Еволюція закону збереження маси - енергії - матерії

13.3. Еволюція закону збереження маси - енергії - матерії.

Все розмаїття навколишнього нас світу потрібно розглядати, як прояв властивостей матерії. Матерія існує поза нами, вона відображається і пізнається нашими органами чуття. Якісна формулювання закону збереження матерії як неучтожімой і несотворімості основи всього існуючого була відома ще з античних часів.

Матерія не існує поза руху і навпаки, рух не існує без матерії. Якісна формулювання цього положення існувала до початку нашої ери.

У цьому курсі ми розглянуті і введені заходи, що характеризують кількість матері - масу і рух матерії - енергію.

З появою математичного апарату у фізиці з'явилися і математичні формулювання законів збереження маси і енергії. Закон збереження маси був сформульований французьким хіміком А.Л. Лавуазьє (1743-1794) в кінці 18-го століття. Він не вимагає спеціальних коментарів. Закон збереження енергії трансформувався протягом півтора століття. Спочатку німецький вчений Г. В. Лейбніц (1646-1716) сформулював закон збереження для механічної енергії. У його формулюванні стверджувалося, що сума потенційної і кінетичної енергії замкнутої системи залишається постійною в часі.

.

Спочатку теплота і механічна енергія розглядалися незалежно один від одного. Теплоту вважали невидимою рідиною, яка могла перетікати від гарячого тіла до холодного при контакті. До сих пір збереглися відгомони такого подання; наприклад, говорять про "перетікання" тепла, про "теплоємності". Цікаво, що в рамках імеенно такого уявлення про теплоту Н.Л.С.Карно (1796-1832) вдалося розробити теорію теплових машин.

Першим на еквівалентність теплоти і роботи звернув увагу німецький учений - натураліст і лікар Ю.Р.Майер (1814-1878). У медицині в той час часто застосовувалося кровопускання. Майер звернув увагу на те, що колір крові людини змінюється при зміні температури зовнішнього середовища температури. У тропіках, де температура вище, колір крові був більш червоним. Кров містила більше кисню, який необхідний для роботи м'язів тіла. Проаналізувавши ці факти, Ю.Р.Майер прийшов до висновку, що чим більше теплоти підводиться в систему, тим менше потрібно витрат енергії з самої системи на здійснення роботи. Він в 1842 році розрахував механічний еквівалент теплоти.

Пізніше на основі цих положень було сформульовано закон збереження енергії, який називається першим початком термодинаміки. Цей закон говорить, що теплота Q, що підводиться до системи йде на вчинення системою роботи A і на зміну внутрішньої енергії системи DU. Математично перший початок термодинаміки записується так:

.

Таким чином, до середини 19-го століття були остаточно сформульовані закони збереження маси і енергії, які трактувалися як закони збереження матерії і руху.

На початку 20-го століття обидва ці закону піддалися корінного перегляду в зв'язку з появою спеціальної теорії відносності. Як уже зазначалося релятивістська маса залежить від швидкості, отже, характеризує не тільки кількість матерії, але і її рух. У розділі 12.3 виведена найвідомішу формула 20-го століття - формулу (12.10), що зв'язує масу і енергію тіла:

.

У спеціальній теорії відносності природним чином злилися закони збереження маси і енергії, що існували в класичній механіці порізно. Окремо ці закони не виконуються. Неможливо охарактеризувати кількість матерії (її масу), не враховуючи руху (взаємодії) матерії. Це є відображенням філософської концепції про нероздільність матерії і руху.

формулу іноді помилково інтерпретують, як тотожність маси і енергії. Це не правильно. Дана формула означає, що між енергією (мірою руху) і масою (мірою кількості матері) існує взаємозв'язок. Енергія і маса можуть взаємно перетворюватися один в одного. Кількісне співвідношення, що визначає цей перехід і дається формулою (13.4).

В даний час узагальнений закон збереження енергії можна сформулювати в наступному вигляді. Повна енергія замкнутої системи, що включає енергію, еквівалентну масі цієї системи, не змінюється в часі.

