Первое начало термодинамики

Термодинамика для

В продолжение нашего курса «Физика для чайников» начнем рассматривать основы такого важнейшего раздела как термодинамика.

Активное развитие термодинамики началось в девятнадцатом веке. Именно тогда люди начали строить первые паровые машины, а потом активно внедрять их в производство.

Началась промышленная революция, и, естественно, всем хотелось увеличить коэффициент полезного действия машин, чтобы произвести больше продукции, доехать подальше и в конце-концов получить больше денег.

Все это очень хорошо стимулировало развитие науки и наоборот.  Но давайте ближе к сути вопроса.

Парогенераторная прожекторная установка

Термодинамика – раздел физики, изучающий макроскопические системы, их наиболее общие свойства, способы передачи и превращения энергии в таких системах.

Что такое макроскопические системы? Это системы, состоящие из очень большого числа частиц. Например, баллон с газом или воздушный шар.

Описание таких систем методами классической механики просто невозможно – ведь мы не можем измерить скорость, энергию и другие параметры каждой молекулы газа в отдельности. Тем не менее, поведение всей совокупности частиц подчиняется статистическим закономерностям.

Термодинамическая система

Термодинамическая система – реально или мысленно выделяемая макроскопическая физическая система, состоящая из большого числа частиц, не требующая для своего описания привлечения микроскопических характеристик отдельных частиц. Соответственно, для описания термодинамической системы используются макроскопические параметры, не относящиеся к каждой частице, но описывающие систему целиком. Это  температура, давление, объем, масса системы и проч.

Важно отметить, что термодинамические системы могут быть замкнутыми и незамкнутыми. Замкнутая система – это такая система, которую при помощи реальной или воображаемой оболочки оградили от окружающей среды, при этом количество частиц в системе остается постоянным.

Замкнутая система

Система может находится в разных состояниях. Например, мы взяли баллон с газом и начали его нагревать.

Тем самым мы изменили  энергию молекул газа, они стали двигаться быстрее, и система перешла в какое-то новое состояние с более высокой температурой.

Но что будет, если систему оставить в покое?  Тогда система через какое-то время придет в состояние термодинамического равновесия.

Что это значит?

Термодинамическое равновесие – это состояние системы, в котором ее макроскопические параметры (температура, объем и др.) остаются неизменными с течением времени.

Термодинамика стоит на трех своих столпах. Существуют три основных постулата или три закона термодинамики.  Они называются соответственно первым, вторым и третьим началами термодинамики. Рассмотрим первое начало или первый закон термодинамики.

Первое начало термодинамики

Первое начало термодинамики гласит:

В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным.

К слову, у данного постулата есть еще несколько эквивалентных формулировок. Приведем их ниже:

Количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Невозможен вечный двигатель первого рода (двигатель, совершающий работу без затраты энергии).

Здесь Q — количество теплоты, дельта U — изменение внутренней энергии, A — работа против внешних сил. Для различных термодинамических процессов в силу их особенностей запись первого начала будет выглядеть по-разному.

Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

Людей издревле привлекала ее величество Халява. Философский камень, превращающий любой металл в золото, скатерть самобранка, с которой не нужно готовить, джин, исполняющий любые желания. Еще одной такой идеей была идея вечного двигателя.

Если никто не пытался найти скатерть-самобранку, то вечный двигатель пытались изобрести очень много раз. На протяжении веков разные люди спрашивали себя: как построить вечный двигатель? Согласно историческим записям первым такую попытку предпринял в двенадцатом веке некий индийский ученый.

Затем было еще множество попыток, в том числе плотно занимался вопросом и Леонардо да Винчи. Наконец, в девятнадцатом веке светлые головы Германа Гельмгольца и Джеймса Джоуля сформулировали первое начало динамики и подтвердили его опытами,  чем развеяли все сомнения.

В помощь также статья, о том, как делать презентацию в ворде и powerpoint.

Вечный двигатель Леонардо да Винчи

Вечный двигатель невозможен, потому что так устроен мир. Об этом говорят нам законы термодинамики. Согласно первому началу термодинамики, количество теплоты, полученное системой, идет на изменение внутренней энергии системы, а также на совершение работы против внешних сил.

