Эволюция закона сохранения массы - энергии - материи

13.3. Эволюция закона сохранения массы - энергии - материи.

Все многообразие окружающего нас мира нужно рассматривать, как проявление свойств материи. Материя существует вне нас, она отображается и познается нашими органами чувств. Качественная формулировка закона сохранения материи как неучтожимой и несотворимой основы всего существующего была известна еще с античных времен.

Материя не существует вне движения и наоборот, движение не существует без материи. Качественная формулировка этого положения существовала до начала нашей эры.

В настоящем курсе мы рассмотрены и введены меры, характеризующие количество матери - массу и движение материи - энергию.

С появлением математического аппарата в физике появились и математические формулировки законов сохранения массы и энергии. Закон сохранения массы был сформулирован французским химиком А.Л. Лавуазье (1743-1794) в конце 18-го века. Он не требует специальных комментариев. Закон сохранения энергии трансформировался на протяжении полутора веков. Первоначально немецкий ученый Г.В.Лейбниц (1646-1716) сформулировал закон сохранения для механической энергии. В его формулировке утверждалось, что сумма потенциальной и кинетической энергии замкнутой системы остается постоянной во времени.

.

Первоначально теплота и механическая энергия рассматривались независимо друг от друга. Теплоту считали невидимой жидкостью, которая могла перетекать от горячего тела к холодному при контакте. До сих пор сохранились отголоски такого представления; например, говорят о “перетекании” тепла, о “теплоемкостях”. Интересно, что в рамках имеенно такого представления о теплоте Н.Л.С.Карно (1796-1832) удалось разработать теорию тепловых машин.

Первым на эквивалентность теплоты и работы обратил внимание немецкий ученый - естествоиспытатель и врач Ю.Р.Майер (1814-1878). В медицине в то время часто применялось кровопускание. Майер обратил внимание на то, что цвет крови человека меняется при изменении температуры внешней Среды температуры. В тропиках, где температура выше, цвет крови был более алым. Кровь содержала больше кислорода, который необходим для работы мышц тела. Проанализировав эти факты, Ю.Р.Майер пришел к выводу, что чем больше теплоты подводится в систему, тем меньше требуется затрат энергии из самой системы на совершение работы. Он в 1842 году рассчитал механический эквивалент теплоты.

Позднее на основе этих положений был сформулирован закон сохранения энергии, который называется первым началом термодинамики. Этот закон гласит, что теплота Q, подводимая к системе идет на совершение системой работы A и на изменение внутренней энергии системы DU. Математически первое начало термодинамики записывается так:

.

Таким образом, к середине 19-го века были окончательно сформулированы законы сохранения массы и энергии, которые трактовались как законы сохранения материи и движения.

В начале 20-го века оба эти закона подверглись коренному пересмотру в связи с появлением специальной теории относительности. Как уже отмечалось релятивистская масса зависит от скорости, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. В разделе 12.3 выведена самую знаменитую формула 20-го века - формулу (12.10), связывающую массу и энергию тела:

.

В специальной теории относительности естественным образом слились законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классической механике порознь. По отдельности эти законы не выполняются. Невозможно охарактеризовать количество материи (ее массу), не учитывая движения (взаимодействия) материи. Это является отражением философской концепции о неразделимости материи и движения.

Формулу  иногда ошибочно интерпретируют, как тождественность массы и энергии. Это не правильно. Данная формула означает, что между энергией (мерой движения) и массой (мерой количества матери) существует взаимосвязь. Энергия и масса могут взаимно превращаться друг в друга. Количественное соотношение, определяющее этот переход и дается формулой (13.4).

В настоящее время обобщенный закон сохранения энергии можно сформулировать в следующем виде. Полная энергия замкнутой системы, включающая энергию, эквивалентную массе этой системы, не изменяется во времени.

Естественно, что вплоть до наших дней, до развития такой области физики, как атомная и ядерная физика, нельзя было найти отклонения от законов сохранения массы и энергии в их первоначальных формулировках. Конечно, если мы увеличим скорость тела, то его масса изменится. Но, для реальных тел макроскопического размера никакими весами и сейчас мы не сможем найти изменение этой массы. Например, если скорость движения человека массой 100 кг равна 100 м/с, то его энергия движения равна 1000000 Дж. Эта энергия эквивалентна массе 10^-11 кг, которую невозможно определить никакими современными методами на фоне собственной массы в 100 кг. Этот пример показывает, что на современном этапе развития техники как правило можно пользоваться старой формулировкой закона сохранения энергии.

Приведем еще один пример, показывающий, когда нужно применять новую формулировку закона сохранения энергии, и позволяющий дать интерпретацию нового закона сохранения энергии. При делении ядра урана сумма масс дочерних ядер меньше исходного ядра. Разность этих масс в соответствии с формулой (13.4) переходит в кинетическую энергию осколков деления - дочерних ядер. Масса системы (т.е. ядра) уменьшается, но увеличивается кинетическая энергия системы. Энергия при полном делении всего 1 г урана как раз и равна энергии взрыва бомбы над Хиросимой в 1945 году.

Эволюция закона сохранения энергии интересна с двух точек зрения. С одной стороны, законы сохранения, будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются в постоянной экспериментальной проверке, в уточнении. Нельзя быть уверенным, что с расширением пределов человеческого опыта данный закон (или его конкретная формулировка) останутся справедливыми и не потребуют уточнения границ, в рамках которых они остаются справедливыми. С другой стороны, в законе сохранения энергии теснейшим образом переплелись физика и философия. Этот закон, все более уточняясь, постепенно превратился из абстрактного и неопределенного философского высказывания в точную количественную формулу.

Другие законы сохранения (импульса, момента импульса, заряда и т.д.) возникли практически сразу в количественной формулировке и не  требовали в дальнейшем уточнения.

Похожие работы

Концепции современного естествознания

Скачать

508393

2

1

... инерциальных системах отсчета. Пространственно-временной континуум – неразрывная связь пространства и времени и их зависимость от системы отсчета. Тема 11. Основные концепции химии   1. Химия как наука, ее предмет и проблемы Важнейшим разделом современного естествознания является химия. Она играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К ...

Экзаменационные вопросы и билеты по концепции современного естествознания за осенний семестр 2000 года

Скачать

29368

0

0

... сущность теории химической эволюции и биогенеза. Опишите историю открытия и изучения клетки. Зав. кафедрой -------------------------------------------------- Экзаменационный билет по предмету КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Билет № 30 Назовите и охарактеризуйте междисциплинарные естественные науки. Сформулируйте третий закон механического движения Ньютона. Каким ...

Курс Концепции современного естествознания

Скачать

157302

0

0

... вещей (»арден 1987: 53-68, Назаретян 1991: 60, Абдеев 1994: 150- 160). Атрибутивная концепция информации - информация как мера упорядоченности структур и их взаимодействий на всех стадиях организации материи (Абдеев 1994: 162). Одна из самых сложных проблем современного естествознания - функционирование отражения в неживом мире (существует ли в неживом мире опосредующее звено между ...

Основы концепции современного естествознания

Скачать

42356

0

0

... , или концепция биогенеза). В XIX веке ее окончательно опроверг Л. Пастер, доказав, что появление жизни там, где она не существовала, связано с бактериями (пастеризация – избавление от бактерий). 3. Концепция современного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. 4. Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из ...