Закон сохранения и превращения энергии

Развитие познания совершается по спирали.

Наступает время, когда наука возвращается

к идеям, однажды уже высказанным.

Но это возвращение совершается на новом,

более высоком уровне, которому предшествовал

 длительный исторический опыт познания.

В. И. Ленин

Ранее говорилось о таком понятии, как механическая энергия. Механическая энергия – это физическая величина, являющаяся функцией состояния системы и характеризующая способность системы совершать работу. В свою очередь, механическая энергия делится на два вида — кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия — это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. А ее изменение равно работе равнодействующей всех сил действующей на тело.

Потенциальная энергия — это энергия, определяемая взаимным расположением тел или частей тела друг относительно друга и характером сил взаимодействия между ними.

Потенциальная энергия делится на два вида: потенциальную энергию тела в поле тяготения — это энергия, обусловленная взаимодействием тела с Землей; и потенциальную энергию упруго деформированного тела — это энергия, обусловленная взаимодействием частей тела между собой.

А могут ли тела обладать одновременно и кинетической и потенциальной энергией?

В курсе физики 7 класса говорилось о том, что сумма кинетической и потенциальной энергии есть полная механическая энергия тела или системы тел.

Рассмотрим замкнутую систему тел «тело — Земля», между которыми действует только сила тяжести.

Под действием этой силы изменяется и кинетическая, и потенциальная энергии тела. Причем работа силы тяжести будет равна как изменению кинетической энергии тела, так и его потенциальной энергии, но взятой с обратным знаком. Т. е. увеличение кинетической энергии системы будет осуществляться за счет убыли ее потенциальной энергии.

Из этих уравнений получаем, что сумма кинетической и потенциальной энергии тела остается неизменной.

Т.о. полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения, остается постоянной, при любых взаимодействиях в системе. Это утверждение носит название закона сохранения энергии в механике.

Это закон справедлив и для замкнутой системы, взаимодействующей силами упругости.

А что, если в системе тел, например, будут действовать силы трения, или же в системе тел будут происходит неупругие деформации? В этих случаях механическая энергия системы будет убывать. Но это не означает, что механическая энергия исчезает бесследно. Она превращается в другой вид энергии, в частности во внутреннюю энергию.

Т.о. для любой замкнутой системы тел всегда выполняется закон сохранения и превращения энергии, который является фундаментальным законом природы: величина полной энергии замкнутой системы остается постоянной. При этом, будучи не созидаемой и неуничтожимой, энергия может превращаться из одного вида энергии в другой.

Обратимся к истории открытия закона сохранения энергии. Ученые и практики всех времен обращались к исследованиям различных энергетических процессов и предпринимали попытки обобщений в которых содержались элементы формулировки закона сохранения и превращения энергии.

Еще мыслители древности Демокрит и Эпикур утверждали вечность и неуничтожимость материи и движения. Повседневная практическая деятельность требовала познаний законов движения, прежде всего, единственно известного — механического. И поэтому не случайно, что закон сохранения энергии начинал вырисовываться в рамках механики. В 1633 г. «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована Декартом следующим образом: «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно теряет, а отнять от него лишь столько, на сколько увеличит собственное движение». В таком виде совершенно четко отмечается количественное постоянство движенья, причем никакое другое движение, кроме механического Декарт не рассматривал. Эта идея получила дальнейшее развитие у Лейбница в его законе сохранения живых сил.

Принцип сохранения живой силы гласит: если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействий точек друг на друга, или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами.

После классических работ И. Ньютона и Г.В. Лейбница принцип сохранения движения получил четкую формулировку в трудах М.В. Ломоносова, который решился объединить два принципа сохранения: движения и материи. Именно М.В. Ломоносову принадлежит открытие закона сохранения вещества, повторенное затем совершенно независимо от него Антуаном Лораном Лавуазье. В 1744 г. М.В. Ломоносов написал ставшие знаменитыми слова «Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Так в середине XVIII столетия М.В. Ломоносовым был четко сформулирован закон сохранения массы и движения как всеобщий закон природы.

Более того, первая часть его выражения ("все перемены в натуре случающиеся...") сформулирована так широко, что если бы эти слова были написаны сто лет спустя, когда стали известны другие «перемены в натуре» — многочисленные взаимные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, механической), то другие формулировки закона сохранения к превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды Ломоносова почти полтора столетия оставались неизвестными.

Решающую роль в установлении закона сохранения и превращения энергии история отводит Роберту Майеру, Джеймсу Джоулю и Герману Гельмгольцу.

Роберт Майер был судовым врачом на голландском корабле, когда в 1840 г. «внезапно» ему пришла в голову мысль о законе сохранения и превращения энергии. Слово «внезапно» взято в кавычки недаром: о внезапном озарении писал впоследствии Майер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского университета? Внезапным был для Майера исходный толчок: он обратил внимание на то, что было хорошо известно врачам, работающим постоянно в тропических широтах. Во время стоянки корабля на Яве заболел матрос, и Майер, как тогда было принято, «пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление, когда он увидел, что венозная кровь была не стать темной, как в умеренных широтах. Майер понял, что при высокой средней температуре воздуха для поддержания жизнедеятельности и необходимой температуры организма требуется меньше питательных веществ и меньшее «сгорание» последних. Сопоставление многочисленных научных фактов из области химии, физики и биологии привело его к тому, что мысли, согласно выражению Майера, пронзившие его, подоено молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона природы.

Идеи Майера носили столь общий и универсальный характер, что они сначала не были восприняты современниками.

Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу.

Джеймс Прескотт Джоуль приходит к более общему выводу: «Могучие силы природы... неразрушимы,и... во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов».

Наконец, немецкий ученый Герман Гельмгольц в 1847 г. в работе «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохранения, показав, что сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной. Большое значение имело приведенное в этой же работе доказательство того, что процессы в живых организмах тоже подчиняются закону сохранения энергии. Здесь же впервые дана математическая трактовка закона.

Завершением длительного пути, пройденного наукой до точной формулировки закона сохранения энергии, можно считать доклад Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина) «О динамической теории тепла», где Томсон ввел в науку термин «энергия» в современном его смысле.

Основные выводы:

– Закон сохранения в механике: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается постоянной, при любых взаимодействиях в системе.

– Закон сохранения и превращения энергии: величина полной энергии замкнутой системы остается постоянной. При этом, будучи не созидаемой и неуничтожимой, энергия может превращаться из одного вида энергии в другой