Реферат: Закон сохранения энергии в макроскопических процессах
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.
Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии. В ряде случаев работа, совершаемая за счет уменьшения потенциальной энергии тела, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Позже мы укажем на ограниченность нашего примера. Однако именно эти случаи послужили основанием для формулирования закона сохранения и превращения энергии применительно к механическим процессам. Этот закон звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величиной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетический энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии происходит в форме работы в процессе силового взаимодействия тел.
Теперь оговоримся, что всякий физический закон имеет границы своей применимости. Это в первую очередь относится к закону сохранения механической энергии. Первое важное ограничение этого закона состоит в требовании изолированности системы рассматриваемых тел от внешних воздействий. Такую систему мы называем замкнутой. Второе ограничение связано с тем, что не всегда работа однозначно определяется изменением потенциальной энергии тела при перемещении его из одной точки поля в другую. Однозначное определение работы как меры изменения потенциальной энергии имеет место лишь для определенных типов полей, называемых потенциальными. Примерами таких полей могут служить гравитационное или электростатическое поля. Потенциальными считаются поля, работа сил которых не зависит от траектории движения тела в поле. Соответственно силы этих полей называют консервативными. В случае, если работа сил зависит от формы пути или силы зависят от скорости движения, механическая энергия системы не сохраняется. Например, силы трения, которые не являются консервативными, присутствуют во всех случаях. Следовательно, закон сохранения механической энергии имеет смысл лишь применительно к идеализированным ситуациям. Не следует в связи с этим удивляться и делать поспешные выводы типа: "Надо было столько морочить голову каким-то законом, который практически не существует вовсе?" Во-первых, это замечание несправедливо, потому что существует множество явлений, которые допускают при их анализе подобную идеализацию. В этих случаях закон сохранения механической энергии может быть использован с достаточно хорошей степенью точности, разумеется, в малые временные интервалы, когда трение в расчет можно и не принимать. Во-вторых, без установления этого закона было бы очень трудно сделать следующий шаг: выяснить, куда же растрачивается механическая энергия при трении?
Другое дело — попытаться обмануть природу настолько, чтобы создать машину, с помощью которой можно было бы совершать работу без затраты энергии в той или иной форме. Это проблема создания вечного двигателя — "перпетуум-мобиле". История развития человеческого общества особой страницей содержит в себе те, в общем-то, немногочисленные варианты вечных двигателей, свидетельствующих о невероятных ухищрениях человеческого ума. Первый до сих пор известный достоверный документ об "осуществлении" идеи вечного двигателя относится к XIII веку. Еще до установления закона сохранения энергии в 1775 году было сделано заявление французской Академии, в котором говорилось о невозможности создания вечного двигателя. Вследствие чего Академия отказывалась принимать впредь подобные проекты для рассмотрения.
Итак, механическая энергия при трении растрачивается, но куда? Выяснение энергетической стороны таких процессов и составило следующую важную страницу в истории открытий превращения механической энергии в другие формы движения.
3. Внутренняя энергия
О том, что такое теплота, люди задумывались очень давно. Такие понятия, как "огонь", "свет", "теплород", встречаются уже в древнейших сказаниях Востока, а позже в работах античных философов Древней Греции. Однако в те далекие времена были высказаны только общие предположения о природе огня, света и теплоты. И античные философы, и схоласты средневековья рассматривали холод и тепло как разные вещи. Они были далеки от представления о том, что холод следует рассматривать как недостаток тепла, а не как противоположную субстанцию.
Эта точка зрения просуществовала довольно долго. Так, уже в Новое время, в сочинениях Пьера Гассенди, вышедших в 1658 году, теплота и холод трактуются как разные материи. Причем атомы холода, в отличие от атомов тепла, являются острыми; проникая в жидкость, они скрепляют ее, превращают в твердое тело.
Учение о тепловых явлениях начинает развиваться только с середины XVIII века. Толчком для этого развития является изобретение термометра. Интересно отметить, что на протяжении долгого времени между понятиями тепла и температуры не проводилось различия.
Температура — в переводе с латинского означает "смешивание в должном отношении". Это говорит о происхождении самого термина "температура". Дело в том, что не сразу было понято, что здоровые люди имеют практически одну и ту же температуру. Степень нагретости относили к темпераменту человека. Так, во II веке великий врач Гален утверждал, что темперамент человека создается смешением четырех жидкостей. Эти жидкости, играющие важную роль также в учении Гиппократа, отвечают за темперамент человека. Они назывались: кровь, слизь, черная желчь и желтая желчь. При определенном смешивании они порождают сангвиников, флегматиков, меланхоликов и холериков.
Ученым, который первым изобрел прибор для измерения нагретости тела, был Галилей. Конечно, этот прибор был еще далек от совершенства, он даже не был проградуирован. Однако он все же позволял сравнивать температуры тел, находящихся в одном и том же месте и в одно и то же время. Впервые температуру человеческого тела начал измерять итальянский врач и анатом Санторио с помощью им же изобретенного термометра. После Галилея многие ученые занимались изготовлением приборов для определения нагретости нелг итальянские мастера из Флоренции, Отто фон Герике, Амонтон, Гук, Фаренгейт, Цельсий, Реомюр, Делиль и др.
В 1655 году Гюйгенс предложил в качестве опорных точек термометра избрать точку кипения воды и точку таяния льда. Современная шкала Цельсия была предложена шведским ботаником Андерсом Цельсием в 1742 году.
Однако за 0 градусов он принимал точку кипения воды, а за 100 градусов — точку таяния льда, как и Далиль. Такая шкала не завоевала популярности и очень скоро была перевернута обратно.
Сама по себе градуировка термометров доставляла не меньше хлопот, чем конструкция термометров. И это связано с вопросом о том, происходит ли расширение используемых в термометрах жидкостей (воды, спирта, ртути) или газа пропорционально увеличению температуры во всех интервалах интересующих температур. Таким образом, задача усовершенствования термометров явилась толчком для изучения явления расширения тел при нагревании. Однако все эти исследования не разделяли понятия "теплота" и "температура". И температура тела так же, как и теплота связывалась с представлением о теплороде. В "Словаре церковнославянского и русского языка", изданном в середине XIX века, можно прочитать: "Температура есть мера сгущения теплорода, показываемая в градусах термометром". "Теплород - вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливающаяся из Солнца и проникающая во все тела физического мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощущаемая".
Итак, температуру и теплоту связывали с особым видом невесомой матери — теплородом. Именно присутствие теплорода в теле вызывает нагретость тела. Единица измерения теплоты, дожившая до наших дней, "калория" в переводе на русский язык означает не что иное, как "теплород". Однако так думали не все. В истории развития взглядов на природу теплоты ясно прослеживаются два направления: одно из них связано с представлением о теплороде, а второе связывает сущность тепловых явлений с движением атомов, из которых состоят тела. Это так называемые теплородная и кинетическая теории теплоты. В отношении теплородной теории также существовали две точки зрения. Первая точка зрения — традиционная, согласно которой теплород — "некая жидкость, крайне мелкие частицы которой наделены силой взаимного оттаивания". В этом случае большее или меньшее скопление этой жидкости в телах определяет их состояние". Вторая точка зрения являлась менее популярной, но в ней как бы делалась попытка синтеза кинетической теории с теорией теплорода.
Кинетической теории теплоты придерживались многие ученые. Среди них — Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт, Даниил Бернулли, М. Ломоносов, Л. Эйлер. Однако господствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория. Причина этого кроется в том, что вплоть до изготовления паровых машин и их усовершенствования ученые не интересовались вопросом о путях превращения теплоты в механическую работу. Обратные процессы превращения работы в теплоту были известны с незапамятных времен, но они, как казалось, хорошо объяснялись теплородной теорией (вплоть до опытов Румфорда).
Спор между сторонниками теплородной и кинетической теории состоял в следующем: сводится ли представление о теплоте к некоторой субстанции, пусть даже и невесомой, или же теплота есть проявление кинетического движения молекул? А. Эйнштейн и Л. Инфельд отмечают: "В истории физики часто встречаются такие испытания, которые способны произвести приговор о жизни или смерти теории: они называются crucis (круцис, то есть решающими) экспериментами. Решением суда такого эксперимента может быть оправдана только одна теория явлений... Такой решающий эксперимент был произведен Румфордом; он нанес смертельный удар субстанциональной теории теплоты". Надо сказать, что этот эксперимент мог быть поставлен только благодаря и вследствие развития калориметрических исследований — исследований по изучению явлений теплообмена между двумя веществами (однородными с различными температурами, разнородными с различными температурами, в разных фазах и т. д.) при смешивании их в теплоизолированном сосуде — калориметре. В процессе этих опытов, где основная заслуга принадлежит петербургскому академику Георгу Рихману, было установлено, что при смешении жидкостей, даже однородных, устанавливается определенная одинаковая для всей смеси температура. Дальнейшие исследования сконцентрировались в выяснении вопроса, "как распределяется теплота между различными телами". Было установлено, что различные тела имеют различные удельные теплоемкости. Под удельной теплоемкостью вещества понимается количество теплоты (пока еще теплорода) для увеличения температуры единицы массы вещества на один градус. В процессе калориметрических исследований было сделано важное заключение: при исследовании тепловых явлений следует различать такие понятия, как температура и теплота. Так, при превращении, например, льда в воду, теплота расходуется, а температура при этом не изменяется (лед, как и прочие тела, плавится при строго определенной температуре). Вместе с понятием количества теплоты были установлены понятия удельной теплоемкости, теплоемкости, теплоты плавления, теплоты парообразования.
