§ 18. Закон сохранения и превращения энергии

Механическая энергия (см. § 17) является лишь одним из многих видов энергии. В настоящее время кроме механической энергии известны химическая, электрическая, электромагнитная (в частности, лучистая), ядерная и другие виды энергии, с которыми мы ознакомимся в соответствующих разделах курса. В природе и технике постоянно имеют место переходы (превращения) энергии из одних видов в другие. Приведем примеры процессов, сопровождающихся превращением энергии, объединив их для наглядности в таблицу. При рассмотрении таблицы следует не забывать, что при любых превращениях энергии некоторая ее часть непременно превращается в теплоту (энергию беспорядочного движения молекул); это обстоятельство в таблице не отражено.

(см. скан)

Полная энергия системы складывается из всех присущих системе видов энергии. Опыт показывает, что какие бы превращения энергии ни происходили в изолированной системе,

величина полной энергии изолированной системы оапается постоянной:

При этом,

будучи несозидаемой и неуничтожаемой, энергия может превращаться из одних видов в другие.

Эти положения являются наиболее общей формулировкой закона сохранения и превращения энергии: в ней отражены основные свойства энергии — количественная неизменность и качественная изменчивость.

Применительно к неизолированным системам закон сохранения и превращения энергии формулируется так:

изменение энергии неизолированной системы равно работе совершаемой системой:

Если работа совершается внутренними силами самой системы, то и энергия системы убывает. Если же работа совершается внешними силами над системой, то и энергия системы возрастает. К более углубленному рассмотрению закона сохранения и превращения энергии мы еще вернемся в связи с изучением термодинамических процессов (см. ч. II, гл. XI).

Следует подчеркнуть, что закон сохранения и превращевия энергии является результатом обобщения многовекового опыта и имеет большую историю. Идея этого закона была выражена еще в 1748 г. М. В. Ломоносовым в его законе сохранения материи и движения, изложенном им впервые в письме к Эйлеру: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько кто часов положит на бдение, столько же от сна отнимет. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оную у себя теряет, сколько сообщает другому, которое у него движение получает».

Последующие работы по изучению взаимосвязи процессов: механических и тепловых (Деви — 1800 г., Карно — 1824 г., Якоби — 1834 г.), химических и электрических (Вольта — 1799 г.), механических и электрических (Фа-радей — 1831 г., Ленц — 1833 г.), химических и тепловых (Гесс — 1840 г.), тепловых и электрических (Пельтье — 1834 г., Джоуль — 1841 г., Ленц.- 1842 г.) и обобщающие исследования Майера (1842-1845 гг .) и Гельмгольца (1847 г.) - привели к установлению всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Датой его окончательной формулировки можно считать 1860 г., когда Кельвин ввел термин «энергия» вместо термина «сила природы».

Закон сохранения и превращения энергии является всеобщим законом природы, не имеющим исключений; вновь открываемые процессы и явления лишь подтверждают его. Однако именно ввиду всеобщности закона он не имеет общего теоретического доказательства и может быть теоретически выведен только для частных случаев (конкретных процессов).

Рассмотрим в качестве примера частного доказательства закона сохранения и превращения энергии падение тела на Землю с высоты на которой оно первоначально покоилось (рис. 27). В данной задаче систему тело — Земля можно считать изолированной. Ее полная энергия в любом состоянии равна сумме потенциальной энергии тяготения кинетической энергии тела и кинетической энергии Земли Имеется в виду кинетическая энергия «падения» Земли: Земля смещается навстречу телу, но это смещение столь мало, что в обычных расчетах никогда не принимается во внимание.

Рис. 27

В начальном состоянии поэтому

В процессе падения тела потенциальная энергия системы, уменьшаясь, переходит в кинетические энергии тела и Земли. Поэтому для некоторого состояния 2 системы можно написать:

где смещение Земли, ускорение на этом смещении, — масса Земли, скорости движения (падения) тела и Земли. Так как

Тогда

Поэтому

Следовательно, т. е. полная энергия системы в состоянии состоянии 2 одинакова. Поскольку состояние 2 выбрано совершенно произвольно, можно утверждать, что вообще полная энергия этой системы остается постоянной. А это утверждение соответствует закону сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии раскрывает физический смысл понятий энергии и работы. Рассматривая движение материи в широком смысле этого слова как всякий процесс, всякое изменение материи (а не только ее механическое перемещение), можно сказать,

что энергия есть количественная и качественная характеристика движения материи, а работа — количественная характеристика превращения одних форм движения материи в другие. Именно так определял понятие работы Ф. Энгельс: «Работа — это изменение формы движения материи, рассматриваемое с его количественной стороны». Таким образом, работа и энергия — различные физические величины, хотя они и имеют одинаковые единицы измерения.