Закон сохранения энергии кто открыл


Как был открыт закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии был открыт не физиком, а врачом.

В 1840 году на острове Ява судовой врач немец Роберт Майер вскрыл больному вену и... к своему ужасу обнаружил, что потекла не темная кровь, а алая! Неужели он вместо вены попал в артерию?! Испуг врача объяснялся тем, что алая кровь течет по артериям от сердца — это кровь, наполненная кислородом. А обратно, к сердцу кровь течет по венам. В венозной крови остается мало кислорода, поэтому цвет у нее темно-красный. Кровотечение же из артерии смертельно опасно.

Однако местные врачи успокоили Майера: они объяснили, что здесь, в тропиках, венозная кровь у людей такая же алая, как и артериальная.

«Почему же так происходит? — задумывается Майер. — Может, дело в том, что температура воздуха здесь почти равна температуре человеческого тела... Организму не нужно расходовать силу (в то время энергию еще называли силой!) на поддержание температуры тела, поэтому кислород остается в крови — ведь силу дает именно сгорание кислорода. Но это значит, что сила сохраняется: она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего».

Развивая свою идею, Майер изучил все известные ему превращения энергии — кинетической в потенциальную и обратно, механической энергии во внутреннюю и внутренней энергии в механическую, рассмотрел электрическую и химическую энергии.

Независимо от Майера, но несколькими годами позже закон сохранения энергии был открыт английским физиком Джеймсом Джоулем и немецким естествоиспытателем Германом Гельмгольцем.

Все эти ученые были очень молоды, когда они совершили свое великое открытие: Майеру было 28 лет, Джоулю — 25, а Гельмгольцу — 26.

Задолго до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца очень близко к открытию закона сохранения энергии подошел выдающийся российский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Но, к сожалению, труды Ломоносова долгое время оставались неизвестными для европейских ученых.

Идея о взаимопревращении механической и внутренней энергии была высказана, также до открытий Майера, Джоуля и Гельмгольца, физиком и инженером Томпсоном, получившим известность как граф Румфорд.

fizikaklass.ru

Закон сохранения энергии - это... Что такое Закон сохранения энергии?

Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть независимостью законов физики от момента времени, в который рассматривается система. В этом смысле закон сохранения энергии является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе обосновывается подчинением этой системы своим специфическим законам динамики, вообще говоря различающимся для разных систем.

В различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулировался независимо, в связи с чем были введены различные виды энергии. Говорят, что возможен переход энергии одного типа в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется. Ввиду условности деления энергии на различные виды, такое деление не всегда может быть произведено однозначно.

Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в термодинамике — первое начало термодинамики, а в электродинамике — теорема Пойнтинга.

С математической точки зрения закон сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью уравнений относительно сдвига во времени.

Фундаментальный смысл закона

Фундаментальный смысл закона сохранения энергии раскрывается теоремой Нётер. Согласно этой теореме каждый закон сохранения однозначно соответствует той или иной симметрии уравнений, описывающих физическую систему. В частности, закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени, то есть независимости всех законов, описывающих систему, от момента времени, в который система рассматривается.

Вывод этого утверждения может быть произведён, например, на основе лагранжева формализма[1]. Если время однородно, то функция Лагранжа, описывающая систему, не зависит явно от времени, поэтому полная её производная по времени имеет вид:

Здесь  — функция Лагранжа,  — обобщённые координаты и их первые и вторые производные по времени соответственно. Воспользовавшись уравнениями Лагранжа, заменим производные на выражение :

Перепишем последнее выражение в виде

Сумма, стоящая в скобках, по определению называется энергией системы и в силу равенства нулю полной производной от неё по времени она является интегралом движения (то есть сохраняется).

Частные формы закона сохранения энергии

Классическая механика

Формулировка

В ньютоновской механике формулируется частный случай закона сохранения энергии — Закон сохранения механической энергии, звучащий следующим образом[2]

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной.

Проще говоря, при отсутствии диссипативных сил (например, сил трения) механическая энергия не возникает из ничего и не может исчезнуть никуда.

Примеры

Классическим примером этого утверждения являются пружинный или математический маятники с пренебрежимо малым затуханием. В случае пружинного маятника в процессе колебаний потенциальная энергия деформированной пружины (имеющая максимум в крайних положениях груза) переходит в кинетическую энергию груза (достигающую максимума в момент прохождения грузом положения равновесия) и обратно[3]. В случае математического маятника[4] аналогично ведёт себя потенциальная энергия груза в поле силы тяжести.

Вывод из уравнений Ньютона

Закон сохранения механической энергии может быть выведен из второго закона Ньютона[5], если учесть, что в консервативной системе все силы, действующие на тело, потенциальны и, следовательно, могут быть представлены в виде

,

где  — потенциальная энергия материальной точки ( — радиус-вектор точки пространства). В этом случае второй закон Ньютона для одной частицы имеет вид

,

где  — масса частицы,  — вектор её скорости. Скалярно домножив обе части данного уравнения на скорость частицы и приняв во внимание, что , можно получить

Путём элементарных операций это выражение может быть приведено к следующему виду

Отсюда непосредственно следует, что выражение, стоящее под знаком дифференцирования по времени, сохраняется. Это выражение и называется механической энергией материальной точки. Первый член в сумме отвечает кинетической энергии, второй — потенциальной.

Этот вывод может быть легко обобщён на систему материальных точек[2].