Так, в чем же состоит суть решающего эксперимента, проведенного графом Румфордом? Граф Румфорд (Бенджамин Томсон) ссылался на опыты по выделению теплоты при трении. Это явление хорошо известно с древнейших времен. Оно явилось одной из важнейших предпосылок возникновения человеческой цивилизации. Ибо благодаря трению первобытный человек добывал себе огонь. Тепло-родная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы выжимают из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них, то есть теплоемкость, должны изменяться. Самая известная работа Румфорда "Исследование источника тепла, вызываемого трением" была представлена в Королевское общество в Лондоне в 1798 году. К слову сказать, Румфорд известен как активный политический деятель, выдающийся организатор, внесший значительный вклад в реорганизацию армии. При этом он сохранял постоянный активный интерес к науке и технике. Талантливый экспериментатор, он большое внимание уделял практическим применениям научных знаний. В вышеназванной работе Румфорд привел результаты эксперимента, связанного со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для превращения в пар 12 килограммов воды при получении всего лишь 270 граммов металлической стружки. Далее было обнаружено, что стружка имеет такую же удельную теплоемкость, как исходный металл отливки. Вследствие полученных результатов Румфорд сделал вывод о том, что теплота не могла быть получена за счет "выжимания" теплорода из металла. "Обсуждая этот предмет, — пишет Румфорд, — мы не должны забывать учета того самого замечательного обстоятельства, что источник теплоты, порожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым.
Совершенно необходимо добавить, что это нечто, которое любое изолированное тело или система тел может непрерывно поставлять без ограничения, не может быть материальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждаться и передаваться, подобно тому как возбуждается и передается в этих экспериментах теплота, если только не допустить, что это что-то есть движение".
Опыты Румфорда были подтверждены также работами Хэмфри Дэви, показавшими, что трение двух кусков льда друг о друга может вызвать их таяние. Румфорд, выражая свое непримиримое отношение к теплородной теории, как-то сказал: "Я удовлетворен тем, что доживу до того, что буду иметь удовольствие увидеть теплород, похороненный вместе с флогистоном в одном гробу"7. Напомним, что флогистоном называли газ, который считали основой огня. Флогистону приписывалась такая же роль в объяснении химических реакций, как теплороду в объяснении тепловых явлений. Опровергателем теории флогистона выступил Антуан Лавуазье, который, однако, спас "теплород", считал его полноправным элементом в своей таблице химических простых тел.
Рассмотрение процессов превращения работы трения в тепло создало все необходимые предпосылки для отрицания теплородной теории. Тем не менее, этого отрицания не произошло. Теплородная теория просуществовала еще значительно долго, несмотря на опыты Румфорда. Для выработки закона сохранения и превращения энергии не менее важными явились исследования обратных процессов по превращению теплоты в работу, то есть по исследованию функционирования тепловых машин.
Принято считать, что первая паровая машина была изобретена греческим ученым и математиком Героном.
Это так называемая эолипил (греч. — ветряной шар) Герона. Герон пытался использовать движущую "силу" тепла для облегчения труда. Однако открытие Герона не получило практического применения. Хорошо известно, с каким предубеждением относились греки к подобного рода изобретениям, которые ими рассматривались как попытки обмана истинной природы и считались недостойными.
По существу, развитие тепловых машин связано с изготовлением орудий войны — ракет и пушек. К сожалению, в истории эволюции человеческого общества немало страниц, свидетельствующих о том, что возникновение новых машин, механизмов, технологий предопределялось военными интересами, и лишь позже они получали применение для облегчения мускульного мануфактурного труда человека (лат. — manu — рукой, factus — сделано). Другой важной причиной возникновения и практического применения паровых машин послужила необходимость добычи топлива — каменного угля из шахт, находящихся под водными пластами. Нужно было откачивать воду из шахт. И так получилось, что деятельность первых конструкторов тепловых устройств была связана с добычей топлива. Первый паровой насос, служащий для откачки воды из шахт, был сконструирован владельцем одной из шахт в Англии, Томасом Сэйри в конце XVII века. Паровой насос Сэвери в усовершенствованных видах использовался вплоть до середины XVIII века. Более совершенную паровую машину построил англичанин Томас Ньюкомен, работавший вместе с Сэвери. Машина Ньюкомена уже имела основные детали современной паровой машины — цилиндр и поршень. Главное новшество состояло в том, что в машине Ньюкомена пар давил не непосредственно на поверхность воды, а на поршень в цилиндре. Известно, что Ньюкомен состоял в переписке с выдающимся физиком Робертом Гуком, и эта идея, возможно, была подсказана Гуком.
Главный недостаток первых паровых машин состоял в том, что, во-первых, они потребляли много топлива, во-вторых, это не были машины непрерывного действия. Действительная эпоха паровых машин начинается с машины Уатта, как это и преподносится практически во всех учебниках истории. Машина Уатта изобретена в 1763 году шотландским механиком Джеймсом Уаттом. Основная идея Уатта заключалась в уменьшении потерь тепла в машине за счет попеременного нагревания и охлаждения цилиндра. В том же 1763 году русским изобретателем И. Молзуновым, работавшим механиком на алтайских горнорудных и металлургических заводах, была изобретена первая паровая машина непрерывного действия.