Например, газ, помещенный в цилиндр с поршнем, получая определенное количество теплоты, увеличивает свою внутреннюю энергию, молекулы движутся быстрее, газ занимает больший объем и толкает поршень (работа против внешних сил).

Иными словами, если работа совершается без  внешнего притока энергии, она может совершаться лишь за счет внутренней энергии системы, которая рано иди поздно иссякнет, преобразовавшись в совершенную работу, на чем все закончится и система придет к состоянию термодинамического равновесия.

Ведь энергия в мире никуда не уходит и не приходит, ее количество остается постоянным, а меняется лишь форма.  Конечно, Вы обратили внимание на то, что речь идет о так называемом вечном двигателе первого рода (который может совершать работу без энергии).

Спешим заверить, существование вечного двигателя второго рода также невозможно и объясняется вторым началом термодинамики, о котором мы поговорим в ближайшем будущем.

Энергия и ее формы

Надеемся, знакомство с термодинамикой прошло для Вас приятно и Вы полюбите ее всем сердцем. Если же этого не произойдет, Вы всегда можете поручить выполнение задач по термодинамике нашим авторам, пока сами занимаетесь  более приятными делами.

SA. I закон термодинамики

Как отмечалось в предыдущих темах, внутренняя энергия U термодинамической системы может быть изменена двумя способами: при совершении механической работы и при помощи теплообмена. Если оба способа задействованы одновременно, то можно записать

(~Delta U = Q — A ) или (~Q = Delta U + A .)

Эта формула выражает первое начало термодинамики.

• Количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой против внешних сил.

Если вместо работы A системы над внешними телами ввести работу внешних сил A ' (А = –A '), то первое начало термодинамики можно переписать так:

(~Delta U = Q + A' .)

• Изменение внутренней энергии термодинамической системы равно сумме работы, произведенной над системой внешними силами, и количеству теплоты, переданному системе в процессе теплообмена.

Первое начало термодинамики является обобщением закона сохранения энергии для механических и тепловых процессов.

Например, рассмотрим процесс торможения бруска на горизонтальной поверхности под действием силы трения. Скорость бруска уменьшается, механическая энергия «исчезает».

Но при этом трущиеся поверхности (брусок и горизонтальная поверхность) нагреваются, т.е. механическая энергия превращается во внутреннюю.

Изохорный процесс

Объем не изменяется: V = const. Следовательно, ΔV = 0 и А = –A ' = 0, т.е. никакой механической работа не совершается. Первое начало термодинамики будет иметь вид:

(~Q = Delta U.)

• При изохорном процессе вся энергия, сообщаемая газу путем теплообмена, расходуется целиком на увеличение его внутренней энергии.

Изотермический процесс

Температура газа не изменяется: Τ = const. Следовательно, ΔT = 0 и ΔU = 0. Первое начало термодинамики будет имеет вид:

(~Q = A.)

• При изотермическом процессе вся энергия, сообщаемая газу путем теплообмена, идет на совершение газом работы.

Изобарный процесс

Давление не изменяется: p = const. При расширении газ совершает работу Α = p⋅ΔV и нагревается, т.е. изменяется его внутренняя энергия.

Первое начало термодинамики будет имеет вид:

(~Q = A + Delta U .)

• При изобарном процессе количество теплоты, сообщенное термодинамической системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение работы системой против внешних сил.

Адиабатный процесс

Адиабатный процесс — это процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой, т.е. Q = 0.

Такие процессы происходят при хорошей теплоизоляции системы либо при быстрых процессах, когда теплообмен практически не успевает произойти.Первое начало термодинамики будет имеет вид:

(~Delta U + A = 0) или (A = -Delta U .)

Если А > 0 (ΔV > 0 газ расширяется), то ΔU< 0 (газ охлаждается), т.е.

• при адиабатном расширении газ совершает работу и сам охлаждается.

Охлаждение воздуха при адиабатном расширении вызывает, например, образование облаков.

Если А< 0 (ΔV< 0 газ сжимается), то ΔU > 0 (газ нагревается), т.е.

• при адиабатном сжатии над газом совершается работа и газ нагревается.

Это используется, например, в дизельных двигателях, где при резком сжатии воздуха температура повышается настолько, что воспламеняются пары топлива в двигателе.

Адиабатное изменение состояния газа можно выразить графически. График этого процесса называют адиабатой. При одних и тех же начальных условиях (p0, V0) при адиабатном расширении давление газа уменьшается быстрее, чем при изотермическом (рис.

1), так как падение давления вызвано не только увеличением объема (как при изотермическом расширении), но и понижением температуры. Поэтому адиабата идет ниже изотермы и газ при адиабатном расширении совершает меньшую работу, чем при изотермическом расширении.

Рис. 1

Действительно, если к системе не подводится энергия (Q = 0), то A = –ΔU и работа может быть совершена только за счет убыли внутренней энергии системы. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.

Уравнение теплового баланса

Если система замкнута (работа внешних сил A ' = 0) и теплоизолирована (Q = 0), то первое начало термодинамики будет иметь вид:

(~Delta U = 0 .)

Если в такой системе имеются тела с различной температурой, то между ними будет происходить теплообмен: тела, у которых температура выше, будут отдавать энергию и охлаждаться, а тела с меньшей температурой будут получать энергию и нагреваться. Это будет происходить до тех пор, пока температуры у всех тел не станут одинаковыми, т.е. наступит состояние термодинамического равновесия. При этом

(~Q_1 + Q_2 + ldots + Q_n = 0 .)

Первый закон термодинамики для замкнутой и адиабатически изолированной системы называют уравнением теплового баланса:

• в замкнутой системе тел алгебраическая сумма количеств теплоты, отданных и полученных всеми телами, участвующими в теплообмене, равна нулю.

При этом применяют следующее правило знаков:

• количество теплоты, полученное телом, считают положительным, отданное — отрицательным.

*Теплоемкость газов

Как отмечалось ранее, удельная теплоемкость вещества

(~c = dfrac{Q}{m cdot Delta T}.)

Рассмотрим, как изменяется эта величина в различных тепловых процессах.

При изотермическом расширении газа ему передается некоторое количество теплоты Q > 0, а ΔΤ = 0. Следовательно, удельная теплоемкость газа при изотермическом процессе

(~c_T = dfrac{Q}{m cdot Delta T} o infty .)

При адиабатном сжатии (расширении) газ не получает теплоты и не передает ее окружающим телам (Q = 0), а температура газа изменяется (ΔΤ ≠ 0). Следовательно, удельная теплоемкость газа при адиабатном процессе

(~c_Q = dfrac{Q}{m cdot Delta T} = 0 .)

При изобарном процессе количество теплоты (из первого начала термодинамики) равно

(~Q = Delta U + A.)

Тогда теплоемкость газа при постоянном давлении

(~c_p = dfrac{Delta U + A}{Delta T}.)

При изохорном процессе

(~Q = Delta U)

и теплоемкость газа при постоянном объеме равна

(~c_V = dfrac{Delta U}{Delta T}.)

• Из-за малости величины коэффициента объемного расширения твердых и жидких тел работой, совершаемой ими при нагревании при постоянном давлении, можно пренебречь и считать, что теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении практически совпадают. Поэтому теплоемкость твердых и жидких тел при заданной температуре может считаться вполне определенной величиной.

Более подробно про теплоемкости газов можно почитать здесь.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 129-133, 152-161.
2. Жилко В.В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, А.В.Лавриненко, Л.Г. Маркович. — Мн.: Нар. асвета, 2002. — С. 125, 128-132.

Первый закон термодинамики

Подробности Категория: Термодинамика 21.12.2014 19:26 10901

Первое начало термодинамики, или первый закон термодинамики, называют законом сохранения энергии для термодинамической системы.

Из истории

Юлиус Роберт фон Майер

Впервые этот закон был сформулирован немецким врачом и естествоиспытателем Юлиусом Робертом фон Майером. В качестве судового врача в 1840 г. он прибыл на остров Ява. Во время лечения больных ему приходилось делать кровопускание.

И вот тут Майер обратил внимание на то, что венозная кровь у жителей тропиков светлее, чем у европейцев. Она была почти такой же ярко-красной, как и артериальная кровь.