Термодинамика

Основная статья: Первое начало термодинамики

В термодинамике исторически закон сохранения формулируется в виде первого принципа термодинамики:

Изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход

или альтернативно[6]:

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

В математической формулировке это может быть выражено следующим образом:

,

где введены обозначения  — количество теплоты, полученное системой,  — изменение внутренней энергии системы,  — работа, совершённая системой.

Закон сохранения энергии, в частности, утверждает, что не существует вечных двигателей первого рода, то есть невозможны такие процессы, единственным результатом которых было бы производство работы без каких-либо изменений в других телах[6].

Гидродинамика

Основная статья: Закон Бернулли

В гидродинамике идеальной жидкости закон сохранения энергии традиционно формулируется в виде уравнения Бернулли: вдоль линий тока остаётся постоянной сумма[7]

Здесь введены следующие обозначения:  — скорость потока жидкости,  — тепловая функция жидкости,  — ускорение свободного падения,  — координата точки в направлении силы тяжести. Если внутренняя энергия жидкости не меняется (жидкость не нагревается и не охлаждается), то уравнение Бернулли может быть переписано в виде[8]

где  — давление жидкости,  — плотность жидкости. Для несжимаемой жидкости плотность является постоянной величиной, поэтому в последнем уравнении может быть выполнено интегрирование[8]:

Электродинамика

Основная статья: Теорема Пойнтинга

В электродинамике закон сохранения энергии исторически формулируется в виде теоремы Пойнтинга[9][10](иногда также называемой теоремой Умова—Пойнтинга[11]), связывающей плотность потока электромагнитной энергии с плотностью электромагнитной энергии и плотностью джоулевых потерь. В словесной форме теорема может быть сформулирована следующим образом:

Изменение электромагнитной энергии, заключённой в неком объёме, за некий интервал времени равно потоку электромагнитной энергии через поверхность, ограничивающую данный объём, и количеству тепловой энергии, выделившейся в данном объёме, взятой с обратным знаком.

Математически это выражается в виде (здесь и ниже в разделе использована Гауссова система единиц)

где  — некий объём,  — поверхность, ограничивающая этот объём,

 — плотность электромагнитной энергии,  — вектор Пойнтинга,

 — плотность тока,  — напряжённость электрического поля,  — индукция электрического поля,  — напряжённость магнитного поля,  — индукция магнитного поля.

Этот же закон математически может быть записан в дифференциальной форме:

Нелинейная оптика

Основная статья: Соотношения Мэнли — Роу

В нелинейной оптике рассматривается распространение оптического (и вообще электромагнитного) излучения в среде с учётом многоквантового взаимодействия этого излучения с веществом среды. В частности, широкий круг исследований посвящён задачам так называемых трёх- и четырёхволновоого взаимодействий, в которых происходит взаимодействие соответственно трёх или четырёх квантов излучения. Поскольку каждый отдельный акт такого взаимодействия подчиняется законам сохранения энергии и импульса, существует возможность сформулировать достаточно общие соотношения между макроскопическими параметрами взаимодействующих волн. Эти соотношения носят название соотношений Мэнли — Роу.

В качестве примера рассмотрим явление сложения частот света: генерацию в нелинейной среде излучения с частотой , равной сумме частот двух других волн и . Этот процесс является частным случаем трёхволновых процессов: при взаимодействии двух квантов исходных волн с веществом они поглощаются с испусканием третьего кванта. Согласно закону сохранения энергии, сумма энергий двух исходных квантов должна быть равна энергии нового кванта:

Из этого равенства непосредственно следует одно из соотношений Мэнли — Роу:

,

которое, собственно, и выражает тот факт, что частота генерируемого излучения равна сумме частот двух исходных волн.

Релятивистская механика

В релятивистской механике вводится понятие 4-вектора энергии-импульса (или просто четырёхимпульса)[12]. Его введение позволяет записать законы сохранения канонического импульса и энергии в единой форме, которая к тому же является лоренц-ковариантной, то есть не меняется при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую. Например, при движении заряженной материальной точки в электромагнитном поле ковариантная форма закона сохранения имеет вид

,

где  — канонический четырёхимпульс частицы,  — четырёхимпульс частицы,  — энергия частицы,  — четырёхвектор потенциала электромагнитного поля ,  — электрический заряд и масса частицы,  — собственное время частицы.

Также важным является тот факт, что даже при невыполнении закона сохранения энергии-импульса (например, в открытой системе) сохраняется модуль этого 4-вектора, с точностью до размерного множителя имеющий смысл энергии покоя частицы[12]:

Квантовая механика

В квантовой механике также возможно формулирование закона сохранения энергии для изолированной системы. Так, в шредингеровском представлении при отсутствии внешних переменных полей гамильтониан системы не зависит от времени и можно показать[13], что волновая функция, отвечающая решению уравнения Шредингера, может быть представлена в виде:

Здесь  — волновая функция системы,  — совокупность переменных, от которых зависит состояние системы в данном представлении,  — собственные функции и собственные значения оператора Гамильтона,  — постоянная Планка,  — некоторые постоянные комплексные коэффициенты, характеризующие состояние системы. По определению средней энергией квантовой системы, описываемой волновой функцией, называется интеграл

где  — гамильтониан системы. Несложно видеть, что этот интеграл не зависит от времени:

где также использовано свойство ортонормированности собственных функций гамильтониана[14]. Таким образом, энергия замкнутой системы сохраняется.

