Энергия

Термин «энергия» в буквальном переводе с древнегреческого языка означает деятельный. Считается, что в язык науки он введен англичанином Я. Юнгом (1733—1829), одним из основоположни-

ков волновой теории света, автором гипотезы о поперечности световых волн и формулировки принципа интерференции (1801).

Однако широкое распространение этого термина в языке науки связывают с именем другого английского физика, У. Томсона (1824—1907), больше известного под именем У. Кельвин. С присуждением в 1892 г. ему титула барона

за заслуги в развитии мировой и английской науки он стал именовать себя Кельвином (название реки перед его домом). Дж. Дж. Томсон (1856— 1940) — родной сын У. Кельвина — также является выдающимся физиком: дважды лауреат Нобелевской премии, открыл электрон (1897), измерил его заряд (1898), построил в 1903 г. первую модель атома.

У. Кельвин разработал абсолютную шкалу температуры, открыл ряд физических эффектов, носящих его имя, и исследовал проблему рассеяния (диссипации) энергии в связи с изучением вопросов устройства Вселенной на энергетическом уровне. Со времени создания Г. Галилеем, в начале XVII в., термометра было предложено несколько шкал температур. Связь между абсолютной температурой по Кельвину (Т) с температурой по шкале Цельсия (t) проводится по формуле: Т = 273,16 + t; t = Т- 273,16.

В каждой из этих шкал была нулевая точка температуры, но в шкале Кельвина эта точка имела уже энергетический смысл.

Шкала Г. Д. Фаренгейта (1686—1736). В этой шкале 0° — температура смеси льда, талой воды и поваренной соли, 32°F — это точка таяния льда, 92°F — температура человеческого тела. Шкала шведского астронома, врача Андреса Цельса (1701—1744) была создана в 1742 г. В ней 0° — температура кипения воды при нормальном давлении, 100° — температура таяния льда. Шведский биолог К. Линей (1707—1788) переставил эти точки в обратном порядке и получил шкалу, которую называют шкалой Цельсия (С). Принцип шкалы У. Томсона (Кельвина) разработан в 1848 г. В шкале Кельвина точке 0° соответствует 273,16°К и называется она точкой абсолютного нуля. Это 1/273,16

— часть температуры тройной точки воды: льда, воды и пара. Так как температура в классической термодинамике характеризует интенсивность движения частиц (элементов), составляющих термодинамическую систему, то при достижении термодинамической системой точки абсолютного нуля кинетическая энергия этих частиц тv 2/2 и их потенциальная энергия (mgh) в сумме будет равна нулю (0), где m — масса частиц (элементов), v — их скорость, g — гравитационная постоянная, А — высота в соответствующей системе отсчета.

Энергия в этом случае не исчезает, а как бы «замораживается», становится

неспособной, как полагал У. Кельвин, к выходу из этого состояния за счет внутренних энергетических ресурсов, т. е. без воздействия внешних сил. В конце ХХ в. российскими учеными проводились исследования по охлаждению атома в специально созданной установке. Это охлаждение достигло точки, близкой к абсолютному нулю, но физические свойства атома, по существу, оставались как и при обычной комнатной температуре.

Работы в этой области продолжаются и сегодня, результаты этих работ могли

бы пролить свет на физику образования атомов в далеком прошлом Солнечной системы и Вселенной в целом.

Исторически в понятие энергии вкладывался, как правило, абсолютный смысл.

В частности, говорили о физической силе, лежащей в основе всего существующего в мироздании. Например, в споре XVII в. о жизненной силе Р. Декарт утверждал, что «количество движения в мире является неизменным и постоянным». Г. Лейбниц также полагал, что «жизненная сила» как «внутренняя природа тел» не теряется при их взаимодействии. По существу, они обсуждали кинетическую энергию, т. е. энергию движущего тела, оставляя вопрос об энергетической природе самих частиц (корпускул), из которых, как они считали, состоят все тела в мире.

Представление об энергии как жизненной силе распространялось рядом исследователей не только на неживые, но и живые тела. Немецкий исследователь Ю. Майер, о котором уже говорилось выше, стал рассматривать в работах 1842—

1845 гг. жизнедеятельность организмов как превращение некой универсальной силы из одного вида энергии в другой: «растения поглощают одну силу — свет и порождают другую силу — химическую разность» (из работы «Органическое движение и обмен веществ» 1845 г.). Он не пользовался термином «энергия». К началу ХХ в. образовалась школа, получившая название школы энергетизма, ярким представителем которой был крупный ученый-химик У. Оствальд (1853—

1932). В этой школе энергия трактовалась в абсолютном смысле: все есть проявление энергии. Энергия — «царица мира», единственная физическая реальность, все в мире есть результат эволюции энергии, включая живое и атомы.

Но в этой школе не было математических, количественных представлений физической связи между так понятой энергией с веществом, физическим полем, атомом, электроном и открыты-

ми в XIX в. катодными лучами, а также рентгеновским и радиоактивным излучениями.

В начале ХХ в. А. Эйнштейн выразил эту связь в своей знаменитой формуле: Е

= тс 2, где Е— энергия, т — масса, с — скорость света.

Физический смысл этой формулы: масса — это энергия, энергия имеет массу. Оба закона сохранения массы и сохранения энергии объединяются в один закон, закон сохранения массы — энергии.

Этот закон был сформулирован до возникновения квантовой механики, физики элементарных частиц, т. е. физики микромира в целом, и был ответом на ряд вопросов, вытекающих из идеи представления энергии в абсолютном смысле, а именно: каков физический смысл связи энергии и массы? как распространяется энергия — минимальными порциями или непрерывно? На первый вопрос отвечает формула Е = тс 2. На второй — гипотеза М. Планка(1858—1947) о квантах энергии. На третий — уже физика элементарных частиц конца ХХ и начала XXI в.

Новизна классической термодинамики состоит в том, что она придала понятию энергии конкретный физический смысл. Энергия термодинамической системы рассматривается здесь как энергетическое состояние, которое складывается, образуется из энергии всех составляющих ее элементов.

В этой теории исследуется внутренняя энергия термодинамических систем и законы превращения и обмена энергией при физическом взаимодействии систем

такого типа. Тепло и работа в этой теории понимается как формы передачи и

обмена энергией, а не самой энергией: тепло — хаотическое движение элементов термодинамической системы, работа — направленный процесс упорядочения элементов системы. Для того чтобы изменить внутреннюю энергию термодинамической системы, нужно подвести к ней тепло или совершить над ней работу с помощью внешних сил. При таком исследовании энергетических процессов все термодинамические системы делятся: на а) закрытые (изолированные) и б) открытые. Закрытые системы не обмениваются энергией с окружающей средой. Открытые системы не изолированы от окружающей среды. Например, клетка в многоклеточных организмах как термодинамическая система является, с одной стороны, изолированной системой относительно параметров поддержания ее целостного строения и, с другой — открытой, поскольку она обменивается

энергией с другими клетками организма. Классическая механика также имеет дело с открытыми и закрытыми системами, но в ней речь идет об энергии в форме механического движения, а не в форме тепла.

Все термодинамические системы согласно классической термодинамике могут находиться в трех состояниях: стационарном, равновесном и неравновесном.

Стационарное состояние означает, что параметры системы не меняются во времени. Равновесное состояние имеет место, когда термодинамические параметры имеют одинаковое значение для всех элементов системы. В исследовании может учитываться и один параметр. Неравновесное состояние означает, что значение исследуемых параметров распределено неравномерно между элементами системы. Исследуя связь между термодинамическими параметрами различных термодинамических систем, классическая термодинамика сформулировала основные законы обмена, передачи и сохранения энергии и дала им статистическое обоснование. Эту теорию называют феноменологической теорией (от слова «феномен» — явление), поскольку в ней

не учитывается конкретный физический состав термодинамической системы.