Учёный нашёл объяснение этому факту, предположив, что причина кроется в разнице температур между теплом собственного организма человека и теплом окружающей среды. В тропиках высокая температура, и организму требуется вырабатывать меньше теплоты. Следовательно, он сжигает меньше кислорода.

Его в крови остаётся больше, и кровь переходит из артерий в вены, оставаясь практически такого же цвета. А в холодном климате организм нуждается в большем количестве тепла. И чем больше кислорода потребляет организм для этой цели, тем заметнее разница в цвете артериальной и венозной крови.

Теплоту организм получает, сжигая кислород, то есть, совершая работу. Работа превращается в теплоту. Обоснование первого закона термодинамики Майер опубликовал в 1842 г. в своей работе «Замечания о силах неживой природы». Более того, учёный нашёл и соотношение между количеством работы и количеством теплоты, полученной в результате этой работы.

Это же соотношение, независимо от Майера, экспериментально установил английский физик Джеймс Прескотт Джоуль. Результаты оказались такими же, как и у Майера. В разных экспериментах одно и то же количество работы превращалось в одно и то же количество тепла, и наоборот.

В изолированной физической системе энергия никуда не исчезает. Она лишь переходит из одной формы в другую. Так утверждает общий закон сохранения энергии. Он справедлив и для изолированной термодинамической системы. Запас энергии в такой системе также остаётся постоянным. Работа превращается в теплоту, а теплота — в работу.

В результате различных процессов, происходящих в термодинамической системе, начальное и конечное состояния системы отличаются.

∆U = U2 —U1.

Внутреннюю энергию термодинамической системы можно изменить, сообщив ей некоторое количество теплоты или совершив над ней работу. Математически связь между количеством теплоты, полученной термодинамической системой, изменением её внутренней энергии и работой, совершённой за счёт этой теплоты математически выглядит так:

∆U = Q — A, или Q =∆U + A,

где ∆U — изменение внутренней энергии системы при сообщении ей теплоты;

Q — количество теплоты, полученное системой при теплопередаче;

A — работа, совершённая системой против внешних сил.

Это и есть математическое выражение первого закона термодинамики.

Теплота, которую получила термодинамическая система, расходуется на изменение её внутренней энергии и работу, совершённую над внешними телами.

При переходе из начального состояния в конечное термодинамическая система может получать теплоту различными способами. В технической термодинамике положительной считают теплоту, получаемую системой, а отрицательной — теплоту, которую система отдаёт. Общее количество теплоты Q — это алгебраическая сумма всех количеств теплоты, получаемых или отдаваемых системой.

В отличие от теплоты работа, совершённая системой, не является её характеристикой. Она зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное. Поэтому работа характеризует сам процесс перехода.

Частные случаи первого закона термодинамики

Первый закон термодинамики удобно рассматривать на примере изопроцессов для газа.

При изохорном процессе работа не совершается, так как объём газа остаётся постоянным (V = const). Поэтому Q =∆U.

Изотермический процесс в системе происходит при постоянной температуре (T = const). Следовательно, вся теплота, полученная системой, расходуется на совершение работы. Так как ∆U=0, то Q =A.

Изобарный процесс происходит при постоянном давлении (P = const).Теплота, сообщаемая системе, идёт и на изменение внутренней энергии, и на совершение работы.

Q =∆U + A

Работа, которую газ совершает при расширении или сжатии, равна A = P·∆V.

Отсюда Q =∆U + P·∆V.

При адиабатическом процессе нет обмена теплотой с внешней средой. Q =0, А = -∆U. Это означает, что работа совершается за счёт уменьшения внутренней энергии системы.

Термодинамический цикл

Если термодинамическая система, независимо от того, какие превращения (нагревания, охлаждения, сжатия, расширения, химические превращения и др.) в ней не происходили бы, в конечном счёте возвращается в своё первоначальное состояние, то термодинамический процесс, в результате которого это происходит, называется термодинамическим циклом.

Пример термодинамического цикла — круговорот воды в природе.

Под воздействием солнечных лучей быстро нагревается вода в лужах, образовавшихся после дождя. Растёт её температура, и вода начинает испаряться, при этом увеличиваясь в объёме. Пар поднимается вверх.

Там он остывает, и его объём снова уменьшается. Конденсируясь, пар превращается в облако. Капли дождя падают на землю и снова образуют лужи. Цикл завершается. После этого процесс повторяется снова.

В результате термодинамического цикла в системе всё остаётся по-прежнему, хотя в процессе цикла совершалась работа и выделялась или поглощалась теплота.

Следовательно, работа, совершённая системой по замкнутому циклу, равна количеству теплоты.

A = Q, или Q — A = 0,

В замкнутом цикле любая произведённая работа преобразуется в теплоту.

На основе замкнутых циклов построена работа тепловых машин.

Тепловые двигатели

Принцип преобразования внутренней энергии системы в механическую лежит в основе тепловых двигателей. Такой двигатель представляет собой тепловую машину, превращающую тепло в механическую энергию.

Основные части таких двигателей — нагреватель, рабочее тело и охладитель. Очень часто рабочим телом в тепловом двигателе служит газ. Получая теплоту от нагревателя, он расширяется и совершает работу.

Чтобы работа такого двигателя не прекращалась, параметры рабочего тела, в нашем случае газа, после совершения работы возвращаются в первоначальное состояние (газ охлаждается в холодильнике).
Далее процесс повторяется сначала. Реальные тепловые машины (двигатели внутреннего сгорания, паровые машины и др.

) работают циклически, повторяя теплопередачу и превращение теплоты в работу. Рабочим телом могут быть пары бензина, водяные пары, воздух, уголь, нефть и др.

Вещество с более высокой температурой находится в резервуаре, который называется нагревателем, а с более низкой — в резервуаре, называемом холодильником.

Для любой тепловой машины очень важна такая величина, как коэффициент полезного действия (КПД). Это отношение количества работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

А = QH— QХ,

где QH— количество теплоты, отданное нагревателем рабочему телу;

QХ — количество теплоты, которое рабочее тело отдаёт охладителю.

Так как часть теплоты теряется при передаче, то КПД двигателя всегда меньше единицы.

Наибольший КПД возможен в двигателе Карно.

Вечный двигатель первого рода

Создание двигателя, который мог бы совершать рабóту, превышающую затраченную на её производство энергию, с древних времён было мечтой многих изобретателей.

Вечным двигателем первого рода называют устройство, которое может бесконечно совершать работу, не затрачивая на это энергии. Но согласно первому закону термодинамики термодинамическая система может совершать работу за счёт теплоты, получаемой извне и убыли своей внутренней энергии.

A = Q—∆U

Если к системе не подводить теплоту, то работу можно совершить только за счёт внутренней энергии. Но в таком случае через некоторое время запас этой энергии иссякнет. Это означает, что нельзя создать такую машину, которая смогла бы работать без подведения энергии извне. Таким образом, вечный двигатель невозможен. Эта также одна из формулировок первого закона термодинамики.

Первый закон термодинамики и его применение в физике

Определение первого закона термодинамики

Простая формулировка первого закона термодинамики может звучать примерно так: изменение внутренней энергии той или иной системы возможно исключительно при внешнем воздействии. То есть другими словами, чтобы в системе произошли какие-то изменения необходимо приложить определенные усилия извне.

В народной мудрости своеобразным выражением первого закона термодинамики могут служить пословицы – «под лежачий камень вода не течет», «без труда не вытащишь рыбку из пруда» и прочая.

Интересный факт: именно первый закон термодинамики устанавливает, почему потерпели неудачу все многочисленные попытки ученых, исследователей, изобретателей изобрести «вечный двигатель», ведь его существование является абсолютно невозможным согласно этому самому закону, почему, смотрите абзац выше.

В начале нашей статьи было максимального простое определение первого закона термодинамики, в действительности в академической науке существует целых четыре формулировки сути данного закона:

• Энергия ни откуда не появляется и ни куда не пропадает, она лишь переходит из одного вида в другой (закон сохранения энергии).
• Количество теплоты, полученной системой, идет на совершение ее работы против внешних сил и изменение внутренней энергии.
• Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданной системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход.
• Изменение внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты, переданной системе, и работой, совершенной системой над внешними силами.

Формула первого закона термодинамики

Формулу первого закона термодинамики можно записать таким образом:

Q = ΔU + A

Количество теплоты Q, передаваемое системе равно суме изменения ее внутренней энергии ΔU и работы A.

Процессы первого закона термодинамики

Также первый закон термодинамики имеет свои нюансы в зависимости от проходящих термодинамических процессов, которые могут быть изохронными и изобарными, и ниже мы детально опишем о каждом из них.

Первый закон термодинамики для изохорного процесса

Изохорным процессом в термодинамике называют процесс, происходящий при постоянном объеме. То есть, если будь-то в газе или жидкости нагреть вещество в сосуде, произойдет изохорный процесс, так как объем вещества останется неизменным. Это условие имеет влияние и на первый закон термодинамики, проходящий при изохорном процессе.

В изохорном процессе объем V является константой, следовательно, газ работы не совершает A = 0

Из этого выходит следующая формула:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Здесь U (T1) и U (T2) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

Первый закон термодинамики для изобарного процесса

Аналогично изобарным процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе газа. Следовательно, в изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается следующим уравнением первого закона термодинамики:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Изобарный первый закон термодинамики дает:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Применение первого закона термодинамики

Первый закон термодинамике имеет практическое применение к различным процессам в физике, например, позволяет вычислить идеальные параметры газа при разнообразных тепловых и механических процессах.

Помимо сугубо практичного применение можно этому закону найти применение и философское ведь что ни говорите, но первый закон термодинамики является выражением одного из самых общих законов природы – закона сохранения энергии.

Еще Еклезиаст писал, что ничто ни откуда не появляется и никуда не уходит, все пребывает вечно, постоянно трансформируясь, в этом и кроется вся суть первого закона термодинамики.

Первый закон термодинамики, видео

И в завершение нашей статьи вашему вниманию образовательное видео о первом законе термодинамике и внутренней энергии.

Эта статья доступна на английском — First Law of Thermodynamics.

Первое начало термодинамики

Теплота представляет собой особую форму энергии и должна учитываться в законе сохранения и превращения энергии.

В физике работой называется перемещение массы на определенное расстояние под воздействием силы. Чтобы поднять эту книгу, например, вам нужно приложить силу, направленную вверх, чтобы преодолеть направленную вниз силу гравитационного притяжения на всём отрезке пути, на который вы поднимаете книгу, и тем самым вы совершаете работу.

Для совершения работы тело, которое ее совершает, должно обладать запасом энергии, необходимым для совершения этой работы. То есть энергия — это способность совершить работу.

С научной точки зрения энергия обладает тремя важнейшими свойствами: во-первых, она может проявляться в различных формах; во-вторых, различные виды энергии могут переходить друг в друга; в-третьих, при любых физических процессах совокупная энергия в замкнутой системе сохраняется.

Энергия движения

Движущееся тело способно оказывать силовое воздействие на другие тела на отрезке своего пути, и вы такие явления, бесспорно, наблюдали. Представьте себе стрелу, летящую к мишени. Врезаясь в мишень, стрела оказывает силовое воздействие на ее волокна и раздвигает их.

Следовательно, движущееся тело способно совершить работу, и значит, по определению, оно обладает энергией. Энергия движения такого рода называется кинетической энергией (от греческого kinezis — «движение»).

Согласно механической теории теплоты, теплота — это проявление движения молекул вещества, и значит, ее можно считать особым видом кинетической энергии.

Энергия положения

Если вы поднимете эту книгу вверх, она сможет затем совершать работу уже в силу своего нового положения в гравитационном поле Земли. Чтобы убедиться в этом, отпустите книгу — и она упадет. Падая, книга разгонится до определенной скорости и, следовательно, приобретет некоторую кинетическую энергию.

Упав на пол или на стол, она окажет силовое воздействие на поверхность и едва заметно деформирует ее, одновременно слегка деформировавшись и сама. То есть, находясь на изначальной высоте, книга уже обладала определенным запасом энергии — мы называем ее потенциальной энергией.

Будучи поднятой на определенную высоту, книга не совершает никакой работы, однако имеет возможность ее совершить — если книгу уронят. Если быть точным, энергию книги надо назвать потенциальной энергией гравитационного поля, поскольку книга обладает этой энергией благодаря тому, что она находится в гравитационном поле.

Именно поле реально производит работу при падении книги. Если вы поднимете книгу в космическом корабле, находящемся в межзвездном пространстве, где нет гравитационного поля, она вообще не упадет, поскольку не будет обладать потенциальной энергией гравитационного поля*.

И резинка рогатки, и тетива лука, будучи натянутыми, приобретают потенциальную энергию силы упругости, которая может совершать работу, если их отпустить.

Точно так же электрически заряженная частица, помещенная в электрическое поле, обладает электрической потенциальной энергией. Мы видим это в атоме (см.

Атомная теория строения вещества): энергия электрона зависит от удаленности его орбиты от положительно заряженного ядра. Электрическая потенциальная энергия особого рода участвует в химических взаимодействиях между атомами.

Электроны в каждом атоме обладают определенной электрической потенциальной энергией, зависящей от их места в атоме. После объединения атомов в молекулы эти же электроны будут обладать уже другой энергией, обусловленной их новым положением.

Имеется множество видов потенциальной энергии, связанных с магнитными и электрическими полями, с различными свойствами веществ и т. д. Потенциальная энергия присутствует в любой системе, где может быть совершена работа, которая до сих пор не совершена.

Энергия массы

В рамках теории относительности Эйнштейн открыл совершенно неожиданную для всех форму энергии. Оказывается, масса может преобразовываться в энергию, и это получило отражение в формуле E = mc2, где с — скорость света в вакууме (3 x 108 м/с).

Из этой формулы следует, что мизерная масса может быть преобразована в колоссальную энергию — и это действительно происходит при ядерном распаде урана в атомных реакторах.

Из этой же формулы следует, что для искусственного получения даже самых малых масс материи требуются колоссальные затраты энергии.

И действительно, на современных ускорителях элементарных частиц протоны разгоняются почти до скорости света, и лишь тогда в результате обстрела ими мишени часть кинетической энергии протонов преобразуется в новые элементарные частицы.

Превращение и сохранение энергии

Различные виды энергии взаимозаменяемы — энергия может переходить из одного вида в другой.

Например, когда лучник выпускает стрелу, потенциальная энергия упругого натяжения тетивы преобразуется в кинетическую энергию летящей стрелы, а при попадании стрелы в мишень — в тепловую энергию рассеяния.

Все виды энергии, за исключением тепловой, могут полностью преобразовываться друг в друга (тепловая энергия, согласно второму началу термодинамики, может преобразовываться в работу лишь частично).

Предположим, вы располагаете фиксированной суммой денежных средств, распределенных по различным банковским счетам и депозитам: часть ваших денег хранится на текущем сберегательном счете, часть вложена в акции и облигации и т. д.

С вашими деньгами вы можете поступить по-разному: можно их все перечислить на единственный счет, можно распределить их по всем счетам равномерно или же положить на разные счета разное количество денег. Однако, что бы вы ни делали, ваш совокупный капитал останется неизменным. (Для простоты мы не учитываем начисление процентов по вкладам и ценным бумагам.

) Точно так же, принимая различные формы и перераспределяясь, энергия ниоткуда не поступает и никуда не исчезает. В этом и заключается закон сохранения энергии, который гласит: полная энергия замкнутой системы остается постоянной.

* На первый взгляд, это противоречит нашим интуитивным представлениям. Объяснение же таково. В открытом космосе, где нет значительных гравитационных полей, потенциальная энергия, очевидно, должна быть равна нулю.

Поскольку при падении тела в направлении звезды или планеты потенциальная энергия теряется, ее значение должно стать отрицательным.

Потенциальная энергия книги массой 1 кг в гравитационном поле у поверхности Земли составит около –6 x 107 Джоулей, а если книгу поднять на высоту 1000 км, ее потенциальная энергия возрастет до –5 x 107 Джоулей. (Примечание автора)

См. также: