Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

     Содержание 

Введение

1.Формы энергии

2.Закон сохранения энергии для механических процессов

3.Всеобщий закон сохранения и превращения энергии

4.Закон сохранения энергии в термодинамике

Заключение

Список используемой литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение 

     На протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший 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

     Когда мы говорим о сохранении энергии  в макроскопических процессах, прежде всего имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, которые зависят от термодинамического состояния. Следует отметить, что для макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой величиной. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить работу, совершаемую системой.

     Наиболее  важные положения, на которых строится закон сохранения энергии в макроскопических процессах:

     1.  Энергия – единая мера различных  форм движения материи. Механическая  энергия и тепловая энергия  – только две из многих форм  энергии. Все, что может быть  превращено в какую-либо из этих форм, тоже форма энергии.

     2.  Возможны два качественно различных  способа передачи энергии от  одного макроскопического тела  к другому – в форме работы  и в форме теплоты (путем  теплообмена). Макроскопическое тело  рассматривается при этом как  огромная совокупность микрочастиц.  При взаимодействии незначительного  числа отдельных микрочастиц  эти понятия неприменимы.

       Историками науки открытие закона  сохранения и превращения энергии  рассматривается как первая революция  в физике. 
 
 

1. Формы  энергии 

     Энергия (от греч.– действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи, Понятие «энергия» связывает воедино все явления природы.

      В соответствии с различными формами  движения материи рассматривают и разные формы энергии: тепловую, механическую, внутреннюю, химическую, электромагнитную, ядерную и др. Это деление в известной степени условно.

     Механическая  энергия подразделяется в свою очередь на кинетическую и потенциальную.

      Внутренняя  энергия равна сумме кинетических энергий хаотического движения молекул относительно центра масс и потенциальных энергий взаимодействия молекул друг с другом.

     Химическая  энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии взаимодействия электронов друг с другом и с атомными ядрами молекул химически веществ. Энергия химических связей для двухатомных молекул – это энергия, требуемая для удаления атомов на бесконечно большое расстояние друг от друга. Для многоатомных молекул, радикалов ионов рассматривается также энергия диссоциации. Суммарная энергия удаления всех атомов многоатомных молекул друг от друга на бесконечное расстояние называется энергией образования молекулы и приблизительно равна сумме энергий химических связей.

     В атомной физике используется понятие  энергии ионизации. Она равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома, или ионизационному потенциалу.

     В микрофизике широко используется понятие  энергии связи. Энергия связи системы каких-либо частиц (например, атома как системы, состоящей из ядра и электронов) равна работе, которую необходимо затратить, чтобы разделить данную систему на составляющие ее частицы и удалить их друг от друга на такое расстояние, при котором их взаимодействием можно пренебречь. Энергия связи определяется взаимодействием частиц и является отрицательной величиной, так как при образовании связанной системы энергия выделяется. Абсолютная величина энергии связи характеризует прочность связи и устойчивость системы.

     Энергия связи электронов в атоме или молекуле определяется электромагнитными взаимодействиями и для каждого электрона пропорциональна ионизационному потенциалу.

     Энергия связи в атомных ядрах определяется сильным взаимодействием нуклонов и, согласно соотношению Эйнштейна ΔЕ = Δтс², пропорциональна дефекту масс атомных ядер Δm.

      Энергия связи, обусловленная гравитационным взаимодействием, обычно мала и имеет значение лишь для космических объектов. 

    2. Закон сохранения энергии для механических процессов 

     Одним из наиболее фундаментальных законов  природы является закон сохранения энергии, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется в изолированной системе.

     Закон сохранения энергии: в изолированной  системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее количество остается постоянным.

     Если  система не изолирована, то ее энергия  может изменяться либо при одновременном изменении энергии окружающих тел на такую же величину, либо за счет изменения энергии взаимодействия тела с окружающими телами. При переходе системы из одного состояния в другое изменение энергии не зависит от того, каким способом происходит переход, т.е. энергия – однозначная функция состояния системы.

     Закон сохранения энергии является строгим  законом природы, справедливым для всех известных взаимодействий. Согласно известной теории Э. Нётер, он связан с однородностью времени, т.е. с тем фактом, что все моменты времени эквивалентны и физические законы не меняются со временем.

     Закон сохранения энергии для механических процессов был установлен Г. Лейбницем (1686) а для немеханических – в середине XIX в. Ю.Р. Майером (1845), Дж. Джоулем и Г. Гельмгольцем (1847).

     В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики.

     Открытие  закона сохранения и превращения  энергии вначале было итогом развития механики. Но затем, благодаря дальнейшим экспериментальным исследованиям и теоретическому осмысливанию их результатов, становилось ясно, что содержание этого закона значительно глубже, что он – всеобщий закон природы. Это позволило быстрыми темпами развивать теорию тепловых процессов, что привело к появлению термодинамики. Особо важную роль закон сохранения и превращения энергии сыграл в изучении электрических и магнитных явлений, своеобразие и специфика которых не допускали применения других механических (по своему происхождению) понятий.

     Становление и утверждение закона сохранения энергии охватывает длительный период – более полутораста лет. Как уже указывалось, первым был установлен закон сохранения энергии для механического движения.

     Первый  период был связан с длительной дискуссией о так называемых «мерах движения» и введением понятия «работа».

     В первой половине XVII в. Р. Декарт ввел понятие меры движения — количество движения, или импульс, которое в современных обозначениях выглядит следующим образом: Р = mv , где т – масса (во времена Декарта понятия массы т еще не было), v – скорость (Р и v – векторные величины).

     Понятием  количества движения, равного mv, пользовались многие ученые того времени, в том числе и И. Ньютон. Однако в 1686 г. появилась статья Г. Лейбница «Краткое доказательство ошибки Декарта... о количестве движения...», в которой он в качестве меры движения предлагал считать величину mv², названную им «живой силой». «Живая сила» при определенных условиях в механических движениях была величиной постоянной.

     По  Лейбницу, основной закон природы  состоит не в сохранении количества движения, но в том, что необходимо сохранить одно и то же количество двигательной деятельности, которое означает совсем не то, что понимают сторонники Декарта под количеством движения.

     При введении меры движения в виде величины mv² Лейбниц рассуждал следующим образом. Известно, что для поднятия тела весом в 1 фунт на высоту в 4 локтя требуются такие же усилия, как и для поднятия веса тела в 4 фунта на 1 локоть. Если же предоставить этим телам возможность падать, то в момент касания земли скорость первого тела будет в два раза больше скорости второго ( ). Значит, они будут обладать разным количеством движения (mv — по Декарту). Но если взять произведение массы т на v², то mv² будет величиной, одинаковой для обоих тел.

     Это произведение mv² он и выбрал в качестве меры движения. «Живая сила» (mv²), по мнению Лейбница, выражает то «количество двигательной деятельности, которое сохраняется в природе».

     Таким образом, Лейбниц, по сути, вначале сформулировал закон сохранения кинетической энергии. Кинетическая энергия, по современной терминологии, определяется как физическая величина, равная половине произведения массы частицы на квадрат ее скорости: . Это уже знакомая «живая сила» Лейбница, только разделенная пополам. Разделить ее на два предложил французский механик Г. Кориолис.

     Основанием  послужила теорема, доказанная за несколько  лет до этого французским математиком Л.Н. Карно. Согласно его теореме, если тело движется под действием постоянной силы, то удвоенное произведение силы (F) на перемещение (s) равно разности «живых сил» в конце и начале перемещения:

     .

     Тогда это было новым словом в практической механике.

     Произведение  силы на перемещение в формуле (2.1) Г. Кориолис вслед за другим французским  механиком, Ж.В. Понселе, назвал работой. Если работу обозначить через А и записать как

    A = Fs,

    то  формулу  следует переписать в  виде:

     .

     Появившиеся в знаменателях этой формулы двойки дали основание Г. Кориолису принять  за меру движения половину лейбницевой «живой силы».

     Теорему, выраженную формулой, принято называть теоремой о кинетической энергии. В соответствии с ней работа сил, действующих на тело, равна изменению кинетической энергии этого тела:

    А = E_K2-E_K1=ΔE_K.

     Из  теоремы следует, что кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему заданную скорость движения.

     Следующий важный шаг в развитии понятия  механической энергии был сделан Г. Гельмгольцем, чей вклад в обоснование закона сохранения энергии будет более подробно рассмотрен ниже. Изучая движение тел под действием сил, которые постоянны или зависят от расстояния, но не от времени и скорости, он обратил внимание на то, что левую часть уравнения в таком случае всегда можно представить в виде разности значений некоторой величины, характеризующей взаимодействие рассматриваемых тел.

     Поскольку новая величина имела такую же размерность, что и «живая сила», Г. Гельмгольц предложил и ее назвать  «силой», но не «живой», а «напряженной». Впоследствии «напряженная сила» Гельмгольца была переименована в потенциальную энергию. Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Она определяется работой, которую должны совершить силы, чтобы переместить тело из данного положения в нулевое:

    Е_П=А₁ – 0.

     Выбор нулевого положения произволен. Поэтому  потенциальная энергия определена неоднозначно: по отношению к разным нулевым уровням потенциальная энергия одного и того же тела будет различной. Например, потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей, может быть найдена по формуле Е_П = mgh, где h — высота центра тяжести тела, отсчитываемая от нулевого уровня. Принимая за нулевой уровень поверхность Земли, пола в комнате или, наконец, стола, над которым находится рассматриваемое тело, мы получим разные значения h и соответственно разные значения потенциальной энергии.