§ 14. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

сумма его кинетической энергии движения и потенциальной энергии взаимодействия: E_мех = E_к + E_п.

в замкнутой системе тел, между которыми действуют только силы тяготения и упругости (при отсутствии сил трения и сопротивления), полная механическая энергия сохраняется постоянной: E_мех = E_к + E_п = const (или ΔE_мех = 0).

при наличии сил трения или неупругих соударений механическая энергия не исчезает бесследно, а переходит во внутреннюю энергию соприкасающихся тел (их температура повышается): |ΔE_мех| = ΔU.

сумма механической энергии E_мех и внутренней энергии всех тел системы U: E_полн = E_мех + U.

система тел, которая не взаимодействует с внешними телами (нет внешних сил, работа A = 0) и не обменивается с ними теплом (теплообмен с окружающей средой отсутствует, Q = 0).

во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому, при этом её полное значение остаётся постоянным.

работа внешних сил над системой, Q — количество теплоты, переданное системе. Если система изолирована (A = 0, Q = 0), то её внутренняя энергия сохраняется (ΔU = 0), откуда следует уравнение теплового баланса: Q_отд = Q_пол.

Немецкий врач, естествоиспытатель и физик, один из первооткрывателей фундаментального закона сохранения и превращения энергии, впервые теоретически обосновавший механический эквивалент теплоты.

• В 1842 году первым в истории науки сформулировал всеобщий закон сохранения и превращения энергии, доказав, что механическое движение и теплота способны эквивалентно переходить друг в друга.
• Работая судовым врачом во время плавания на остров Ява, обратил внимание на изменение цвета венозной крови матросов в тропиках и связал выработку организмом теплоты с потреблением кислорода и механической работой.
• Теоретически рассчитал численное значение механического эквивалента тепла на основе разности удельных теплоёмкостей газов при постоянном давлении и объёме, заложив основу классической термодинамики.

Выдающийся английский физик-экспериментатор, один из основоположников термодинамики, экспериментально доказавший закон сохранения энергии и определивший механический эквивалент теплоты.

• Провёл серию классических высокоточных опытов с опускающимися грузами и вращающимися в калориметре с водой лопастями, экспериментально доказав прямое превращение механической работы во внутреннюю энергию.
• С высочайшей для своего времени точностью измерил механический эквивалент тепла, установив строгое количественное соотношение между затраченной механической работой и выделившимся количеством теплоты.
• В его честь названа международная единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ) — джоуль (Дж).

Выдающийся немецкий физик, математик, физиолог и естествоиспытатель, давший строгую математическую формулировку всеобщему закону сохранения энергии и распространивший его на все физические явления.

• В 1847 году в фундаментальном трактате «О сохранении силы» математически обосновал закон сохранения энергии для механических, тепловых, электрических и электромагнитных процессов.
• Доказал невозможность создания вечного двигателя (perpetuum mobile) любого типа и сформулировал фундаментальное положение о неуничтожимости движения и сил природы в изолированных системах.
• Объединил идеи Майера и прецизионные опыты Джоуля в стройную математическую теорию, превратив закон сохранения энергии в краеугольный камень современной физики и естествознания.

Закон сохранения механической энергии гласит: в изолированной системе тел, между которыми действуют только силы тяготения и силы упругости, полная механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной энергий) остаётся неизменной: E_к + E_п = const.

Полной энергией системы тел называют сумму её механической энергии (кинетической и потенциальной энергии тел системы) и внутренней энергии всех составляющих систему тел (кинетической и потенциальной энергии движения и взаимодействия их молекул): E_полн = E_мех + U.

Изолированной (замкнутой) называют систему тел, которая не испытывает внешних механических воздействий со стороны окружающих тел (работа внешних сил равна нулю) и не обменивается энергией с окружающей средой путём теплопередачи (теплообмен равен нулю).

Применительно к тепловым процессам закон сохранения энергии утверждает: изменение внутренней энергии системы тел равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе (ΔU = A + Q). Энергия не исчезает и не появляется из ничего, а лишь переходит от одних тел к другим или превращается из механической во внутреннюю и наоборот. В изолированной системе тел суммарное количество теплоты, отданное остывающими телами, в точности равно количеству теплоты, полученному нагревающимися телами (уравнение теплового баланса: Q_отд = Q_пол).