Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

     Для потенциальной энергии справедлива  теорема, аналогичная теореме о кинетической энергии. По теореме о потенциальной энергии, работа консервативных сил при любом движении тела равна разности потенциальных энергий в начальном и конечном состояниях:

    А = Е_П1 – Е_{П2 = –}Е_П.

     Рассматривая  консервативные системы, т.е. системы, в которых действуют лишь консервативные силы, Гельмгольц пришел к выводу, что одна и та же величина может быть выражена и через приращение кинетической энергии системы, и через убыль ее потенциальной энергии. Это означает, что увеличение кинетической энергии рассматриваемой системы всегда сопровождается соответствующим уменьшением ее потенциальной энергии, и наоборот:

     .

    Если  переписать равенство в виде

     ,

     то  станет ясно, что сумма кинетической и потенциальной энергий рассматриваемой системы в процессе ее движения не меняется. На основании этого можно объединить обе величины в одну — полную механическую энергию системы:

    Е = Е_К  + Е_П.

     Из  отношения  следует, что Е = const.

     Итак, при любых процессах, происходящих в консервативной системе, ее полная механическая энергия остается неизменной. Это утверждение называется законом сохранения механической энергии.

     Поскольку кинетическую энергию Г. Гельмгольц называл «живой силой», а потенциальную энергию – «напряженной», то первая формулировка закона сохранения энергии, данная Гельмгольцем, такова:

     Когда тела природы действуют друг на друга  с силами притяжения или отталкивания, не зависимыми от времени и скорости, то сумма живых сил и напряженных сил остается постоянной.

     Следующий этап установления закона сохранения и превращения энергии связан с изучением превращения различных форм энергии друг в друга.

     На  начальном этапе изучения превращения  различных форм движения друг в друга  исключительную роль сыграл С. Карно, который впервые занялся изучением вопроса превращения теплоты в работу паровых машин.

     Поставив  вначале достаточно скромную техническую  задачу, как наиболее экономно использовать топливо в паровых машинах, он решил не только эту проблему, но и получил целый ряд принципиально новых результатов, имеющих важное значение для развития многих направлений естествознания.

     Во-первых, С. Карно нашел наиболее оптимальные  условия работы тепловой машины (цикл Карно), при которых можно добиться максимального коэффициента ее полезного действия. Теорема Карно о максимальном коэффициенте полезного действия тепловых машин сыграла в дальнейшем важную роль в установлении одного из фундаментальных законов природы — второго начала термодинамики.

     Затем, продолжая свои исследования, он пришел к правильным взглядам на природу теплоты, как на совокупность механического движения атомов, из которых состоят физические тела.

     Он  отмечал: Тепло – не что иное, как движущая сила или, вернее, как движение, изменившее свой вид, – это движение частиц тела,- повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущаяся сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает.

     С. Карно сформулировал закон сохранения и превращения «сил» (по современной терминологии – энергии), закон сохранения и превращения тепловой и механической энергии. Он даже впервые приблизительно определил механический эквивалент теплоты.

     При переводе в современные единицы  это значение механического эквивалента равно примерно 370 кГм/ккал.

     Противоположную С. Карно задачу, а именно: исследование обратного процесса превращения работы в тепло в результате трения, поставил себе Б. Томпсон. Работая на пушечных заводах, он заметил, что при сверлении пушечных стволов они очень сильно нагреваются.

     Он  помещал пушечный металлический  ствол в воду и в результате сверления доводил температуру воды до кипения и испарения. Подсчитав, сколько необходимо энергии для испарения воды, он установил равенство между этой энергией и механической работой при сверлении стволов пушек. Б. Томпсон также пришел к выводу, что теплота есть форма движения. 

    3. Всеобщий закон сохранения и превращения энергии 

     Изучение  процесса превращения теплоты в  работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграло основную роль в открытии всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали явления, в которых происходило превращение одних форм движения в другие. Исследования многих химических, тепловых, электрических, магнитных, механических, световых явлений постепенно способствовали возникновению и развитию идеи о взаимопревращении различных форм движения друг в друга в эквивалентных количественных отношениях.

     А к середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления. Приоритет установления данного закона научная общественность того времени признала за тремя учеными. Из них двое немецких ученых – Ю.Р. Майер и Г. Гельмгольц по профессии были врачами, а третий – англичанин Дж. Джоуль – специалистом в области электрических явлений.

     То, что именно врачи Ю.Р. Майер и  Г. Гельмгольц сделали решающий вклад в установление этого закона, не случаен, поскольку, изучая физиологию человека, обмен веществ в живом организме, они столкнулись с наиболее сложными комплексными процессами энергопревращения в различных органах и тканях. В частности, Ю.Р. Майер обнаружил, что в условиях разного теплообмена между человеком и окружающей средой в северных и южных районах в связи с неодинаковыми перепадами температур окислительно-восстановительные процессы в организме идут по-разному. В результате состав и цвет крови у южан и северян различный.