Следует, однако, отметить, что по сравнению с классической механикой у квантового закона сохранения энергии имеется одно существенное отличие. Дело в том, что для экспериментальной проверки выполнения закона необходимо провести измерение, представляющее собой взаимодействие исследуемой системы с неким прибором. В процессе измерения система, вообще говоря, более не является изолированной и её энергия может не сохраняться (происходит обмен энергией с прибором). В рамках классической физики, однако, это влияние прибора всегда может быть сделано сколь угодно малым, в то время как в квантовой механике имеются фундаментальные ограничения на то, насколько малым может быть возмущение системы в процессе измерения. Это приводит к так называемому принципу неопределённости Гейзенберга, который в математической формулировке может быть выражен в следующем виде:

,

где имеет смысл среднеквадратичного отклонения измеренного значения энергии от среднего значения при проведении серии измерений,  — продолжительность взаимодействия системы с прибором в каждом из измерений.

В связи с наличием этого фундаментального ограничения на точность измерений в квантовой механике часто говорят о законе сохранения средней энергии (в смысле среднего значения энергии, полученного в результате серии измерений).

Общая теория относительности

Основная статья: Проблема законов сохранения в общей теории относительности

Являясь обобщением специальной теории относительности, общая теория относительности пользуется обобщением понятия четырёхимпульса — тензором энергии-импульса. Закон сохранения формулируется для тензора энергии-импульса системы и в математической форме имеет вид[15]

где точка с запятой выражает ковариантную производную.

В общей теории относительности закон сохранения энергии, строго говоря, выполняется только локально. Связано это с тем фактом, что этот закон является следствием однородности времени, в то время как в общей теории относительности время неоднородно и испытывает изменения в зависимости от наличия тел и полей в пространстве-времени. Следует отметить, что при должным образом определённом псевдотензоре энергии-импульса гравитационного поля можно добиться сохранения полной энергии гравитационно взаимодействующих тел и полей, включая гравитационное[16]. Однако на данный момент не существует общепризнанного способа введения энергии гравитационного поля, поскольку все предложенные варианты обладают теми или иными недостатками. Например, энергия гравитационного поля принципиально не может быть определена как тензор относительно общих преобразований координат[17].

История открытия

История до XIX века

Философские предпосылки к открытию закона были заложены ещё античными философами. Ясную, хотя ещё не количественную, формулировку дал в «Началах философии» (1644) Рене Декарт[18]:

Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит своё собственное движение.

Аналогичную точку зрения выразил в XVIII веке М. В. Ломоносов[19]. В письме к Эйлеру он формулирует свой «всеобщий естественный закон» (5 июля 1748 года), повторяя его в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760)[20][21]:

Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает[22].

XIX век

Одним из первых экспериментов, подтверждавших закон сохранения энергии, был эксперимент Жозефа Луи Гей-Люссака, проведённый в 1807 году. Пытаясь доказать, что теплоёмкость газа зависит от объёма, он изучал расширение газа в пустоту и обнаружил, что при этом его температура не изменяется. Однако, объяснить этот факт ему не удалось[19].

В начале XIX века рядом экспериментов было показано, что электрический ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое действия. Такое многообразие подвигло М. Фарадея выразить мнение, заключающееся в том, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга[23]. Эта точка зрения, по своей сути, предвосхищает закон сохранения энергии.

Сади Карно
Сади Карно — французский физик, выполнивший первые работы по установлению количественой связи между работой и теплотой.

Первые работы по установлению количественной связи между совершённой работой и выделившейся теплотой были проведены Сади Карно[23]. В 1824 году им была опубликована небольшая брошюра «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (фр. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а développer cette puissance[24]), которая вначале не получила большой известности, и была случайно обнаружена Клапейроном через 10 лет после издания. Клапейрон придал изложению Карно современную аналитическую и графическую форму и переопубликовал работу под тем же названием в журнале «Journal de l'Ecole Polytechnique». Позднее была также перепечатана в «Анналах Поггендорфа». После ранней смерти Карно от холеры остались дневники, которые были опубликованы его братом. В них, в частности, Карно пишет[25]:

Тепло не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила

Доподлинно неизвестно, какие именно размышления привели Карно к этому выводу, но по своей сути они являются аналогичными современным представлениям о том, что совершённая над телом работа переходит в его внутреннюю энергию, то есть теплоту. Также в дневниках Карно пишет[26]:

По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла

Однако, ему не удалось найти более точное количественное соотношение между совершённой работой и выделившимся теплом.

Джеймс Джоуль
Установка Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Груз, расположенный справа, заставлял лопасти, погруженные в воду, вращаться, в результате чего вода нагревалась.

Количественное доказательство закона было дано Джеймсом Джоулем в ряде классических опытов. Он помещал в сосуд с водой соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита. Джоуль измерял количество теплоты, выделявшееся в результате трения в катушке, в случаях замкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита. Сравнивая эти величины он пришёл к выводу, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату силы тока и создаётся механическими силами. Далее Джоуль усовершенствовал установку, заменив вращение катушки рукой на вращение, производимое падающим грузом. Это позволило связать величину выделяемого тепла с изменением энергии груза[19][27]:

количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут

Эти результаты были изложены на физико-математической секции Британской ассоциации в его работе 1843 года «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла»[28].

В работах 1847—1850 годов Джоуль даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.

