ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ПРИРОДІ

Таємниці світу, що я виклав в потаємної зошити, від людей приховав я, свою безпеку заради нікому не можу розповісти, що приховую в душі занадто багато невігласів в цьому злом людському стаді ...

Омар Хайям

Відкриття цих законів почалося з встановлення М. В. Ломоносовим і А. Л. Лавуазьє майже незалежно один від одного закону збереження маси речовини. Закон збереження маси в хімічних процесах формулюється так: сума мас вихідних речовин (сполук) дорівнює сумі мас продуктів хімічної реакції. Кількісним виразом закону збереження маси речовини стосовно до виробничого хімічному процесу є матеріальний баланс, в якому підтверджується, що маса речовин, що надійшли на технологічну операцію (прихід), дорівнює масі отриманих речовин (витрата):

де М т , М ж , М г - відповідно маси твердих, рідких і газоподібних матеріалів, що надійшли на обробку (прихід матеріалів); М т ., М ж »М г - - маси продуктів, одержані в результаті хімічної переробки (витрата матеріалів).

Важливим досягненням на шляху подальшого процесу інтеграції знань було відкриття фундаментального закону природи - закону збереження і перетворення енергії. Відкриття цього закону зазвичай пов'язують з іменами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. До відкриття вони прийшли різними шляхами. Формулювання закону збереження і перетворення енергі згідно Гельмгольцу наступна: приріст кінетичної енергії тіл одно убутку його потенційної енергії. Він висловив закон в математичній формі і пов'язав закон збереження енергії з принципом неможливості створення вічного двигуна. Джоуль визначив величину еквівалент перекладу механічної енергії в теплову. Майер розглядав різні види енергії: кінетичну, потенційну, їх суму - механічну енергію, а також теплову, електричну, хімічну енергію. Про вважав, що всі ці види енергії можуть взаімоіревращаться - за умови незмінності загальної кількості енергії. Наприклад, кількісне вираження закону збереження енергії в хімічному виробництві є теплової (енергетичний) баланс. Стосовно до теплових процесів хімічної переробки закон збереження енергії формуліруетс так: кількість теплової енергії, принесеної в зону взаимодействи речовин, дорівнює кількості енергії, винесеною речовинами з цієї зони:

де () ф - теплота, введена в процес з вихідними речовинами; ? 1 ^ - теплота екзотермічних реакцій; () В - теплота, введена в процес ззовні; Оф * - теплота, виведена з процесу з продуктами реакції; 0 ,, - - потер теплоти, що виділяється в навколишнє середовище. Перехід енергії з одне форми в іншу означає, що енергія в даній формі зникає, перетворюється в енергію в іншій формі. Закон збереження енергії стверджує що при будь-яких процесах, що відбуваються в ізольованій системі, загальна енергія системи не змінюється, тобто перехід енергії з однієї форми в іншу відбувається з дотриманням кількісну еквівалентність Для кількісної характеристики різних форм руху вводятс відповідні їм види енергії: механічна, внутрішня (теплова) електромагнітна, хімічна, ядерна і т.д. Закон збереження енергії - закон, що керує всіма явищами природи; винятків з нього науці невідомо.

У структуру фізичної теорії поняття енергії увійшло в середині XIX в. при розгляді закону збереження і перетворення енергії в механіці. Мірою зміни енергії в ряді випадків може бути визначена робота. Робота, що здійснюється за рахунок зменшення потенційно енергії тіла, практично повністю йде на збільшення кінетичної енергії тіла. Це послужило підставою формулювання закону збереження і перетворення енергії стосовно до механічних процесів: У повна енергія замкнутої консервативної системи тіл дорівнює сумі і потенційної і кінетичної енергії і залишається величиною постійною Таким чином, всяка зміна потенційної і кінетичної енергії є перетворення потенційної енергії в кінетичну, а кінетичної в потенційну. Необхідно відзначити, що енергія сохраняетс не тільки для ізольованих (замкнутих) систем, а й для систем, що знаходяться в зовнішніх полях, що не змінюються в часі. Однозначно визначення роботи як заходи зміни потенційної енергії имее місце лише для певних типів полів, званих потенційними Прикладами таких полів можуть служити гравітаційне поле або електростатичне. Потенційними вважаються поля, робота сил котори не залежить від траєкторії руху тіла в полі, а відповідно сил цих полів називають консервативними. У разі, якщо робота сил залежить від форми шляху або сили залежать від швидкості руху, механічна енергія системи не зберігається. Наприклад, сили тертя, котори присутні у всіх випадках, не є консервативними. Отже, закон збереження механічної енергії має сенс лише стосовно до ідеалізованим ситуацій. З'ясування енергетично процесів з наявністю сил тертя призвело до відкриття закону збереження і перетворення енергії в теплових явищах. Причому це відбувалося в двох напрямках: термодинамическом, що вивчає теплові процес без урахування молекулярної будови речовини, і молекулярно-кінетичному. Оформившись до середини XIX ст., Обидва ці напрямки, обидва підхід до розгляду зміни стану речовини з різних точок зору доповнюють один одного, створюючи єдине ціле. Роботи Майера, Джоуля Гельмгольца привели до встановлення першого початку термодинаміки а Клаузиуса і Томсона - другого закону термодинаміки. Клаузиус першим висловив думку про еквівалентність роботи і кількості теплоти Закон збереження енергії в теплових процесах стверджує, що величину внутрішньої енергії і можна збільшити двома еквівалентними способами - зробивши над тілом механічну роботу (А) або повідомляючи їм кількість теплоти

Слід підкреслити важливе значення встановлення еквівалентності теплоти і роботи. Саме розуміння кількості теплоти як заходи зміни внутрішньої енергії сприяло встановленню закону збереження і перетворення енергії.

Встановленню закону збереження і перетворення енергії сприяло також відкриття ефектів, відмінних від механічних і тенлових, а також перетворення інших форм руху в теплову енергію. Майер розглядає положення про збереження і перетворення енергії в природі стосовно до живих організмів, стверджуючи, чт при поглинанні їжі в організмі постійно відбуваються хімічно процеси, результатом яких є теплові та механічно ефекти.

Дослідження електричних явищ давали серйозні підстави для підкріплення висновку про взаимопревращении різних форм движени один в одного. Джоуль встановлює співвідношення між величиною кількості теплоти, що виділяється при проходженні електричного струму чере провідник, і величиною струму і опору провідника.

Отже, протягом більше чотирьох десятиліть формувався один з найбільш великих принципів сучасної науки, який привів до об'єднання самих різних явищ. Всіма явищами природи керованого закон збереження і перетворення енергії: енергія в природі не виникає з нічого і не зникає; кількість енергії незмінно, вона тільки переходить з однієї форми в іншу.

Подальший розвиток основоположних закономірностей природи отримало в спеціальній теорії відносності Ейнштейна: «... Есл тіло віддає енергію Е у вигляді випромінювання, то його маса зменшується на Е / с 2 .. Маса тіла є міра міститься в ньому енергії». Пізніше він формулює наступний важливий висновок спеціальної теорії відносності: В «Маса і енергія еквівалентні один одному»; з'являється знаменита формула Ейнштейна, що зв'язує енергію і масу:

де т 0 - маса спокою; Е 0 = т 0 з 2 - енергія спокою тіла.

До створення спеціальної теорії відносності закони збереження енергії і маси розглядалися як два самостійних закону збереження. Тепер же обидва ці закону злилися в один. За висловом Ейнштейна маса повинна розглядатися як «зосередження колосальної кількості енергії». Таким чином, можна сказати, що фундаментальним законом природи є закон збереження маси і енергії. Специфічною особливістю застосування закону збереження енергії в ядерній фізик і фізики елементарних частинок є необхідність врахування изменени енергії спокою і, отже, маси взаємодіючих тіл.

Часто, кажучи про перетворення енергії спокою в кінетичну, називають цей процес «перетворенням маси в енергію». Чи можна так говорити? Вірно це чи ні? Строго кажучи, невірно, так як в подібному процесі енергія і маса перетворюються не друг в друга, а кожна в сво іншу форму: енергія спокою Е 0 в кінетичну енергію; маса поко т 0 в іншу форму маси, яку умовно називали «кінетичної масою». В обох перетвореннях зберігається повне значення як енергії, так і маси. Але протікають ці перетворення так, що зростанню кінетичної енергії від початкового значення до кінцевого значення відповідає еквівалентну спадання енергії спокою від початкового значення до кінцевого значення. А так як маса і енергія зв'язані співвідношенням Е = тс 2 , то спадання енергії спокою АЕ 0 проявляється ка зменшення маси спокою т 0 на величину Ат 0 = АЕ 0 / с 2 > яка називається дефектом маси. В результаті створюється враження про «перетворення маси в кінетичну енергію».

Відповідно до закону збереження енергії повна енергія Е залишається незмінною при будь-яких процесах, однак цей закон не забороняє перетворення енергії з однієї форми в іншу. В принципі можливі як процес перетворення енергії спокою Е 0 в кінетичну енергію, так і протилежні процес перетворення кінетичної енергії в енергію спокою. Відповідно до співвідношенням Е = тс 2 перший процес повинен сопровождатьс зменшенням маси ( «перетворенням маси в енергію»), а другий - збільшенням маси ( «перетворенням кінетичної енергії в масу»). Особенн привабливим є процес перетворення енергії спокою в кінетичну енергію ( «перетворення маси в енергію»).

Мірою механічного руху тіла є кількість руху або імпульс, який визначається як добуток маси тіла т на швидкість про Імпульс Р є векторною величиною, спрямованої так само, як швидкість точки. У разі механічної системи імпульс її визначається ка геометрична сума імпульсів всіх її точок або твір мас всієї системи (т) на швидкість її центру мас ( УС ):

Зміна імпульсу системи відбувається під дією тільки зовнішніх сил, тобто сил, що діють на систему з боку тіл, що не входять в цю систему. Одним з важливих законів природи є закон збереження імпульсу, який стверджує, що імпульс замкнутої систем не змінюється з плином часу. Для замкнутої системи, котора не відчуває зовнішніх впливів або коли геометрична сума діючих на систему зовнішніх сил дорівнює нулю, імпульс системи зберігається постійним. Звідси випливає також, що при будь-яких процесах, що відбуваються в замкнутій системі, швидкість її центру інерції сохраняетс незмінною. Для матеріальної точки закон збереження імпульсу означає, що за відсутності зовнішніх сил вона рухається з постійною швидкість по прямій лінії.

Якщо система не замкнута, але рівнодіюча зовнішніх сил дорівнює нулю, то імпульс системи залишається постійним так само, як якби зовнішніх сил не було зовсім. Зазвичай доводиться мати справу з незамкнутим системами, для яких рівнодіюча зовнішніх сил відмінна від нул і імпульс системи не постійний. Однак якщо проекція головного вектора зовнішніх сил на будь-яку вісь, нерухому відносно інерціальної системи відліку, тотожно дорівнює нулю, то проекція на цю ж вісь вектора імпульсу системи не залежить від часу. Цей закон називають законом збереження проекції імпульсу.

Основоположним є також закон збереження моменту імпульсу системи (тіла). У класичній механіці моментом імпульс частинки (моментом кількості руху) називають векторний добуток

де г, Р - радіус-вектор і вектор імпульсу частинки відповідно.

Цей закон стверджує, що момент імпульсу замкнутої системи тіл відносно будь-якої нерухомої точки не змінюється з плином часу. Якщо момент зовнішніх сил відносно нерухомої осі обертання тіла тотожно дорівнює нулю, то момент імпульсу тіла щодо тверджень цієї осі не змінюється в процесі руху. Даний закон може побут узагальнено для будь-якої незамкненою системи тел: якщо результірующі момент всіх зовнішніх сил, прикладених до системи, щодо будь-якої нерухомої осі дорівнює нулю, то момент імпульсу системи відносно тієї ж осі не змінюється з плином часу. Зокрема, це закон справедливий для замкнутої системи тіл.

В електричних явищах фундаментальним є закон збереження електричного заряду. Для замкнутої системи частинок сумарний електричний заряд системи з часом не змінюється, тобто залишається пра постійним.

Найбільш яскраво прояв законів збереження ми спостерігаємо в світі елементарних частинок. Тут діє правило: дозволено все що не забороняють закони збереження. Останні відіграють роль прави заборони, що регулюють взаємоперетворенням частинок. Перш за все відзначимо закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Ет три закони, наприклад, пояснюють стабільність електрона. З збереження енергії і імпульсу випливає, що сумарна маса спокою продукто розпаду повинна бути меншою за масу спокою розпадається частинки. Значить, електрон міг би розпадатися тільки на нейтрино і фотони. Але пов частки електрично нейтральні. Ось і виходить, що електрон просто нікому передати свій електричний заряд, тому він стабільний. Існує багато специфічних параметрів, збереження котори регулює взаємоперетворенням частинок, - баріонів заряд, лептони заряд, парність (просторова, тимчасова, зарядова), дивина чарівність і ін. Деякі з них не зберігаються в процесах, обумовлених слабкою взаємодією (парність, дивина, чарівність) згідно, наприклад, закону збереження баріонів заряду в будь-якому процесі повинна залишатися незмінною різниця між числом баріонів і антібаріонов. Протон - баріон з найменшою масою; отже серед продуктів його розпаду баріонів бути не може. Цим об'ясняетс стабільність протона - його розпад приводив би до некомпенсованому знищення баріону.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >