Энергия как мера движения
Симметрия, симметрично протекающие процессы широко распространены в природе. Наиболее наглядным и часто приводимым примером симметрии служит снежинка: угол между гранями снежинки составляет 120, потому что в молекуле воды два атома водорода образуют угол около 120 с вершиной в атоме кислорода.
Кристаллическая решетка льда состоит из множества таких молекул, расположенных с удивительной правильностью, и отражает их симметрию. Симметрии мы можем наблюдать повсюду в процессах, явлениях, объектах окружающего нас мира: день - ночь, восход - заход, прилив - отлив, северный и южный полюса, симметричное строение растений и животных. Симметрия имеет место и в искусстве стихосложения. В естественнонаучных теориях и математике существует множество симметрий. Учение о симметрии, как известно, исторически было разработано, главным образом, минерологами и математиками.
Математика описывает симметрию при помощи теории групп, относящейся к высшим разделам алгебры. Значительный вклад в ее разработку внесла выдающаяся женщина-математик Эмма Нетер. Теория групп - это одно из многих созданий математики XIX в., нашедших широкое применение в науке.
Она является неотъемлемой частью физики и химии, и прежде всего разделов этих наук, исследующих тонкие симметрии молекул и кристаллов и их энергетических состояний. Группа симметрии любого предмета состоит из операций, которые можно производить над ним: поворотов на 90, отражений в плоскости и т.д. Повторяющаяся решетка может обладать симметрией, как и любой предмет. Операции симметрии, применимые к предметам, распространяются и на бесконечные решетки. Вместе с тем такие решетки остаются внешне неизменными под действием ряда других операций симметрии. Одна из них - "трансляция" - сдвиг решетки в каком-то направлении. Каждую решетку можно разделить на повторяющиеся ячейки. Сдвиг на одну ячейку - операция симметрии.
|
|
|
Принцип симметрии лежит в основе физики элементарных частиц и проявляется в существовании "пар" - частицы и античастицы, а также во взаимопревращаемости частиц. Первым было открыто превращение электрона и позитрона в кванты электромагнитного поля - фотоны, и обратный процесс "порождения" пар из фотонов, обладающих достаточно большой энергией. Принцип симметрии заключен также в теории кварков, с которой связаны проблемы систематизации элементарных частиц. Согласно названной теории (или, вернее сказать, гипотезе) частицы состоят из "кварков".
Открыто 6 кварков и 6 антикварков: которые, комбинируясь по три или два, образуют элементарные частицы: нейтрон, протон, пи-мезон. Свободные кварки не наблюдались. Самую смелую идею симметрии высказал Альберт Эйнштейн: скорость света должна быть одинаковой для всех наблюдателей независимо от того, с какой скоростью они движутся.
|
|
|
Эйнштейн в явном виде сформулировал постулат о симметрии пространства, то есть об эквивалентности направлений и различных точек пространства. Замечательная идея симметрии заключена в фундаментальной теореме, доказанной Э. Нетер году и носящей теперь ее имя. Эта теорема утверждает, что существование любой конкретной симметрии - в пространстве-времени, степенях свободы элементарных частиц и физических полей - приводит к соответствующему закону сохранения. Согласно теореме Нетер, из инвариантности (неизменности, независимости) относительно сдвига во времени (что выражает физическое свойство равноправия всех моментов времени - однородность времени) - следует закон сохранения энергии; относительно пространственных сдвигов (свойство равноправия всех точек пространства - однородность пространства) - закон сохранения импульса; относительно пространственного вращения - осевая симметрия (изотропность пространства)- закон сохранения момента импульса. В широком смысле взаимодействие - категория, отражающая процессы воздействия объектов друг на друга, их взаимную обусловленность и порождение одним объектом другого. Естествознанию известны четыре типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое.
|
|
|
Сильное действует на крайне коротких расстояниях между частицами в атомных ядрах и обеспечивает "склейку" ядер. Интенсивность слабого взаимодействия, обусловливающего бета-распад, на 10-11 порядков меньше интенсивности ядерных сил. Электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз слабее сильного, однако радиус его практически не ограничен. Самым слабым является гравитационное взаимодействие, его интенсивность составляет всего лишь 10 в -43 степени от интенсивности электромагнитного.
Гравитация наблюдается на макроуровне и, очевидно, не играет роли в мире элементарных частиц, хотя, возможно, его природа до конца нам неизвестна. Согласно существующим представлениям указанные четыре вида фундаментальных взаимодействий осуществляются путем обмена соответствующими частицами: электромагнитное - фотонами, гравитационное - гипотетическими гравитонами (экспериментально пока не установленными), сильное - пи-мезонами, слабое предположительно переносят векторные бозоны.
|
|
|
Причем только гравитационное взаимодействие порождает притяжение между одинаковыми частицами, остальные три вида взаимодействий обусловливают отталкивание одноименных частиц. Итак, взаимодействие - это объективная и универсальная форма движения, развития, которая определяет существование и структурную организацию любой материальной системы. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности являются одними из основополагающих в теоретической физике. Принцип суперпозиции позволяет получать результирующий эффект от наложения (суперпозиции) нескольких независимых воздействий как сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности.
Он справедлив для систем и полей, описываемых линейными уравнениями; очень важен в механике, теории колебаний и волновой теории физических полей.
В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям: если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя или несколькими волновыми функциями, то она может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций. Принцип неопределенностей впервые сформулировал немецкий физик В. Гейзенберг в виде соотношения неточностей (неопределенностей) при определении сопряженных величин в квантовой механике, который теперь обычно называют принципом неопределенности.
Суть принципа неопределенности состоит в том, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения. Он, этот принцмп, отражает двойственную корпускулярно-волновую природу элементарных частиц и теоретико-вероятностное, статистическое описание их взаимодействий.
Согласно принципу дополнительности Нильса Бора при экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Эти данные, полученные при взаимодействии микрообъекта с соответствующими измерительными приборами, "дополняют" друг друга.
Неотъемлемым свойством (атрибутом) материи является движение; оно неуничтожимо как сама материя. Мерой движения материи является энергия. С научной точки зрения различают две формы энергии - потенциальную и кинетическую.
Потенциальная энергия, заключенная в пище или топливе, представляет собой химическую энергию, запасенную в этих веществах (скрытая энергия). К потенциальной энергии системы относится только та часть внутренней энергии, которая способна совершать работу. Мы постоянно наблюдаем превращение одного вида энергии в другой.
Химическая энергия угля, выделяемая при его сгорании, превращается в тепло и энергию излучения. Химическая энергия автомобильного топлива при его сгорании преобразуется в кинетическую энергию молекул газа, которая переходит в полезную механическую энергию. Любое превращение энергии сопровождается ее частичной потерей: КПД преобразования всегда ниже 100%. При сгорании угля только примерно 20% химической энергии превращается в полезное тепло; КПД электродвигателя около 80%.
Закон сохранения энергии обычно звучит так: "энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно". Способы передачи тепловой энергии от одной области к другой и превращение тепла в другие формы энергии исследует термодинамика (буквально "движение тепла"). В процессе тепловых превращений температура, давление и объем - все вместе или по отдельности - могут различным образом изменяться.
Термодинамика занимается математическим описанием этих и других параметров, предсказывая направление их изменений. Развитие термодинамики явилось следствием промышленной революции, начавшейся в 60-е годы XVIII века и связанной, прежде всего, с созданием первой паровой машины, первого паровоза. В результате были созданы специальные лаборатории для исследования веществ и тепловых процессов, стала развиваться термодинамика, которая первоначально занималась превращениями теплоты, а затем включила в круг своих вопросов превращение энергии во всех ее формах.
Кинетическая энергия газов объясняет, почему при смешивании нагретого и холодного газов их температура, в конце концов, выравнивается, и устанавливается некоторое среднее ее значение. Молекула нагретого газа посредством тысяч столкновений передает свою кинетическую энергию молекулам холодного газа, пока средние кинетические энергии обоих газов не сравняются. Все молекулы движутся с различными скоростями, величины которых, меняются после каждого столкновения.
Поэтому температура газа (или любого другого вещества) является мерой средней кинетической энергии молекул. Изменения состояния, которые вещество претерпевает при нагревании, также можно объяснить на основе кинетической теории. В твердом теле атомы или молекулы прочно связаны друг с другом и колеблются только около каких-то средних положений. При нагревании тела кинетическая энергия его молекул или атомов возрастает, и они начинают колебаться более интенсивно.
В результате расстояние между частицами увеличивается, и наконец силы притяжения, действующие между ними, оказываются не в состоянии удерживать их вблизи фиксированных положений. Молекулы могут теперь скользить и меняться местами, - твердое тело плавится, превращаясь в жидкость. Количество теплоты, необходимое для превращения вещества, находящегося в прочносвязанном состоянии, в слабосвязанное жидкое состояние, называется теплотой плавления. Если поступление теплоты продолжается, то кинетическая энергия атомов или молекул возрастает: они движутся внутри жидкости с все большей скоростью.
Вместе с тем увеличивается число молекул, оторвавшихся от поверхности жидкости (растет давление пара). Когда температура достигает точки кипения, число оторвавшихся настолько возрастает, что давление пара сравнивается с атмосферным. Для превращения жидкости в точке кипения в газ требуется определенная энергия, которая называется теплотой парообразования.
Кроме изменения состояния вещества при поступлении теплоты происходит постепенное повышение температуры тела. Теплота измеряется в джоулях или калориях. Количество теплоты, необходимое для увеличения температуры одного грамма любого вещества на 1С, называется удельной теплоемкостью вещества.
Количество теплоты, необходимое для нагревания определенного количества вещества на 1С, называется теплоемкостью данного количества вещества. Теплота может передаваться от одного тела (или части его) к другому тремя способами: путем теплопроводности, конвекции и излучения.
В прочно связанном твердом теле столкновения происходят только между соседними атомами, поэтому передача тепла в твердом теле обусловлена теплопроводностью. Жидкая или газообразная среда обладает подвижностью, и сама может перемещаться как целое, перенося атомы в более холодные области, где они передают тепло другим атомам, - это конвекция.
Однако тепло может передаваться и без непосредственного контакта между атомами. Например, солнечное тепло достигает Земли, несмотря на почти абсолютный космический вакуум. В основе термодинамики лежат несколько законов или начал термодинамики.
Если смотреть исторически, то сначала были открыты три закона, получившие название первого, второго и третьего начал термодинамики. Затем было установлено нулевое начало. Нулевое начало утверждает, что если каждое из двух тел находится в тепловом равновесии с неким третьим телом, то между ними также существует тепловое равновесие.
Первое начало термодинамики сформулировано так: "количество тепла Q, полученное системой, идет на приращение ее внутренней энергии (U2 - U1) и на производство внешней работы А. В середине XIX века английский ученый Джоуль установил эквивалентность механической работы (А) и теплоты(Q): где J - механический эквивалент теплоты - постоянная, не зависящая от способа и вида устройств для превращения работы в теплоту.
То есть, при всевозможных взаимных превращениях различных видов энергии переход от одного вида энергии в другой совершается в строго эквивалентных количествах; в изолированной системе сумма энергий есть величина постоянная. Таким образом, общее уравнение первого начала можно записать так: И, наконец, дадим третью формулировку первого закона: внутренняя энергия изолированной системы постоянна.
Согласно второму началу само по себе тепло может переходить только от горячего тела к холодному, то есть процесс передачи тепла происходит направленно (постулат Клаузиуса). Передача тепла ускоряет движение молекул в более холодном теле, увеличивая внутренний "беспорядок" в нем. Следовательно, должен существовать какой-то параметр системы, который характеризовал бы ее внутреннее состояние (порядок или беспорядок) и принимал бы разные значения в начале и конце процесса (дозволенного первым началом). Таким параметром является энтропия.
Впервые понятие энтропии было введено Клаузиусом в 1860 году. Он математически определил энтропию как сумму приведенных теплот. Клаузиус посчитал, что энтропия подобно энергии, давлению, температуре характеризует состояние газа, т. е. является параметром состояния системы.
Когда к газу подводится некоторое количество теплоты Q, то энтропия возрастает на величину, равную S = Q / T, где Т - температура газа. Установлено, что все тепловые машины, способные совершать работу, потребляют больше энергии, чем превращают в полезную работу.
Даже если энергия не теряется за счет трения или не излучается, как в радиаторе отопления, полезная механическая энергия всегда оказывается меньше энергии, полученной от источника тепла. Энтропия системы отражает существование этой "недоступной" энергии.
Увеличение "недоступной" энергии означает переход атомов в более неупорядоченное состояние, и мерой "недоступной" энергии служит энтропия.
Клаузиус показал, что в термически изолированных системах энтропия при обратимых процессах не изменяется, а при реальных и необратимых - ее изменение всегда положительно.
Поэтому она является как бы мерой отклонения реальных процессов от идеальных. Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия изолированной системы может только возрастать или оставаться постоянной. Третье начало термодинамики утверждает, что вещество невозможно охладить до абсолютного нуля. В этом случае все молекулы прекратили бы свое движение, и их энергия стала бы равной нулю. Поэтому молекулы всегда находятся в непрерывном движении, называемым "тепловым".
Интенсивность возрастает при нагревании тела. Косвенные доказательства существования такого движения впервые были получены Робертом Броуном в 1827 г. Он обнаружил, что маленькие частицы пыльцы, взвешенные в воде, совершают непрерывные скачкообразные движения. Такое движение, возникает в результате неравномерной бомбардировки каждой частички молекулами жидкости. Чем меньше частица, тем интенсивнее её движение.
Третье начало термодинамики может быть сформулировано в виде постулата Планка: "Любое вещество имеет определенную положительную энтропию, при абсолютном нуле энтропия может стать равной нулю, она равна нулю для чистых, правильно образованных кристаллических веществ".
Поведение системы во времени можно представить как некоторую последовательность состояний. Каждое состояние характеризуется давлением, температурой и объемом.
Замкнутая последовательность состояний называется тепловым циклом. В цикле система может совершить полезную работу. Теоретически максимальное значение КПД такой "тепловой машины" достигается в цикле Карно, названном так в честь открывшего его французского инженера Сади Карно. Машину, работающую циклически и в которой производится больше работы, чем потребляется тепла, называют вечным двигателем.
Первое начало термодинамики утверждает, что это невозможно, а второе начало отрицает даже возможность превращения тепла в точно эквивалентное ему количество механической работы. Второе начало термодинамики показывает неравноценность взаимного превращения тепла и работы: работу можно полностью превратить в тепло - тепло полностью превратить в работу нельзя.
В природе имеет место т.н. фундаментальная асимметрия: однонаправленность всех самопроизвольно происходящих процессов. Об этой асимметрии, выделенной Клаузиусом и Кельвином, говорят все окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, но распределение энергии меняется необратимым способом.
Распространение принципа возрастания энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса и Кельвина к гипотезе "тепловой смерти Вселенной".
Уильям Томсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. Все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим.
Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом: Вселенная рассматривается как замкнутая система, и эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Клаузиус делает выводы о том, что: Энергия мира постоянна. Распределение энергии стремится по вероятности к равновесному состоянию, которому соответствует максимум энтропии.
Энергия мира стремится к максимуму энтропии. Ландау и Лившиц считали, что мир как целое должен рассматриваться "не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия".
Дата добавления: 2015-12-20; просмотров: 27; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!