Роберт Майер
Роберт Майер первым выдвинул гипотезу об универсальности закона сохранения энергии

Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер[19]. При исследовании законов функционирования человека у него возник вопрос, не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу. Если количество теплоты не изменялось бы, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путём перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменяется, то, следовательно, работа и тепло должны быть как-то связаны между собой и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме[23]:

Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам

Ему же принадлежит обобщение закона сохранения энергии на астрономические тела. Майер утверждает, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должна сопровождаться химическими превращениями или механической работой на Солнце:

Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе

Свои мысли Майер изложил в работе 1841 года «О количественном и качественном определении сил»[29], которую послал сначала в ведущий на тот момент журнал «Annalen der Physik und Chemie», где она была отклонена главным редактором журнала Иоганном Поггендорфом, после чего статья была опубликована в «Annalen der Chemie und Pharmacie», где оставалась незамеченной до 1862 года, когда её обнаружил Клаузиус.

Герман Гельмгольц
Герман Гельмгольц первым ввёл представление о потенциальной энергии

Рассуждения Майера и опыты Джоуля доказали эквивалентность механической работы и теплоты, показав, что количество выделяемой теплоты равно совершённой работе и наоборот, однако, формулировку в точных терминах закону сохранения энергии первым дал Герман Гельмгольц[23]. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц связывал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей[30]. В своих рассуждениях он шёл от механистической концепции устройства материи, представляя её как совокупность большого количество материальных точек, взаимодействующих между собой посредством центральных сил. Исходя из такой модели, Гельмгольц свёл все виды сил (позднее получивших название видов энергии) к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (потенциальной энергии). Закон сохранения этих сил был им сформулирован в следующем виде[31]:

Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна.

В этой цитате под живой силой Гельмгольц понимает кинетическую энергию материальных точек, а под силой напряжения — потенциальную. Мерой произведённой работы Гельмгольц предложил считать половину величины mq² (где m — масса точки, q — её скорость) и выразил сформулированный закон в следующей математической форме[31]:

понимая под и скорости тела в положениях и соответственно, а под  — «величину силы, которая действует по направлению r» и «считается положительной, если имеется притяжение, и отрицательной, если наблюдается отталкивание…»[30] Таким образом, главным нововведением Гельмгольца стало введение понятия потенциальных сил и потенциальной энергии, что позволило в дальнейшем обобщить закон сохранения энергии на все разделы физики. В частности, опираясь на закон сохранения энергии, он вывел закон электромагнитной индукции Фарадея.

Введение термина «энергия»

Основная статья: История термина «энергия»

Переход от понятия «живой силы» к понятию «энергии» произошёл в начале второй половине XIX века и был связан с тем, что понятие силы уже было занято в ньютоновской механике. Само понятие энергии в этом смысле было введено ещё в 1807 году Томасом Юнгом в его «Курсе лекций по естественной философии и механическому искусству» (англ. «A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts»)[32][33]. Первое строгое определение энергии дал Уильям Томсон в 1852 году в работе «Динамическая теория тепла»[23][34]:

Под энергией материальной системы в определённом состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние

Философское значение закона

Открытие закона сохранения энергии оказало влияние не только на развитие физических наук, но и на философию XIX века. С именем Роберта Майера связано возникновение так называемого естественно-научного энергетизма — мировоззрения, сводящего всё существующее и происходящее к энергии, её движению и взаимопревращению. В частности, материя и дух в этом представлении являются формами проявления энергии. Главным представителем этого направления энергетизма является немецкий химик Вильгельм Оствальд, высшим императивом философии которого стал лозунг «Не растрачивай понапрасну никакую энергию, используй её!»[35]

Примечания

  1. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. — Издание 4-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 25. — 215 с. — («Теоретическая физика», том I). — ISBN 5-02-013850-9
  2. ↑ 1 2 Савельев И. В. Глава 3. Работа и энергия // Курс общей физики. Механика. — 4-е изд. — М.: Наука, 1970. — С. 89—99. — ISBN 5-17-002963-2
  3. ↑ Савельев И. В. Глава 9. Колебательное движение // Курс общей физики. Механика. — 4-е изд. — М.: Наука, 1970. — С. 228—229. — ISBN 5-17-002963-2
  4. ↑ Савельев И. В. Глава 9. Колебательное движение // Курс общей физики. Механика. — 4-е изд. — М.: Наука, 1970. — С. 234—235. — ISBN 5-17-002963-2
  5. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1979. — Т. I. Механика. — С. 123—147. — 520 с.
  6. ↑ 1 2 Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — С. 37—41.
  7. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Гидродинамика. — М., 1986. — С. 24—25. — («Теоретическая физика», том VI).
  8. ↑ 1 2 Г. Ламб Гидродинамика. — М., Л.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1947. — С. 36—38. — 928 с. — 8000 экз.
  9. ↑ J. D. Jackson. Classical Electrodynamics. — 2nd Ed. — John Wiley & Sons, Inc., 1975. — С. 189—190. — 848 с. — ISBN 047143132X
  10. ↑ И. Е. Тамм §92. Теорема Пойнтинга. Поток энергии // Основы теории электричества. — 10-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — С. 346—351. — 504 с. — 25 500 экз. — ISBN 5-02-014244-1
  11. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 364. — 688 с.
  12. ↑ 1 2 Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 45—49. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
  13. ↑ Д. И. Блохинцев. Основы квантовой механики. — 7-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2004. — С. 125—127. — 672 с. — 2000 экз. — ISBN 5-8114-0554-5
  14. ↑ Д. И. Блохинцев. Основы квантовой механики. — 7-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2004. — С. 94—97. — 672 с. — 2000 экз. — ISBN 5-8114-0554-5
  15. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 352. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
  16. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 362—368. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
  17. ↑ А. В. Петров. Законы сохранения в ОТО и их приложения. Конспект лекций.
  18. ↑ Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974. — Т. I (глава VI). — С. 148.
  19. ↑ 1 2 3 4 100 великих научных открытий / Д. К. Самин. — М.: Вече, 2002. — С. 90—93. — 480 с. — 25 000 экз. — ISBN 5-7838-1085-1
  20. ↑ Михаил Васильевич Ломоносов. Избранные произведения в 2-х томах. М.: Наука. 1986
  21. ↑ Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в. — М.: Наука, 1969
  22. ↑ В латинском тексте письма говорится о сохранении движения — в русском переводе речь идет о сохранении силы. В письме М. В. Ломоносов впервые объединяет в одной формулировке законы сохранения материи и движения и называет это «всеобщим естественным законом».
  23. ↑ 1 2 3 4 5 В. М. Дуков История формулировки закона сохранения энергии (рус.) // Физика : Учебно-методическая газета. — М.: Издательский дом «Первое сентября», 2002. — № 31/02.
  24. ↑ Sadi Carnot. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а développer cette puissance. — 1824. — 102 с. (русский перевод В. Р. Бурсиана и Ю. А. Круткова: Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу на сайте nature.web.ru)
  25. ↑ Sadi Carnot. Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à développer oette puissance. — Paris: Gauthier-Villar, Imprimeur-Libraire, 1878. — С. 94. — 102 с.
  26. ↑ Sadi Carnot. Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à développer oette puissance. — Paris: Gauthier-Villar, Imprimeur-Libraire, 1878. — С. 95. — 102 с.
  27. ↑ Donald S. L. Cardwell. James Joule: A Biography. — Manchester University Press, 1991. — С. 57. — 333 с. — ISBN 0-7190-3479-5
  28. ↑ James Prescott Joule. On the Calorific Effects of Magneto-Electricity, and on the Mechanical Value of Heat. — 1843. — 32 с.
  29. ↑ von J. R. Mayer Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur (нем.) // Annalen der Chemie und Pharmacie. — 1842. — Т. 42. — С. 233—240.
  30. ↑ 1 2 Кудрявцев, П. С. Открытие закона сохранения и превращения энергии // Курс истории физики. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Просвещение, 1982. — 448 с.
  31. ↑ 1 2 Hermann von Helmholtz. Über die Erhaltung der Kraft. — Berlin: Druck und Verlag von G. Reimer, 1847. — С. 17. — 72 с.
  32. ↑ Thomas Young. A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts: in two volumes. — London: Joseph Johnson, 1807. — Т. Vol. 1. — 796 с.
  33. ↑ Thomas Young. A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts: in two volumes. — London: Joseph Johnson, 1807. — Т. Vol. 2. — 738 с.
  34. ↑ William Thomson Kelvin. On the dynamical theory of heat. — 1852.
  35. ↑ Энергетизм // Философский энциклопедический словарь. — 2010.

dic.academic.ru

СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЗАКОН

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ ЗАКОН: в изолир. системе энергия системы остается постоянной, возможны лишь переходы одного вида энергии в другой. В термодинамике сохранения энергии закону соответствует первое начало термодинамики, к-рое выражается ур-нием Q = DU + W, где Q-кол-во сообщенной системе теплоты, DU-изменение внутр. энергии системы, W - совершенная системой работа. Частный случай сохранения энергии закона-Гесса закон.

Понятие энергии подверглось пересмотру в связи с появлением теории относительности (А. Эйнштейн, 1905): полная энергия E пропорциональна массе т и связана с ней соотношением Е = тс2, где с-скорость света. Поэтому массу можно выражать в единицах энергии и сформулировать более общий закон сохранения массы и энергии: в изо-лир. системе сумма масс и энергии постоянна и возможны лишь превращения в строго эквивалентных соотношениях одних форм энергии в другие и эквивалентно связанные друг с другом изменения массы и энергии.

Закон сохранения мех. энергии впервые сформулировал Г. Лейбниц в 1686, затем Ю. Майер в 1841, Дж. Джоуль в 1843 и Г. Гельмгольц в 1847 экспериментально открыли сохранения энергии закон в немеханических явлениях.

Лит.: Карапетьянц М.X., Химическая термодинамика, М., 1976.

С. И. Дракин.

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ ___

www.xumuk.ru

История формулировки закона сохранения энергии

Окончание. См. № 24/02

Начало установления количественной связи между работой и теплотой связано с именем молодого французского ученого Сади Карно (1796–1832). Карно – инженер по роду деятельности, физик по складу мышления – племянник замечательного ученого и государственного деятеля периода Великой французской революции Лазара Карно (1753–1823).

В 1814 г. Сади Карно окончил Политехническую школу в Париже, затем поступил в инженерные войска. В 1827 г. он был произведен в капитаны и вскоре вышел в отставку. О его научной деятельности, которую он совмещал с военной службой, известно очень мало. Зато вечную мировую славу завоевала опубликованная в 1824 г. его единственная небольшая книжка «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

В течение 10 лет никто не обращал внимания на эту брошюру, пока ее не «открыл» Клапейрон. Автора уже не было в живых

Интересные записки опубликовал брат Карно после его смерти. В них был, по существу, сформулирован в частной форме закон сохранения энергии. Карно писал в «Размышлениях»: «Тепло – это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила».

Таким образом, можно высказать общее предположение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движений, то другой, но никогда не исчезает.

Если «движущую силу» заменить словом «энергия», то перед нами – четкая формулировка закона сохранения энергии. В записках Карно сказано следующее: «По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла».

К сожалению, Карно не привел рассуждений, которые привели его к такому результату. Если единицей работы считать кг•м, а единицей теплоты – калорию, то эта оценка близка к полученной далее экспериментаторами.

Но для утверждения связи между работой и теплотой необходим был количественный эксперимент. Нужно было показать, что при затрате единицы работы получается всегда одно и тоже количество теплоты. Это продемонстрировал английский физик Д.П.Джоуль (1818–1889) в своих классических экспериментах, проведенных в 1850 г.

Джоуль родился в Сальфорде близ Манчестера. С ранних лет он проявлял необычайную любознательность и стремление раскрыть тайны природы путем постановки искусного эксперимента. Будучи владельцем большого винного завода (в ученых кругах его называли «пивоваром из Сальфорда»), он завел у себя хорошо оборудованную домашнюю лабораторию, в которой в течение многих лет проводил систематические исследования, направленные на всестороннее обоснование закона сохранения энергии. Его имя увековечено в названии основной единицы энергии.

Схема установки Д.Джоуля

Идейную основу этих довольно сложных в исполнении опытов легко усмотреть из схемы, изображенной на риcунке. Падающие с определенной высоты грузы приводили во вращение вертушку, помещенную в калориметр. Конструкция последнего была такова, что жидкость не могла вращаться всей своей массой, вертушка испытывала сильное сопротивление вращению, и жидкость нагревалась. Зная массу и теплоемкость калориметра, можно по повышению его температуры определить количество выделившейся теплоты: Q = cmDt. Совершенная при этом работа равна потенциальной энергии падающих грузов: А = mgh. Результатом этих опытов, которые затем многократно повторялись в других вариантах, стало знаменитое равенство:

1 Дж = 0,24 кал.

Это так называемый термический эквивалент работы.

Вместо термического эквивалента работы можно говорить о механическом эквиваленте теплоты и результат опытов Джоуля выражать равенством

1 кал = 4,18 Дж.

Заметим, что теплота – специфическая форма движения материи, подчиненная статистическим закономерностям. Энергия теплового движения качественно отлична от механической энергии, что проявляется при превращениях. Механическая энергия целиком переходит в тепловую, равенство 1Дж=0,24кал – результат эксперимента. Но обратный переход – необратимый процесс, – он протекает с потерями, рассеянием энергии, поэтому источник, который отдает количество теплоты, равное 1 кал, производит работу, меньшую 4,18 Дж. Разница переходит во внутреннюю энергию, так что соблюдается закон сохранения энергии

Установление всеобщего закона сохранения энергии и введение интернациональной системы единиц СИ привело к исключению понятия механического эквивалента теплоты. Измерение количества теплоты можно производить в Дж, так что в особой единице для тепловых измерений нет нужды.

3. Осознание общности закона

Начало XIX в. замечательно открытием множества явлений, демонстрировавших превращение сил природы. Первую роль здесь сыграл электрический ток с его химическими, тепловыми, магнитными и электродинамическими действиями. Отсюда умонастроение ученых, которое Фарадей выразил в следующем откровении: «Я давно придерживался мнения, ставшего почти убеждением, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение или, иными словами, так непосредственно связаны или взаимосвязаны, что они могут превращаться друг в друга и обладают в своих действиях эквивалентами сил».

Убеждение в единстве и взаимной превращаемости сил природы играет роль компаса, ведущего Фарадея в глубь неизведанного. По существу, Фарадей владеет законом сохранения энергии и использует его в качестве инструмента научного исследования.

Вот еще один пример. В «Экспериментальных исследованиях по электричеству» он пишет: «Контактная теория (речь идет о контактной теории гальванической эдс. – В.Д.) принимает, что сила, способная преодолеть мощные сопротивления, может возникнуть из ничего. Это было бы сотворением силы, что нигде не имеет места без соответствующего исчерпания того, что питает ее. Если бы контактная теория была верна, то следовало бы отрицать равенство причины и действия. Но тогда был бы возможен и perpetuum mobile».

Но наибольшего обобщения достиг немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878) – ученый с необыкновенными интуицией и воображением. Будучи судовым врачом, он провел физиологические наблюдения изменений цвета крови у матросов, перешедших из умеренного в тропический пояс. Майер пришел к выводу, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови – артериальной и венозной. Эта разница является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме» (подчеркнуто мною. – В.Д.).

Из области медицинских наблюдений Майер переходит к анализу физико-химических процессов и опирается при этом на закон сохранения сил. Свои размышления он оформил в виде статьи «О количественном и качественном определении сил» и послал в журнал. Редактор – известный физик К.Поггендорф – бросил статью неизвестного врача в корзину. Майер был вынужден печатать свои работы в журнале «Анналы химии и фармации», так что они стали известны физикам только после смерти автора.

Майер утверждал, что «движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Он ставит принципиальной важности задачи на закон сохранения энергии, например: «Как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равного ему по весу количеству воды от 0 до 1 °?»

