ПРЕВРАЩЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ПОЛНАЯ ЭНЕРГИЯ СИСТЕМЫ
В курсе физики 7 класса было изучено фундаментальное свойство механического движения: потенциальная энергия тел может превращаться в кинетическую и наоборот. Если в системе действуют только силы тяготения и упругости, а силы трения и сопротивления воздуха отсутствуют, то суммарная механическая энергия системы остаётся неизменной:
Однако в реальных природных и технических процессах силы трения присутствуют всегда. Брошенный мяч постепенно останавливается, раскачивающийся маятник затухает, а соскользнувший со снежной горки саночник неизбежно тормозит. Механическая энергия движущихся тел убывает.
Куда же исчезает эта «потерянная» энергия? Физические опыты дают однозначный ответ: она не исчезает бесследно, а переходит в другую качественную форму — во внутреннюю энергию тел. Вспомним классический опыт с падением массивного свинцового шара на свинцовую плиту: шар останавливается, теряя всю свою кинетическую энергию, но в момент абсолютно неупругого удара шар и плита нагреваются и деформируются. Скорость беспорядочного теплового движения молекул внутри свинца возрастает.
Таким образом, для полного описания состояния материальной системы физика вводит понятие полной энергии:
- Полная энергия системы тел ($E$) — это сумма её механической энергии (кинетической энергии движения тел как единого целого и потенциальной энергии их взаимодействия) и внутренней энергии (энергии хаотического движения и взаимодействия всех микрочастиц внутри тел):
ИЗМЕНЕНИЕ ПОЛНОЙ ЭНЕРГИИ И ИЗОЛИРОВАННАЯ СИСТЕМА
Полная энергия материальной системы не является застывшей раз и навсегда. Её можно изменить ровно двумя фундаментальными путями:
- Совершением над системой механической работы $A$ внешними силами (например, сжатием газа поршнем или трением);
- Сообщением системе некоторого количества теплоты $Q$ в процессе теплопередачи.
Математически изменение полной энергии системы выражается соотношением:
Если материальная система защищена от внешних механических воздействий (работа внешних сил $A = 0$) и теплоизолирована от внешней среды (теплообмен отсутствует, $Q = 0$), такая система называется изолированной (замкнутой).
Для изолированной системы тел изменение полной энергии строго равно нулю:
Внутри изолированной системы могут происходить бурные физические процессы, в ходе которых одна форма энергии переходит в другую. Если в замкнутой системе совершается работа против внутренних сил трения, то убыль механической энергии в точности равна приросту её внутренней энергии:
Сколько джоулей механической энергии потеряла система из-за трения или удара, ровно столько же джоулей внутренней энергии приобрело вещество в виде нагревания.
ВСЕОБЩИЙ ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ПРИРОДЕ
Обобщение колоссального массива астрономических наблюдений, химических реакций и физических экспериментов привело науку к открытию величайшего фундаментального закона природы:
- Закон сохранения и превращения энергии: Во всех явлениях и процессах, происходящих в природе, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть бесследно; она лишь переходит от одного тела к другому или превращается из одной формы в другую в строго эквивалентных количествах.
Этот закон носит абсолютный, всеобъемлющий характер: он одинаково непоколебимо действует в масштабах далёких галактик, в термоядерном горниле звёзд, в работе двигателей автомобилей и в биохимических реакциях живой клетки.
Научный подвиг первооткрывателей:
Создание закона сохранения энергии во второй половине XIX века неразрывно связано с именами трёх выдающихся учёных:
- Немецкий врач и физик Юлиус Роберт Майер (1814–1878) первым сформулировал идею сохранения и взаимопревращения сил (энергии) в природе, исследуя газообмен и температуру крови моряков в тропиках.
- Английский физик-экспериментатор Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) провёл серию тончайших высокоточных измерений и экспериментально доказал механический эквивалент тепла, измерив, сколько джоулей работы нужно затратить на нагревание 1 кг воды на 1 °C.
- Немецкий учёный-энциклопедист Герман фон Гельмгольц (1821–1894) дал закону сохранения энергии строгую математическую формулировку и распространил его на механические, тепловые, электрические и электромагнитные явления.
ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ: ТЕПЛОТА И РАБОТА
В подавляющем большинстве тепловых процессов механическое положение системы как целого не изменяется — сосуды с газом или калориметры стоят неподвижно в лаборатории, а их механическая энергия остаётся постоянной ($\Delta E_{\text{мех}} = 0$).
В этом случае закон сохранения энергии принимает форму, известную в термодинамике как первое начало термодинамики:
- Физический смысл закона: Изменение внутренней энергии тела или системы тел ($\Delta U$) равно сумме работы внешних сил $A$ над системой и переданного системе количества теплоты $Q$.
Наглядный практический пример:
Представим себе цилиндрический сосуд с газом под массивным подвижным поршнем:
- Если мы сжимаем поршень, совершая механическую работу $A = 1000 \text{ Дж}$ ($1 \text{ кДж}$), и одновременно подогреваем дно сосуда горелкой, передавая газу теплоту $Q = 1000 \text{ Дж}$ ($1 \text{ кДж}$), то внутренняя энергия газа увеличится на сумму этих воздействий: $\Delta U = 1000 + 1000 = 2000 \text{ Дж}$ ($2 \text{ кДж}$). Газ ощутимо нагреется.
- Если же система является изолированной ($\Delta E_{\text{мех}} = 0$, внешняя работа не совершается $A = 0$, и сосуд помещён в идеальный термос $Q = 0$), то её суммарная внутренняя энергия остаётся неизменной: $\Delta U = 0$.
Если внутри такой теплоизолированной системы соприкасаются горячие и холодные тела, они обмениваются теплом между собой. Так как полная внутренняя энергия системы не меняется, уменьшение энергии остывающих тел в точности компенсируется увеличением энергии нагревающихся тел:
Таким образом, уравнение теплового баланса, изученное в § 12, представляет собой прямое следствие великого закона сохранения энергии в приложении к изолированным тепловым системам.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Полная энергия системы ($E$): Сумма макроскопической механической энергии и микроскопической внутренней энергии: $E = E_{\text{мех}} + U$.
- Переход энергий при трении: Механическая энергия не исчезает, а из-за сил трения и деформаций превращается во внутреннюю энергию (теплоту): $\Delta E_{\text{мех}} = -\Delta U$.
- Способы изменения энергии: Совершение механической работы ($A$) и процесс теплопередачи ($Q$): $\Delta E = A + Q$.
- Изолированная система: Система, не обменивающаяся с внешней средой теплом ($Q = 0$) и механической работой ($A = 0$). В ней полная энергия строго постоянна: $E = \text{const}$.
- Всеобщий закон сохранения энергии: Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она лишь передаётся от одного тела к другому или превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах.
- Первооткрыватели закона: Р. Майер (идея взаимопревращения), Дж. Джоуль (точные опыты и механический эквивалент тепла), Г. Гельмгольц (математическая теория).
- Тепловой баланс и термодинамика: При $\Delta E_{\text{мех}} = 0$ изменение внутренней энергии подчиняется первому началу: $\Delta U = A + Q$. Для теплоизолированной системы при отсутствии внешней работы $\Delta U = 0$, откуда вытекает уравнение теплового баланса $Q_{\text{отд}} = Q_{\text{пол}}$.