Природно, що аж до наших днів, до розвитку такої галузі фізики, як атомна і ядерна фізика, не можна було знайти відхилення від законів збереження маси і енергії в їх первинних формулюваннях. Звичайно, якщо ми збільшимо швидкість тіла, то його маса зміниться. Але, для реальних тіл макроскопічного розміру ніякими вагами і зараз ми не зможемо знайти зміна цієї маси. Наприклад, якщо швидкість руху людини масою 100 кг дорівнює 100 м / с, то його енергія руху дорівнює 1000000 Дж. Ця енергія еквівалентна масі 10-11 кг, яку неможливо визначити ніякими сучасними методами на тлі власної маси в 100 кг. Цей приклад показує, що на сучасному етапі розвитку техніки як правило можна користуватися старою формулюванням закону збереження енергії.

Наведемо ще один приклад, який показує, коли потрібно застосовувати нову формулювання закону збереження енергії, і дозволяє дати інтерпретацію нового закону збереження енергії. При розподілі ядра урану сума мас дочірніх ядер менше вихідного ядра. Різниця цих мас відповідно до формули (13.4) переходить в кінетичну енергію уламків поділу - дочірніх ядер. Маса системи (тобто ядра) зменшується, але збільшується кінетична енергія системи. Енергія при повному розподілі всього 1 г урану як раз і дорівнює енергії вибуху бомби над Хіросімою в 1945 році.

Еволюція закону збереження енергії цікава з двох точок зору. З одного боку, закони збереження, будучи взятими з досвіду, потребують постійної експериментальної перевірки, уточнення. Не можна бути впевненим, що з розширенням меж людського досвіду даний закон (або його конкретне формулювання) залишаться справедливими і не зажадають уточнення меж, в рамках яких вони залишаються справедливими. З іншого боку, в законі збереження енергії найтіснішим чином переплелися фізика і філософія. Цей закон, все більш уточнюючи, поступово перетворився з абстрактного і невизначеного філософського висловлювання в точну кількісну формулу.

Інші закони збереження (імпульсу, моменту імпульсу, заряду і т.д.) виникли практично відразу в кількісної формулюванні і не вимагали надалі уточнення.

розділ: фізика
Кількість знаків з пробілами: 113437
Кількість таблиць: 2
Кількість зображень: 5

... інерційних системах відліку. Просторово-часовий континуум - нерозривний зв'язок простору і часу і їх залежність від системи відліку. Тема 11. Основні концепції хімії 1. Хімія як наука, її предмет і проблеми Найважливішим розділом сучасного природознавства є хімія. Вона відіграє велику роль у вирішенні найбільш актуальних і перспективних проблем сучасного суспільства. До ...

... сутність теорії хімічної еволюції і біогенезу. Опишіть історію відкриття та вивчення клітини. Зав. кафедрою ------------------------------------------------- - Екзаменаційний квиток по предмету КОНЦЕПЦІЇ сучасного природознавства Білет № 30 Назвіть і охарактеризуйте міждисциплінарні природничі науки. Сформулюйте третій закон механічного руху Ньютона. Яким ...

... речей ( "Арден 1987: 53-68, Назаретян 1991: 60, Абдеев 1994: 150- 160). Атрибутивна концепція інформації - інформація як міра впорядкованості структур і їх взаємодій на всіх стадіях організації матерії (Абдеев 1994: 162). Одна з найскладніших проблем сучасного природознавства - функціонування відображення в неживому світі (існує в неживому світі опосередковують ланка між ...

..., або концепція біогенезу). У XIX столітті її остаточно спростував Л. Пастер, довівши, що поява життя там, де вона не існувала, пов'язане з бактеріями (пастеризація - позбавлення від бактерій). 3. Концепція сучасного стану передбачає, що Земля і життя на ній існували завжди, причому в незмінному вигляді. 4. Концепція панспермії пов'язує появу життя на Землі з її занесенням з ...