Майер вычисляет из опытов над «сжатием воздуха», что одна калория эквивалентна поднятию одного килограмма на 0,365 м. При этом он использует уравнение состояния идеальных газов и вычисляет разность теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме. Поэтому равенство сp – сv = R, где R – универсальная газовая постоянная, носит его имя.

vСвои выводы о сохранении сил природы при превращениях Майер переносит на органическую природу. В частности, он развивает мысль о значении процесса ассимиляции в растениях для поддержания жизнедеятельности организмов. Внушительны его аргументы в опровержение распространенной тогда в науке теории о существовании особой жизненной силы.

В сочинении «Динамика неба» законы сохранения переносятся на космические явления. Вот отрывок из этой книги: «Часто и удачно Солнце сравнивают с непрерывно звучащим колоколом. Но что же поддерживает звучание этого небесного тела, столь величественно и чудесно наполняющего небесные пространства своими лучами, что поддерживает его в вечно неослабевающей силе и юности? Что предохраняет его от полного истощения, от наступления равновесия, дабы ночь и смертельный холод не заполнили пространства нашей планетной системы? Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе».

Статья подготовлена при поддержке кредитного потребительского кооператива «ДаНаЯ». Если Вы решили получить кредит для своих нужд, то оптимальным решением станет обратиться в кооператив «ДаНаЯ». Перейдя по ссылке: «помощь в получении кредита», вы сможете, не отходя от экрана монитора, узнать более подробную информацию о получении кредита и действующих акциях. В кооперативе «ДаНаЯ» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами в сфере кредитования населения.

Рядом с Майером стоит имя Джоуля. С такой же целеустремленностью он шел к всестороннему экспериментальному обоснованию общности закона сохранения энергии. Выше говорилось о его классическом опыте по определению термического эквивалента работы. Но его первое исследование было посвящено превращению электричества в теплоту. В работе 1841 г. «О теплоте, выделяемой металлическими проводниками электричества и элементами батарей при электролизе» он приходит к известному закону: Q=I2Rt.

Далее Джоуль перешел к другому виду превращения энергии. В работе «Об электрическом происхождении теплоты горения» он показал, что количество теплоты, выделяемой током в цепи, тождественно теплоте, которая может быть получена непосредственным окислением составляющих цепь металлов, включая водород. Отсюда ученый заключил, что теплота, выделяющаяся во внешней цепи гальванического элемента, является результатом превращения теплоты химических реакций.

Экспериментами, где электрический ток одновременно выделяет теплоту и производит механическую работу, Джоуль доказывает, что энергия сохраняется и при сложных превращениях.

vВ серии работ 1843 г. «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механической величине тепла» Джоуль открывает, что теплота, выделяющаяся в нагрузке магнито-электрического генератора имеет своим источником механическую работу. Он заставляет вращаться катушку между полюсами сильного магнита с помощью падающих грузов. Катушка была помещена в стеклянную трубку с водой, последняя выполняла роль калориметра. Возбуждаемый в катушке индукционный ток приводил к выделению теплоты и повышению температуры воды. Зная массу грузов и высоту падения, можно было определить затраченную энергию, а по величине массы воды и повышению ее температуры – полученное количество теплоты, отсюда получалось соотношение между джоулем и калорией – термический эквивалент работы: 1Дж=0,24 кал.

Далее Джоуль изучает непосредственное превращение механической работы в теплоту. Продавливая воду через узкие трубки, он сравнивает произведенную работу и выделившееся количество теплоты. Затем он сжимает воздух и измеряет затраченную при этом работу и полученное повышение его температуры. И во всех случаях он обнаруживает пропорциональность выделившегося количества теплоты произведенной работе.

4. Первая точная формулировка закона. Переход к понятию энергии

Хотя факт сохранения сил природы их многообразных превращений был установлен целым рядом независимых экспериментов, он не имел точного выражения, поэтому оставался неким утверждением философского толка, а физики середины XIX в. скептически относились к таким утверждениям, тем более что публиковались они не профессионалами.

Необходимо было сформулировать закон в точных понятиях и дать ему математическое выражение. Это сделал Герман Гельмгольц (1821–1894).

Гельмгольц родился в Потсдаме, в семье учителя гимназии. Мать его происходила из семьи английских эмигрантов. Стесненный семейный бюджет не позволил талантливому юноше поступить в университет, пришлось выбрать карьеру врача. В казармах Постдама Гельмгольц начал физиологические исследования, одновременно изучая труды классиков физики.

Он быстро вышел на путь самостоятельного творчества и обобщений. Молодой военный врач публикует в 1847 г. книгу «О сохранении силы», которая сразу сделала его известным физиком. Однако это мало повлияло на его карьеру.

По рекомендации Гумбольта Гельмгольц получил место ассистента в анатомо-физиологическом музее Берлина, но его успехи в науке столь впечатляющи, что его через год приглашает Кеннингсбергский университет на должность профессора анатомии и физиологии.

Постепенно растет удельный вес физической тематики в его исследованиях, и Гельмгольц становится главой немецкой физической школы. Он поразительно разносторонен: наряду с работами по обоснованию закона сохранения энергии, исследования по термодинамике, по электродинамике химических процессов, по механике вихревых движений в жидкостях, оптические, физические и физиологические исследования, основополагающие труды по физиологии слуха и зрения. Он первый измерил теплообразование в мышцах, скорость распространения нервных импульсов. Вместе с тем Гельмгольц был блестящим популяризатором науки.

