11597 (Закон сохранения энергии в макроскопических процессах)

РЕФЕРАТ

по курсу "Концепции современного естествознания"

по теме: "Закон сохранения энергии в макроскопических процессах"

1. "Живая сила"

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.

Энергия проявляется во множестве различных форм, обыкновенная заводная игрушка, с которой связано наше д етство, обладает энергией. Энергия приводит в движение автомобиль, обогревает дома, дает возможность производить всевозможные изделия, добывать необходимые полезные ископаемые, изготавливать удобрения и т. д. Мы уже привыкли к рекламным роликам и знаем, что нам покупать на прилавках магазинов, чтобы в стольких-то калориях получить "свежее дыхание" или "заряд бодрости на целый день". Кусочек шоколада, булка хлеба и другие продукты питания обладают энергией. Весной все вокруг зеленеет и расцветает, и это тоже следствие того, что растения потребляют солнечную энергию. Все живое вокруг обязательно должно потреблять энергию, чтобы жить.

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.

Мы с удовольствием характеризуем известных нам людей, говоря: "Очень энергичный молодой человек" или "С Вашей-то энергией горы своротить можно".

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 "eveptstoc" в качестве физического понятия встречается у Аристотеля. Аристотель был первым античным философом, создавшим понятийный аппарат для определения того, что есть движение. Движение трактуется Аристотелем как средний термин, как переход от возможности к действительности, от потенции к деятельности. Термин " £V£p7£icx " употребляется Аристотелем для характеристики 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 "evepyekx" Аристотеля и современным содержанием этого понятия нет. Однако существенным является то, что "evepteicc" 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.

В связи с изучением механического движения и формирования механистической исследовательской программы мысль о неуничтожимости и несотворимости движения была первоначально сведена к представлению о несотворимости и неуничтожимости именно механического движения. Изучение механического движения сразу же привело к дилемме, какой величиной "mV" или "mV²" следует измерять механическое движение и какая из этих величин сохраняется в процессе взаимодействия тел? Здесь m означает массу тела, а величина V — скорость тела. Величина "mV" введена Декартом и названа им количеством движения. Величина "mV²" введена в Лейбницем и названа "живой силой" — "vis viva", хотя еще ранее в теории упругого удара Гюйгенсом и Вреном было установлено сохранение величины "mV²".

Между последователями Декарта и Лейбница возник спор о том, какому из понятий следует отдать предпочтение при изучении механического движения, какая из величин сохраняется в процессе взаимодействия — количество движения или "живая сила"? Разрешение этой полемики последовало только с открытием закона сохранения при превращении механической энергии в другие формы движения. При исследовании удара двух тел было установлено не только сохранение "живой силы" в случае упругого удара, но и потеря ее при неупругом ударе. Приоритет этого открытия принадлежит Валлису.

Надо отметить, что понятие "живой силы" коренным образом отличалось от понятия силы в ньютоновской механике. Ньютоновская сила имеет свое конкретное место в системе понятий физики и рассматривается как причина изменения состояния движения тела. Ньютон подчеркивал внешний по отношению к материи характер механических сил, то есть в понятии силы заключалась мысль о внешнем источнике движения, отделенном от материи. Именно такое понимание приводит к представлению о различных силах, рассматриваемых в качестве внешних агентов, в качестве активного начала, приводящего в движение пассивную материю. Отсюда и название "живая сила", которая связывается с представлением об активном начале любого движущегося тела, в противоположность "мертвой силе", активном начале, запасенном в каком-либо покоящемся теле.

Понятие силы играет центральную роль в механике Ньютона. Сам Ньютон не ставил перед собой задачи о создании механики, которая выводилась бы из какого-либо принципа сохранения некоторой меры движения. Что касается "живой силы", то Ньютон обращал внимание на факт несохранения движения в случае неупругого удара или трения.

Таким образом, хотя наука XVII века выработала представление об энергии в виде "живой силы", а более чем через 100 лет, в 1829 году, Кориолис рассмотрел величину, равную половине "живой силы" mV2/2, которая определяет кинетическую энергию в современной структуре научного знания; понятие энергии, как, впрочем, и понятие работы, отсутствовали в механике Ньютона и вплоть до XIX века не фигурировали в учебниках физики.

Термин "энергия" в смысле динамической переменной появился лишь в 1807 году в работе Юнга "Курс лекций по натуральной философии", понятие "работ" подробно развито в труде Ж.В. Понселе "Введение в индустриальную механику".

Юнг ввел понятие энергии для обозначения "живой силы", не выводя это понятие за рамки механистического описания явлений природы. Сама задача расширения этого понятия на другие формы движения, задача категориального обоснования этого понятия и установления отличия его от понятия количества движения стала возможной лишь благодаря исследованиям переходов немеханического движения в другие виды движения. Усилиями ученых XVII-XIX веков были открыты и качественно исследованы связи между:

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.

2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике

Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы.

Зададимся вопросом, каким образом можно было бы сообщить телу кинетическую энергию mV²/2? Ее можно передать телу при столкновении, как это имело место в случае удара шаров. Но ее можно также получить, подталкивая тело с помощью действия некоторой силы. Пусть некоторое тело под действием силы F выходит из состояния покоя и движется со все увеличивающейся скоростью в течение некоторого времени t. За это время скорость тела возрастает до значения V, и тело проходит некоторое расстояние х. Можно показать, используя законы механики, что справедливо равенство:

Fx = mV²/2

Величину Fx, равную произведению силы на расстояние, на котором она действовала на тело, принято называть работой А:

А= Fx

Теперь попробуем выяснить, входят ли работа и энергия как составные части в один и тот же закон сохранения? Или, выражаясь иначе, если над телом совершается работа, благодаря чему увеличивается кинетическая энергия тела, сможет ли тело потом за счет своего запаса кинетической энергии произвести столько же работы?

Ответ положителен. Если на пути движущегося тела окажется какое-то другое тело, скажем, пружина, то тело, налетая на пружину, будет сжимать ее, создавая перемещение ее звеньев относительно друг друга, то есть будет действовать на пружину с некоторой силой. В конце концов, тело остановится, растратив всю свою энергию движения на совершение работы по сжатию пружины. Вслед за этим пружина начнет расширяться и будет толкать тело назад. То есть при своем расширении пружина совершит работу над телом, которая вся уйдет на увеличение кинетической энергии тела после остановки. Если пружина хорошая, упругая, то можно будет констатировать практическое равенство кинетической энергии тела до и после взаимодействия с пружиной.

Чувствуется, что в наших рассуждениях пропущено некоторое звено. А именно, возникает вопрос: "В те мгновения, когда пружина сжата, и тело уже не действует на нее с силой, перемещая ее, то есть не совершает в эти мгновения работу; само тело в эти мгновения покоится, так как запас ее кинетической энергии уже растрачен на совершение работы по сжатию пружины. Так что в эти мгновения ни работа не совершается, ни тело не имеет более кинетической энергии. Так куда же все это подевалось?" Мы отчетливо видим, что пружина перешла в другое качественное состояние: из недеформированного состояния она перешла в сжатое, после чего, разжимаясь, сама совершила работу. Мы приходим к пониманию того, что запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которой обладает пружина в сжатом состоянии, "мертвой силы", как ее первоначально называли. Такую неподвижную форму энергии принято называть потенциальной энергией, как бы подчеркивая, что эта энергия потенциально может перейти в энергию движения.

Самый простой способ запасти такую энергию — это поднять груз на высоту. Когда груз падает, запасенная потенциальная энергия превращается в кинетическую. И наоборот, когда мы испытываем усталость, поднимаясь на высокую горку или же по ступенькам на верхний этаж здания, связано это с тем, что мы постоянно совершаем работу по увеличению потенциальной энергии своего тела, поднимая его на соответствующую высоту.

Обычно термин "потенциальная энергия" относят к энергии, запасенной в деформированном теле, в теле, поднятом на высоту, иными словами, к запасу энергии, обусловленному положением тела в некотором поле и природой самого доля. Современной физике известны четыре типа полей: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Сам факт обусловленности потенциальной энергии наличием полей говорит о несводимости понятия потенциальной энергии просто к механическому движению. Величина потенциальной энергии определяется теми процессами, которые обусловлены конкретной природой взаимодействия системы тел (гравитационным, электромагнитным, сильным или слабым) и зависит от изменения конфигурации тел в соответствующих полях. Потенциальная энергия сжатой пружины, например, выражает собой энергию внутреннего движения частиц, составляющих пружину. Механика не занимается изучением "внутренних сил", связанных со взаимодействием атомов друг с другом, а интересуется конечным результатом. Этот результат может быть вычислен по величине работы, которую нужно затратить, чтобы таким-то образом изменить конфигурацию частей пружины. Запас этой работы и понимается нами как потенциальная энергия пружины. Так что потенциальная энергия входит в механику как понятие, определяющее свойство системы материальных тел совершать работу при изменении конфигурации тел в системе.