     Развивая  свои исследования, немецкие ученые осуществили  ряд блестящих опытов и расчетов по выявлению связи между отдельными частными видами взаимопревращения энергии.

     Так, Ю.Р. Майер также исследовал процессы перехода механического движения в теплоту и обратно и определил механический эквивалент теплоты (равный 365 кГм/ккал), процессы превращения механической энергии через трение в электричество и электричества в теплоту.

     Г. Гельмгольц изучал процессы превращения  кинетической энергии в потенциальную и обратно, превращение механической энергии в теплоту, электрической энергии в теплоту и механическую энергию при производстве работы за счет электричества.

     Третий  из авторов закона сохранения и превращения  энергии Дж. Джоуль основное внимание уделял изучению процессов выделения тепла электрическим током во всей электрической цепи, в том числе и в гальванических элементах, где происходят электролитические химические реакции. В результате им была установлена связь между тепловой, электрической и, что очень важно, одновременно химической энергией.

     Он  определил, что общее количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в гальванических элементах, за то же время. Таким образом, им было показано, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может рассматриваться как важный агент, который переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло».

     В дальнейшем Дж. Джоуль проделал свой знаменитый опыт, в котором экспериментально более точно определил механический эквивалент теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью. Измеряя совершаемую грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Дж. Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

     Установление  закона сохранения и превращения  энергии сыграло в истории естествознания огромную роль. Его утверждение стало свое образным катализатором для понимания многих явлений, а также обоснования и открытия целого ряда других частных законов природы. 

    4. Закон сохранения энергии в термодинамике 

     Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в создании новой научной теории – термодинамики.

     Опираясь  на этот закон, был сделан ряд открытий в области электродинамики. У Томсон, используя закон сохранения и превращения энергии при исследованиях явления электромагнитной индукции и самоиндукции, установил при этом, что энергия проводника с током может быть выражена формулой LI²/2, где I – ток, a L – коэффициент самоиндукции — величина, зависящая только от геометрии проводника.

     Исследуя  вопрос об энергии магнитов и электрических  токов, У. Томсон в 1853 г. выразил эту энергию в виде интеграла, взятого по объему.

     В том же году Р. Клаузиус применил закон сохранения энергии к энергетическим процессам в цепи постоянного тока, а в следующем году – к термоэлектрическим явлениям.

     Помимо  У. Томсона и Р. Клаузиуса над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии много работал У. Дж. М. Ранкин. Он первым начал широко применять термин «энергия» и попытался дать этому понятию общее определение. Под энергией системы вслед за Ранкиным стали понимать ее способность производить работу. Ранкин писал: Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу; количество энергии измеряется количеством работы, которую она способна произвести.

     Еще раньше, Ранкин разделил энергию на «актуальную», или «ощутимую», и «потенциальную», или «скрытую». К «ощутимой» энергии он относил «живую силу» (термин, широко используемый в более ранних работах многих ученых, начиная с Лейбница), теплоту, лучистую теплоту, свет, химическое действие и электрический ток, которые являются ее различными формами; к «потенциальной», или «скрытой», – «механическую силу гравитации», упругость, химическое сродство, энергию статического электричества и магнетизма. У. Томсон для «актуальной», или «ощутимой», механической энергии ввел впоследствии понятие кинетической энергии движущихся тел.

     Благодаря этим трем великим открытиям, – писал он, – мы можем теперь в общем и в целом обнаружить не только ту связь, которая существует между процессами природы в отдельных ее областях, но также и ту, которая имеется между этими отдельными областями.  
 
 
 
 
 

Заключение 

     XIX в. ознаменовался открытием одного  из самых великих принципов   современной науки, приведшему  к объединению самых различных   явлений природы. 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. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии: энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую. История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух па-правлениях: термодинамическом и молекулярно-кинетическим. С. Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь, в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном термодинамикой. Термодинамическое рассмотрение ограничивается, в основном, изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих вещество, то есть без учета молекулярного строения вещества. 
 
 
 
 
 
 
 

     Список  используемой литературы 

     1.Дубнищева  Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 2008.

     2.Дягилев   Ф.М. Концепции современного естествознания. – М.: Изд. ИМПЭ, 2007.

     3.Карпенков   С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 2008.

     4 Концепции современного естествознания : учебник для студентов вузов / А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов ; под ред. проф. А. И. Бочкарёва.  – Тольятти  :  ТГУС, 2008.

     5.Концепции   современного естествознания/под   ред. проф. С.А.Самыгина, 2-е изд.  – Ростов н/Д: «Феникс», 2009.

     6.Недельский  Н.Ф., Олейников Б.И., Тулинов В.Ф.  Концепции современного естествознания. Учебное пособие /под общей   ред. проф. Тулинова В.Ф. – М: Изд. МУПК, 2007.