В поисках математической формулировки закона сохранения сил природы Гельмгольц опирался на последовательно механическую концепцию: материя представляет собой совокупность материальных точек, между которыми действуют центральные силы. Целью физической науки, согласно Гельмгольцу, является сведение явлений природы к движению и взаимодействию материальных точек, притягивающихся или отталкивающихся силами, зависящими от расстояния между ними.

Если исходить из такой модели материи, то все виды сил (энергии) можно свести к двум: живым силам движущихся материальных точек (энергии движения) и силам напряжения (энергии положения). Тогда закон сохранения сил (энергии) можно сформулировать так: «Когда тела природы действуют друг на друга с силами притяжения или отталкивания, не зависящими от времени и скорости, то сумма их живых сил и сил напряжения остается постоянной. Максимум работы, которую можно получить, является, таким образом, определенным, конечным».

М.Планк в своей книге «Принцип сохранения энергии» следующим образом поясняет идею Гельмгольца: «Преобразование принципа живой силы, принятое Гельмгольцем для того, чтобы превратить его в принцип сохранения силы, заключается в том, что в уравнение, выражающее соотношение живой силы L и работы А, произведенной действующими силами L + А = const, он вводит вместо понятия работы А понятие количества сил напряжения U, равное и противоположное по знаку величине работы А. Сила напряжения, так же как и работа, зависит только от мгновенного состояния системы, и вышеуказанное уравнение можно сформулировать следующим образом: сумма количества живой силы и силы напряжения остается неизменной во времени: L + А = const. Если мы эту сумму коротко обозначим как силу, заключенную в системе, то тем самым мы получим закон сохранения силы.

Как ни незначительным кажется, на первый взгляд, это преобразование, перспектива, которую он открывает во всех областях физики, чрезвычайно велика, ибо возможность его обобщения для любых явлений природы легко бросается в глаза. Главное основание для такого обобщения заключается в том, что принцип сохранения силы выступает параллельно с давно уже известным и, так сказать, перешедшим в инстинкт, принципом сохранения материи. Так же, как количество содержащейся в системе тел и измеряемой их весом материи не может быть никакими средствами уменьшено или увеличено, какие бы различные физические и химические превращения не происходили в системе, так и количество содержащейся в системе силы представляет собой самостоятельную, совершенно неизменную величину. Сила, так же как и материя, может быть представлена в многообразных формах, но прежде всего она проявляется в двух основных формах: как живая сила и как сила напряжения. Обе эти формы могут выступать различнейшим образом: живая сила – как видимое движение, как свет, теплота; сила напряжения – как поднятие тяжести, как упругое напряжение, как электрическое напряжение».

Особый интерес в этом пояснении представляет указание Планка на аналогию законов сохранения материи и энергии.

Сформулировав закон, Гельмгольц далее рассматривает его действенность во всех разделах физики. Один из примеров применения закона сохранения энергии, который он рассматривает в своем мемуаре «О сохранении силы», вошел в учебники физики: это вывод закона электромагнитной индукции, опирающийся на закон сохранения энергии.

Кроме Майера, Джоуля и Гельмгольца обоснованием закона сохранения силы и измерениями механического эквивалента теплоты занимался целый ряд других исследователей. Тем не менее вся эта гигантская волна интеллектуальных усилий не привлекала внимания маститых физиков. Резкий перелом произошел в начале второй половины XIX в., и он совпал со временем введения в лексикон физики понятия энергии.

Интерес к закону прогрессивно возрастал, естественно, стали задумываться над двойным использованием фундаментального понятия силы. Физики, конечно, не путали лейбницевскую «живую силу» с ньютоновской, но неудобство такого раздвоения понятия было очевидно. И тогда вспомнили, что еще в 1807 г. в «Лекциях по естественной философии» Т.Юнг вместо понятия «живой силы» пользовался понятием энергии. Последнее было единодушно принято ведущими физиками мира. В 1852 г. в работе «Динамическая теория тепла» В.Томсон дал первое определение энергии: «Под энергией материальной системы в определенном состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние».

Несколько позже Максвелл дал простое и точное определение энергии как способности системы совершать работу, подчеркнув неразрывность связи понятий энергии и работы. Анализ этой связи привел в итоге к современному пониманию работы как процесса, приводящего к созданию источника энергии.

В 1883 г. Гельмгольц ввел в физику понятия свободной и связанной энергий. В своей классической работе «Термодинамика химических процессов» он писал: «Подобно тому, как теплота может превращаться в работу частично, так же в случае химических процессов должно быть принято разделение между частью сил химического сродства, способных к превращению в другие формы и той частью, которая может превращаться только в теплоту. Я позволю себе обозначить обе эти части энергии, как свободную и связанную энергии».

Г.Гесс (1802–1850) на основании многочисленных опытных исследований пришел к важному следствию закона сохранения энергии: тепловой эффект химических реакций не зависит от их промежуточных стадий, а определяется только начальным и конечным состояниями реагирующей системы.

Независимость процессов преобразования энергии от их промежуточных ступеней явилась одним из выражений общей характерной особенности закона сохранения, его своеобразного удобства: при научных исследованиях отпадала необходимость анализа стадий превращений энергии, их механизмов, качества материальных объектов, участвующих в этих превращениях.

Так постепенно начало складываться представление об энергии как общей количественной мере движения и взаимодействия всех видов материи. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но общее ее количество остается неизменным.

fiz.1september.ru


Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>