Закон сохранения энергии в макроскопических процессах

Энергией называется единая мера различных форм движения. Мы так часто пользуемся этим термином в своей повседневной жизни, что не задумываемся о том центральном месте, которое занимает это понятие в струк­туре современного естествознания, являясь, по существу, фундаментом всего здания современной физики.

Энергия проявляется во множестве различных форм. Обыкновенная заводная игрушка, с которой связано наше детство, обладает энергией. Энергия приводит в движение автомобиль, обогревает дома, дает возможность производить всевозможные изделия, добывать необходимые полезные ископаемые, изготавливать удобрения и т. д. Мы уже при­выкли к рекламным роликам и знаем, что нам покупать на прилавках магазинов, чтобы в стольких-то калориях получить «свежее дыхание» или «заряд бодрости на целый день». Кусочек шоколада, булка хлеба и другие продукты питания обладают энергией. Весной все вокруг зеленеет и расцветает, и это тоже следствие того, что растения потреб­ляют солнечную энергию. Все живое вокруг обязательно должно потреблять энергию, чтобы жить.

Нашим однопланетянам повезло. Потому что без энер­гии, излучаемой Солнцем, не было бы жизни на планете Зем­ля. Миллиарды лет тому назад Солнце пробудило жизнь на Земле и неустанно поддерживало ее, щедро посылая нам свою энергию. Однако подобное расточительство когда-либо окончится, запасы водорода, обеспечивающие протекание реакций термоядерного синтеза на Солнце, в конце концов, иссякнут. Перед человечеством неизбежно возникнет про­блема переселения, возможно, даже в другую галактику. Важно найти звезду, более молодую, и разместиться на удобной планете неподалеку от нее. Думать об этом не

мешало бы уже сейчас. Вот почему проблема освоения кос­моса является глобальной проблемой, стоящей перед чело­вечеством.

Но все это задачи далекого будущего. А сегодня нас волнует вопрос использования энергетических ресурсов Земли. Мы постоянно слышим, что цивилизация человече­ского общества связана со все увеличивающимся ростом потребления энергии. Запасы топлива — нефти, угля, дре­весины и др. не безграничны. И на повестку дня ставит­ся вопрос о дальнейшем развитии атомной энергетики.

Мы с удовольствием характеризуем известных нам людей, говоря: «Очень энергичный молодой человек» или «С Вашей-то энергией горы своротить можно».

Итак, энергия проявляется во всех этих формах. Соб­ственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую озна­чает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращает­ся в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное по­нятие естествознания. Оказывается, что при любых процес­сах, происходящих в изолированной системе, полная энер­гия системы не изменяется. То есть переход энергии из од­ной формы в другую происходит с соблюдением количест­венной эквивалентности. Для количественной характери­стики различных форм движения вводятся соответствую­щие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепло­вая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явления­ми природы, исключений из него науке неизвестно.

3.1. «Живая сила»

Характерно, что, являясь центральным понятием в физике, само формирование понятия энергии есть вместе с тем история открытия закона сохранения и превращения энергии. Так что в структуру физической теории понятие энергии вошло лишь к середине XIX века.

Термин в качестве физического понятия

встречается у Аристотеля. Аристотель был первым антич­ным философом, создавшим понятийный аппарат для оп-

ределения того, что есть движение. Движение трактуется Аристотелем как средний термин, как переход от возмож­ности к действительности, от потенции к деятельности. Термин употребляется Аристотелем для ха-

рактеристики деятельности по осуществлению способности, то есть переход от потенции в ее реализацию, деятельность (например, строительство). Можно было бы сделать вывод о том, что прямой связи между Аристотеля и

современным содержанием этого понятия нет. Однако су­щественным является то, что появляется у Аристотеля именно в связи с попыткой охарактеризовать движение в качестве общей категории, описывающей все виды, роды движения.

Само представление о превращениях различных видов движения, о неуничтожимости движения содержится и в древней мифологии, и в философии Древней Греции и Во­стока. Идея о неуничтожимости и несотворимости движе­ния возродилась в Новое время и стала принимать более определенные, научные формы в XVII веке.

В связи с изучением механического движения и форми­рования механистической исследовательской программы мысль о неуничтожимости и несотворимости движения была первоначально сведена к представлению о несотвори­мости и неуничтожимости именно механического движе­ния. Изучение механического движения сразу же привело к дилемме, какой величиной «mV» или «mV₂» следует из­мерять механическое движение и какая из этих величин сохраняется в процессе взаимодействия тел? Здесь m озна­чает массу тела, а величина V — скорость тела. Величина «mV» введена Декартом и названа им количеством дви­жения. Величина «mV²» введена Лейбницем и названа «живой силой» — «vis viva», хотя еще ранее в теории уп­ругого удара Гюйгенсом и Вреном было установлено сохра­нение величины «mV²». Чтобы проследить генезис этих понятий в физике, рассмотрим случай удара двух, напри­мер, бильярдных шаров. Два шара массами m₁и m₂ дви­жутся со скоростями V₁ и V₂ и сталкиваются. Скажем, пер­вый шар догоняет второй. После удара они движутся уже с другими скоростями U₁ и U₂. Спрашивается, что сохраня­ется при взаимодействии шаров.

Декарт утверждал, что справедливо следующее равен­ство:

Гюйгенс, Лейбниц и ряд других ученых считали, что сохраняется «живая сила» и справедливо равенство:

Между последователями Декарта и Лейбница возник спор о том, какому из понятий следует отдать предпочте­ние при изучении механического движения, какая из вели­чин сохраняется в процессе взаимодействия — количество движения или «живая сила»? Разрешение этой полемики последовало только с открытием закона сохранения при превращении механической энергии в другие формы движе­ния. При исследовании удара двух тел было установлено не только сохранение «живой силы» в случае упругого удара, но и потеря ее при неупругом ударе. Приоритет это­го открытия принадлежит Валлису.

Надо отметить, что понятие «живой силы» коренным образом отличалось от понятия силы в ньютоновской ме­ханике. Ньютоновская сила имеет свое конкретное место в системе понятий физики и рассматривается как причи­на изменения состояния движения тела. Ньютон подчер­кивал внешний по отношению к материи характер меха­нических сил, то есть в понятии силы заключалась мысль о внешнем источнике движения, отделенном от материи. Именно такое понимание приводит к представлению о раз­личных силах, рассматриваемых в качестве внешних аген­тов, в качестве активного начала, приводящего в движение пассивную материю. Отсюда и название «живая сила», ко­торая связывается с представлением об активном начале любого движущегося тела, в противоположность «мертвой силе», активном начале, запасенном в каком-либо покоя­щемся теле.

Понятие силы играет центральную роль в механике Нью­тона. Сам Ньютон не ставил перед собой задачи о создании механики, которая выводилась бы из какого-либо принципа сохранения некоторой меры движения. Что касается «живой силы», то Ньютон обращал внимание на факт несохранения движения в случае неупругого удара или трения.

Таким образом, хотя наука XVII века выработала пред­ставление об энергии в виде «живой силы», а более чем

через 100 лет, в 1829 году, Кориолис рассмотрел величину, равную половине «живой силы» mV²/2, которая определяет кинетическую энергию в современной структуре научного знания; понятие энергии, как, впрочем, и понятие работы, отсутствовали в механике Ньютона и вплоть до XIX века не фигурировали в учебниках физики.

Термин «энергия» в смысле динамической переменной появился лишь в 1807 году в работе Юнга «Курс лекций по натуральной философии», понятие «работ» подробно развито в труде Ж.В. Понселе «Введение в индустриаль­ную механику».

Юнг ввел понятие энергии для обозначения «живой силы», не выводя это понятие за рамки механистического описания явлений природы. Сама задача расширения этого понятия на другие формы движения, задача категориаль­ного обоснования этого понятия и установления отличия его от понятия количества движения стала возможной лишь благодаря исследованиям переходов немеханическо­го движения в другие виды движения. Усилиями ученых XVII-XIX веков были открыты и качественно исследова­ны связи между:

- механическим движением и теплотой;

- химическими явлениями и электричеством;

- механическим движением и электричеством;

- электричеством и магнетизмом;

- химическими явлениями и теплотой;

- теплотой и электричеством и т. д.

Результаты этих исследований и привели к открытию закона сохранения и превращения энергии. Остановимся вкратце на рассмотрении этих результатов.