КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1. Опыты Джоуля дали количественное доказательство эквивалентности теплоты и работы. Эквивалентность означает, что отношение количества теплоты к величине работы, которые вызывают одно и то же наблюдаемое изменение в системе (например, повышают ее температуру на 10°С), всегда одинаково. В метрической системе оно равно 4,1858 Дж/кал.

2. В механике энергия является полезной величиной для «бухгалтерских» расчетов. Кинетическая энергия связана со скоростью тела и равна , где m — масса тела и v — его скорость. Гравитационная потенциальная энергия равна mgh, где m — масса, g — ускорение свободного падения и h — высота в поле тяжести. Другой вид потенциальной энергии — энергия упругой деформации — связан с изгибанием лука, растяжением пружины и сжатием упругого шарика. Кроме того, существуют разновидности потенциальной энергии, связанные с различными магнитными, электрическими и химическими явлениями.

3. В механических системах, подобных прыгающему шарику и качающемуся маятнику, которые являются идеальными и консервативными, трение и диссипация отсутствуют и движение никогда не прекращается. В таких системах энергия часто периодически переходит из одной формы в другую и обратно. Например, гравитационная потенциальная энергия прыгающего шарика в процессе падения переходит в кинетическую.

Во время столкновения с поверхностью кинетическая энергия превращается в энергию упругой деформации, которая затем снова переходит в кинетическую. В процессе отскакивания шарика вверх кинетическая энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.

4. В идеальной консервативной механической системе полная механическая энергия остается постоянной, если система не взаимодействует со средой посредством совершения работы. Система может терять механическую энергию, если она совершает работу над средой, и получать энергию, если среда совершает работу над системой. Когда тело поднимают в поле тяжести Земли, его потенциальная энергия возрастает на величину, равную работе, совершенной над телом. Эту работу можно получить обратно, возвращая тело в его исходное положение. Подобные рассуждения приводят к привлекательному, но сильно упрощенному определению энергии как способности системы совершать работу.

5. Джоуль количественно показал, что работа может приводить к изменению температуры системы, не увеличивая ее механическую (кинетическую или потенциальную) энергию. Это приводит к представлению о том, что система имеет внутреннюю энергию, связанную с температурой, кинетическую энергию, связанную с ее скоростью, и потенциальную энергию, связанную с ее положением в поле тяжести.

6. Из-за наличия трения реальные системы теряют кинетическую и потенциальную энергию. С потерей кинетической и потенциальной энергии всегда связано увеличение внутренней энергии, что обычно отражается в повышении температуры. Мы делаем вывод, что прекращение движения в реальных системах всегда связано с преобразованием механической энергии во внутреннюю. Например, совершив работу, можно поднять шарик в поле тяжести Земли. Если отпустить шарик, он будет прыгать вверх и вниз; при этом кинетическая, гравитационная энергии и энергия упругой деформации будут переходить друг в друга. По мере постепенного уменьшения высоты подскока шарика его температура повышается. Когда в конце концов шарик остановится, вся его первоначальная гравитационная потенциальная энергия, равная работе поднятия шарика, перейдет во внутреннюю энергию. Полная энергия, включая внутреннюю, после совершения начальной работы остается постоянной. Таким образом, при учете внутренней энергии любую изолированную систему можно считать консервативной. Другими словами, полная энергия системы остается постоянной в отсутствие взаимодействий.

7. Эквивалентность теплоты и работы означает, что тепловое взаимодействие также может изменить внутреннюю энергию системы, поскольку оно приводит к повышению или понижению температуры (либо к изменению фазы или химического состава).

Таким образом, мы приходим к общему энергетическому соотношению, которое для очень малых изменений имеет вид

Любое изменение dE полной энергии системы равно количеству теплоты поглощенному системой, минус работа выполненная системой. Это утверждение называется первым началом термодинамики. Запомните его — нарушить его невозможно!