов своей всеобщностью. Сформулированы они как обобщение опыта. Гораздо позже пришло понимание глубокой взаимосвязи этих законов.

Все виды материи, которые встречаются в природе, могут превращаться друг в друга различными способами. Например, из водорода и кислорода образуется вода, протон и нейтрон превращаются в ядро атома, ядро с электроном образуют атом и т. д.

В результате количество одного вида материи может увеличиваться или уменьшаться, но это всегда связано с соответствующим увеличением или уменьшением количества материи другого вида. При этом общее количество материи не изменяется.

Экспериментально установлено, что в изолированной системе общее количество материи постоянно, при этом она из одной формы материи может переходить в другую.

Отсюда следует закон сохранения и превращения материи: Материя из ничего не создается и ни во что не превращается.

Первоначально закон сохранения и превращения материи был экспериментально доказан для частного случая закона сохранения массы при химических превращениях Ломоносовым в 1756 г. и Лавуазье в 1774 г. Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции.

Независимо был открыт закон сохранения и превращения энергии (М. В. Ломоносов, 1760 г.) и подтвержден экспериментально Ю. Майером (в 1842 г.).

Энергия замкнутых систем остается постоянной при всех происходящих в ней процессах и превращениях.

Под энергией понимают общую количественную меру различных форм движения материальных объектов. В соответствии с различными формами физического движения выделяют различные виды энергии: механическую, тепловую, химическую, электромагнитную, гравитационную, ядерную и другие.

До начала XX в. законы сохранения массы и энергии рассматривались независимо друг от друга. Предполагалось, что между веществом и энергией существует различие: вещество обладает массой, а энергия – нет.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что энергия также обладает массой. Он установил закон эквивалентности массы и энергии.

Полная энергия системы (Е) равна E = m·c 2 , где m– масса системы,с – скорость света в вакууме.

Закон эквивалентности и массы и энергии подтвержден экспериментально. Он широко используется для расчета энергетических эффектов при ядерных реакциях и превращениях элементарных частиц.

Таким образом, каждое химическое уравнение символизирует собой законы сохранения массы и энергии, которые можно объединить в уточненной формулировке: Суммарные масса и энергия объектов, вступивших в реакцию, всегда равны суммарной массе и энергии продуктов реакции.

Закон сохранения импульса (количества движения): в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел.

Необходимым условием применимости закона сохранения импульса к системе взаимодействующих тел является использование инерциальной системы отсчета.

Закон сохранения момента импульса: для изолированной системы момент импульса остается постоянным.

Момент импульса – это векторная мера механического движения тела или системы тел относительно какого-нибудь центра. Этот закон хорошо обоснован: неизвестны никакие исключения из него или факты, противоречащие ему.

Закон сохранения электрического заряда:в замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной.

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление (исчезновение) положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением (исчезновением) равного по абсолютному значению отрицательного электрического заряда.

Энергия замкнутых систем остается постоянной при всех происходящих в ней процессах и превращениях.

Полная энергия системы (Е) равна E = m·c 2 , где m– масса системы,с – скорость света в вакууме.

Закон сохранения момента импульса: для изолированной системы момент импульса остается постоянным.

Ключевое отличие - закон сохранения материи против энергии

Закон сохранения материи и закон сохранения энергии - это два закона в химии, которые используются для объяснения свойств изолированных, замкнутых термодинамических систем. Эти законы гласят, что материя или энергия не могут быть созданы или уничтожены, но могут быть преобразованы в различные формы или перегруппированы. Ключевое отличие Закона сохранения материи от энергии состоит в том, что закон сохранения состояния материи общая масса внутри замкнутой системы, которая не позволяет материи или энергии уходить, должна быть постоянной, тогда как закон сохранения энергетических состоянийэнергия не может быть создан или уничтожен, но может быть изменен из одной формы в другую.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое закон сохранения материи
3. Что такое закон сохранения энергии
4. Связь между законом сохранения материи и энергии.
5. Сравнение бок о бок - закон сохранения материи против энергии в табличной форме
6. Резюме

Что такое закон сохранения материи?

Закон сохранения материи - это принцип, который описывает, что общая масса внутри замкнутой системы, которая не позволяет материи или энергии уходить, должна быть постоянной. Следовательно, количество массы внутри этой системы сохраняется. Система, которая не позволяет энергии или веществу проходить через свою границу, известна как термодинамически изолированная система.

Этот закон также указывает на то, что массу нельзя ни создать, ни уничтожить, ее можно только перестроить или изменить из одной формы в другую. Эти перегруппировки или изменения происходят в результате химических реакций. Следовательно, общая масса реагентов равна общей массе продуктов химической реакции, протекающей в замкнутой термодинамической системе. Химические реакции, протекающие в этой замкнутой системе, могут быть:

Ядерные реакции
Радиоактивный распад
Другие химические реакции

Что такое закон сохранения энергии?

Закон сохранения энергии - это физический закон, согласно которому энергия не может быть создана или уничтожена, но может быть изменена из одной формы в другую. Другими словами, этот закон указывает на то, что полная энергия внутри замкнутой изолированной системы остается постоянной. Следовательно, энергия сохраняется внутри системы.

Например, потенциальная энергия системы может быть преобразована в кинетическую энергию, но не может быть уничтожена. Это понятие может быть дано в первом законе термодинамики для замкнутой термодинамической системы. Это может быть дано ниже.

δQ = dU + δW

Где δQ - количество энергии, добавленной к системе, δW - это работа, потерянная системой из-за термодинамической работы, выполняемой системой, а dU - это изменение внутренней энергии системы. Это объясняет, что энергия преобразуется в разные формы, но не создается и не уничтожается.

Какая связь между законом сохранения материи и энергии?

E = mc 2

Где E - энергия, m - масса, а c - скорость света. Однако в классической механике эти два закона рассматриваются как отдельные законы.

В чем разница между законом сохранения материи и энергии?

Закон сохранения материи против энергии

Резюме - Закон сохранения материи против энергии

Закон сохранения материи и энергии рассматриваются в классической механике как два отдельных закона. Но позже было обнаружено, что между двумя законами существует сильная взаимосвязь. Закон сохранения материи гласит, что общая масса должна быть постоянной внутри замкнутой системы, которая не позволяет материи или энергии уйти, тогда как закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, но может быть изменена из одной формы другому. В этом ключевое отличие закона сохранения материи от энергии.

Энергия — одно из сложнейших понятий современной физики. И закон сохранения энергии относится к числу ее основополагающих принципов. Вместе с экспертом разберем задачи с решением этого фундаментального закона природы и узнаем, кто его открыл

Физика ставит своей целью понимание самых общих закономерностей материального мира. Имена Архимеда, Ньютона, Эйнштейна знакомы каждому школьнику. Но великое множество ученых вложили по кирпичику в здание современной науки и ускорили развитие человеческой цивилизации. Ее современный уровень был бы недостижим без понимания природы энергии и ее законов прежде всего в механике, самом доступном для наблюдений и экспериментов разделе физики.

Закон сохранения энергии действует повсеместно и незаметно. В механике он срабатывает в замкнутой системе под воздействием консервативных сил – то есть сил тяжести и упругости, зависящих только от стартового и финального положения тела и не зависящих от траектории движения. При таких условиях энергия тел никуда не исчезает, а лишь переходит из кинетической в потенциальную и наоборот – из потенциальной в кинетическую. Это и есть самая простая формулировка закона сохранения энергии для механических систем.

Ep — потенциальная энергия;
Ek — кинетическая энергия;

Самый общий физический закон используется при решении совершенно практических задач.

Задача 1

Некое тело подбросили вверх вертикально с начальной скоростью 15 м/с. На какую высоту оно поднимется? Сопротивление воздуха при решении задачи не учитывать.

Решение: полученная при броске кинетическая энергия будет постепенно преобразовываться в потенциальную энергию:

То есть: mgh=(m*V 2 )/2

m – масса тела;
V – начальная скорость;
g – ускорение свободного падения;
h – высота подъема.

После преобразований получаем формулу для высоты подъема:

h= V 2 /(2*g)=225/(2*9,8)=11,47 м.

Ответ: тело поднимется на высоту 11,47 м.

Задача 2

Пружину растянули на 15 см. Известно, что она получила потенциальную энергию 24 Дж. Какова жесткость пружины?

Решение: формула потенциальной энергии упруго деформированного тела:

k – коэффициент жесткости;
x – величина деформации.

Преобразуем формулу для расчета:

Ответ: жесткость пружины равна 2133,33 Н/м.

— В открытии закона сохранения энергии участвовали многие ученые. Некоторые из них были очень близки, чтобы сформулировать его. Например, Майер и Джоуль своими работами показали, что количество выделяемой теплоты равно совершенной работе и наоборот. Однако наиболее полную формулировку первым дал в своих работах Гельмгольц.

— Таких примеров множество. Пример с молотком и гвоздем хорошо иллюстрирует переход механической энергии от молотка к гвоздю. Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Ни больше ни меньше.

Другой пример. Кубики льда, взятые при температуре 0º С и опущенные в бокал с газированной водой, растаят, если им сообщить столько же Джоулей тепла, сколько забрали тепла у воды, взятой при температуре 0º С, когда ее замораживали, чтобы она перешла в твердое агрегатное состояние – лед. А если газированная вода будет недостаточно теплой, то лед не растает. Однако если этот бокал оставить на столе надолго, лед все равно растает, так как он получит необходимое количество тепла из окружающего воздуха.

Еще пример. Когда болит горло, есть хороший бабушкин рецепт. Надо пить теплое молоко. Молоко прогревает горло, отдает тепло, что помогает лечению. Молоко при этом остывает в горле и не греет желудок, что тоже важно.

Во всех этих примерах можно наблюдать большие потери тепла на нагрев окружающих тел. Но основная часть энергии идет на полезное действие. Сколько энергии отдает одно тело, столько же получает и другое, минус потери тепла на нагрев окружающих тел.

Если исключить потери тепла, можно добиться очень высокой эффективности процесса. Это возможно в системах, где энергия не выходит наружу и не рассеивается, поэтому ее потери минимальные. Примером такой системы может служить термос. Горячая вода в термосе долго не остывает, потому что потери тепла минимальные.

В этот раз мы замахнемся на святое: на законы сохранения, в том числе на закон сохранения энергии. Правда, вечного двигателя я вам не обещаю.

Закон сохранения энергии имеет такой ореол святости, что практически любой человек напрягается, услышав, что с ним не все хорошо. Между тем, энергия сохраняется в механике, в квантовой механике и даже в СТО – Специальной Теории Относительности. Но… не в ОТО – Общей Теории Относительности. Однако сказать, что энергия не сохраняется, тоже нельзя. Вначале разберемся,

Что же такое – сохраняться?

Вот мы положили в мешок два шара, синий и красный. Через какое-то время достали их. Ага, было два шара, и стало два шара, шары сохраняются в мешке! Так выглядит пространственно — временная картина этого эксперимента:

Однако с количеством шаров все просто – все наблюдатели, как бы они ни двигались, согласятся с тем, что шаров – два. А как быть с энергией? Вот, например, я стою около дома весом 1000 тонн. Кинетическая энергия его в моей системе отсчета равна нулю. Теперь я пойду от дома со скоростью 1 метр в секунду. В моей системе отсчета дом приобрел огромную энергию! Как я, слабый человек, мог дать дому такую энергию всего одним шагом?

Если вы внимательно следили за руками, то, несомненно, заметили, что я совершил грязный хак. Считал энергию вначале в одной системе отсчёта, а потом нагло перескочил в другую. Так делать нельзя. Для энергии состояние до и состояние после должно быть привязано к одной и той же системе отсчета.

Для нашей картинки с шарами это означает, что дно и крышка цилиндра (в общем случае любой фигуры) должны быть параллельны друг другу. А вот с этим в искривленном пространстве плохо: как вы помните, в искривленном пространстве могут быть много параллельных или не быть ни одной! Хуже того, пространство может быть таким кривым, что туда вообще не вписать такую фигуру!

Или время закольцовано – и понятия до и после не вполне определены. Таким образом, в ОТО не то, чтобы энергия не сохраняется, а само понятие “сохраняться” плохо определено.

Канонический пример несохранения энергии

Мы все знаем, что Вселенная расширяется. Когда ее линейный размер увеличивается в 10 раз, то ее объем увеличивается в 1000 раз, и плотность обычного вещества (ведь атомы – это шарики, и все наблюдатели согласны с тем, сколько их) падает тоже в 1000 раз

А вот плотность излучения, в частности реликтового излучения, падает в 10000 раз – помимо того, что фотоны рассеялись в большем объеме, каждый из них еще и покраснел. То есть плотность вещества падает как третья степень, а излучения – как четвертая.

У этого есть интересное следствие – если мы будем двигаться в прошлое, то плотность излучения будет расти быстрее, чем плотность материи, и мы можем дойти до периода, когда плотностью и давлением обычной материи можно будет вообще пренебречь. Гравитация в основном создавалась давлением фотонного газа.

Следует заметить, что космологическая точка зрения – “вся вселенная в такое-то время”, несмотря на ее интуитивную понятность и полезность, для каждого времени после Большого Взрыва образует в пространстве-времени кривую поверхность, то есть не является валидной системой отсчета.

Можно ли поднять себя за волосы?

Спойлер: ДА. Импульс, как вы догадались, тоже не сохраняется. Вы можете погуглить по словам Swimming in space. Вот видео, как это выглядит. Конечно, практической ценности в этом почти нет, но все равно интересно.

Читайте также: