Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики

Создание
классической физики, начатое и осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII-XVIII веках,
получило логическое завершение только в конце XIX века.
Параллельно с развитием механики, в XVIII веке
разрабатываются представления о тепле. Так, один из разделов в тепле —
термометрия, получил развитие в начале XVIII века
благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.

Наибольшее
распространение получила система (шкала) измерения температур по Цельсию, отправными реперами в которой
послужили температуры замерзания и парообразования воды, принятые Цельсием за 0
и 100 градусов. Познание явлений, связанных с теплом, привело не только к новой ветви классического физического
естествознания — термодинамической, но и позволило ввести и по-новому
осмыслить ее такие ключевые понятия как теплота, энергия и их взаимосвязь.

Из
всех физических терминов и понятий, пожалуй, самым известным является энергия (от греч. energia —
деятельность). Это слово прочно вошло в обиход всех людей, и, естественно,
употребляя слово «энергия», большинство не знает, что энергия является одним из
самых фундаментальных понятий в физике и что с энергией связаны свойства
пространства-времени. Среди множества законов природы своей универсальностью
выделяются законы сохранения. Среди них один из самых фундаментальных законов —
закон сохранения энергии. Как
установили ученые, сохранение энергии связано
с однородностью времени, что
можно упрощенно и образно представить как неизменность темпа времени в разные
моменты его течения.

Открытие
закона сохранения энергии связывают с именами нескольких ученых, а именно,
считают, что Р. Май-ер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц сформулировали закон
сохранения и превращения энергии. Открытию закона сохранения и превращения
энергии способствовали экспериментальные и теоретические работы в области
тепловых процессов, физиологии и самой физики, что, в конечном итоге, привело к
созданию науки, получившей название термодинамика.
Одной из таких великих работ является труд французского физика и
инженера Сади Кар-

но (1796-1832 гг.) «Размышления о
движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Работа Карно и
явилась началом термодинамики, предложенный им термодинамический способ решения
задач используется и в современной физике. В своей работе Карно практически дал
формулировку закона сохранения энергии, используя понятие тепло: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее,
движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела.» Движущая сила
существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда
не создается и не уничтожается.»». С этого момента времени тепло, теплота, тепловая энергия становятся
предметом пристального внимания и изучения учеными многих специальностей —
физиков, химиков, врачей и т. д.

Физиология
того времени также отказывается от таинственных жизненных сил и пытается
описать жизненные процессы естественным образом. В 1840 г. петербургский
академик Герман Гесс формулирует положение о сохранении количества теплоты,
выделяющейся при химических реакциях независимо от способов перехода, если
только физическое состояние веществ не изменяется. Это положение означало, что
химики уже практически подошли к открытию закона сохранения энергии.

К
середине XIX века
наука стояла на пороге открытия закона сохранения энергии. Английский физик
Джеймс Джоуль (1818-1889) в 1841 г., а российский академик физик и
электротехник Эмилий Ленц (1804-1865 гг.) в 1842 г., изучая тепловое действие
электрического тока, открывают независимо друг от друга закон о количестве
выделяющегося тепла, который получил впоследствии имя Джоуля-Ленца. Более того,
хотя Ленц не сформулировал, как таковой, закон сохранения энергии, он неявно
этот закон использовал в своих исследованиях. В 1845 г. н

мецкий врач и ученый Роберт Майер
(1814-1878 гг.) написал работу, в которой подробно исследовал различные виды
сил (энергий): механическую силу, силу падения (не до конца осознавая, что она
является некоторым видом потенциальной энергии), теплоту, электричество,
химическую силу. Он составил таблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев
перехода одной формы движения (силы, энергии) в другую, анализируя их на основе
закона сохранения. (Кстати, Р. Майер высказал фундаментальную гипотезу о том,
что основным источником энергии на Земле является Солнце. С его точки зрения,
любое растение является химической лабораторией, в которой происходит
преобразование солнечной энергии в химическую. Это явление, получившее название
фотосинтеза, было успешно изучено
российским ученым Климентием Тимирязевым).

В
1851 г. Майер пишет работу «Замечания о механическом эквиваленте теплоты», в
которой, в частности, защищает свой приоритет перед Джоулем в открытии закона
сохранения и превращения энергии. Дело в том, что Джоуль, параллельно с Р.
Майером и выдающимся немецким
ученым-энциклопедистом Германом Гельмгольцем, работал над законом
сохранения энергии в экспериментальном плане. Многочисленные опыты Джоуля
показали, что механическая энергия
превращается в теплоту, и определили механический эквивалент теплоты. Из
работ Джоуля следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в
движении частиц. И в этом месте повествования об энергии поставим простой, даже
примитивный вопрос: Что это такое — энергия? Такого же простого ответа дать
невозможно.

Энергия
существует во всевозможных формах. Есть энергия, связанная с движением
(кинетическая энергия);

энергия, связанная с гравитационным
взаимодействием (энергия тяготения); тепловая, электрическая и световая
энергии; энергия упругости в пружинах, химическая энергия, ядерная энергия и,
наконец, энергия, которой обладает частица (всякое тело) в силу своего
существования -эта энергия пропорциональна массе и рассчитывается по знаменитой
формуле Эйнштейна Е = тс² (формула возникла в
механике специальной теории относительности Эйнштейна, см п. 4.1).

Итак,
существует много видов энергии, и ученые выяснили достаточное количество
информации об их взаимосвязи. Например, сейчас мы знаем, что тепловая энергия
тела это есть, по сути, кинетическая энергия хаотического движения частиц в
теле. Упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение
-электромагнитное взаимодействие между атомами и молекулами. Очевидно, с каждым
из четырех видов фундаментальных взаимодействий (гравитационным,
электромагнитным, слабым и сильным) можно связать соответствующую энергию, но,
вероятно, энергетические соотношения являются даже более универсальными, чем
взаимодействия. Эйнштейн считал, что гравитация порождается энергией, в силу
того, что энергия эквивалентна массе, а масса ответственна за гравитацию (будет
изложено в пп. 4.1 и 4.4). Более того, сильное
(оно же ядерное) взаимодействие имеет
обменный характер, и, опосредованно, через массы виртуальных частиц, энергия
«проникает» и в сильное взаимодействие. Поразительно другое: мы знаем множество
разных видов энергии, очевидно, много еще не знаем, но абсолютно уверены в том,
что эта величина (энергия) при различных процессах и превращениях в точности
сохраняется.

Сравним закон сохранения энергии с
законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда — наиболее
простой и наиболее понятный закон сохранения. Дело в том, что в природе
существует минимально возможный (дискретный, квантованный, если угодно) заряд,
он равен заряду электрона. Поэтому, если в некоторой системе до взаимодействия
был известен суммарный заряд (т. е. число этих минимальных «кирпичиков»
заряда), то в процессе взаимодействия сохранение заряда системы просто означает
неизменность числа этих «кирпичиков». Для энергии таких «кирпичиков» не
существует, но, тем не менее, мы уверены, что во всех мыслимых и немыслимых
процессах энергия сохраняется.

Интересный
пример использования закона сохранения энергии, даже правильней будет сказать,
пример мощи закона сохранения энергии, демонстрирует реакция распада нейтрона
на протон, электрон и нейтрино. Сначала думали, что нейтрон превращается в
протон и электрон. Но когда измерили энергию всех частиц, оказалось, что
энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона. Даже великий Нильс Бор
засомневался тогда в точном выполнении закона сохранения энергии и предположил,
что этот закон сохранения выполняется только в среднем, статистически. Но
оказалось правильным другое объяснение. Энергии не совпадают потому, что при
реакциях возникает еще какая-то частица (позднее она была названа великим
итальянским физиком Энрико Ферми нейтрино), которая
и уносит с собой часть энергии. Предположение это высказал австрийский физик
Вольфганг Паули и тем самым «спас» закон сохранения энергии.

Вот
что говорил о законе сохранения энергии выдающийся американский физик,
нобелевский лауреат Ричард Фейнман: «Сохранение энергии — несколько более слож-

ный вопрос: хотя и здесь у нас есть
число, которое не меняется со временем, число это не соответствует никакому определенному предмету…».

В
самом начале этого параграфа мы сказали, что закон сохранения энергии связан с
однородностью времени. Рассмотрим подробнее связь законов сохранения с
симметрией пространства-времени. Простейший пример симметрии пространства —
симметрия относительно параллельного переноса, сдвига, трансляции. Интересное
свойство природы заключается в том, что какое-либо явление, протекающее в
определенной точке пространства, будет происходить точно так же в другой точке
пространства, куда мы переместим все атрибуты параллельным сдвигом. В частности,
из неизменности физических законов при параллельных сдвигах в пространстве
следует закон сохранения импульса системы.

Закон
сохранения энергии следует из неизменности физических законов при параллельных сдвигах во времени (общее
математическое доказательство существования ряда законов сохранения в механике
было дано в 1918 г. выдающейся немкой Эмми Нетер). Опыт, проведенный сто лет
назад и сейчас, при абсолютно точном повторении условий тогдашнего опыта,
должен был бы дать абсолютно одинаковый результат, в этом и заключается
симметричность физических законов относительно временных сдвигов. Но нужно
помнить, что и сто лет, и тысяча лет – это малая доля времени на фоне
космологического времени, отсчитываемого от так называемого Большого Взрыва (от момента возникновения
Вселенной, см. п. 4.4 и главу 5). Может быть, симметрия относительно временных
сдвигов нарушается, если сдвиги эти были бы большими (например, была бы
возможность сравнить идентичные опыты с интервалом времени в 1 млрд. лет, но
тогда и человека-то

просто
еще не было), или если бы эти сдвиги наблюдались бы вблизи «большого взрыва».
Оба варианта не осуществимы для проверки, поэтому говорить о нарушениях закона
сохранения энергии в связи с неоднородностью времени мы не можем.

Итак,
всеобщим законом природы является закон
сохранения энергии. Его называют еще первым началом термодинамики. Этот закон подтвержден
бесчисленными наблюдениями и опытами как напрямую, так и через разнообразные
его следствия.

Виды
энергии многообразны. В механике мы знаем два вида энергии — кинетическую и
потенциальную. Кинетическая — это энергия движения, потенциальная — энергия
положения. В более широком смысле потенциальной называют и энергию состояния.
Например, физическая смесь водорода и кислорода обладает потенциальной химической энергией (когда они образуют в
результате реакции новое химическое соединение — воду), в сжатой пружине
содержится потенциальная упругая энергия
и т. д.

Для
дальнейшего рассмотрения возможностей образования структур из природных
элементов (элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик и т.
д.), будет существенно понятие об энергии
связи в какой-либо механической или физической системе. Ей называют
величину, на которую, например, уменьшится энергия системы Земля + метеорит после падения метеорита
(Тунгусского или Сихотэ-Алинского), из-за выделившегося тепла, механического
разрушения горных пород и тела метеорита и т. д. С энергией связи мы
сталкиваемся постоянно, изучая природу. Так, в недрах Солнца, как полагает
современная астрофизика и физика термоядерного синтеза, осуществляется (если говорить упрощенно) слияние ядер атомов
водорода с образованием ядер гелия и выделением

огромной энергии связи в виде кинетической энергии продуктов
термоядерной реакции, которая рассеивается в окружающей среде в виде тепла и
излучения. В автомобильном двигателе водород и углерод бензина связываются с
кислородом — выделяется и превращается в тепло опять энергия связи (в данном случае — химической).

Чем
прочнее связь, тем больше выделяется энергии при ее образовании и тем больше,
соответственно, потребуется затратить энергии, чтобы эту связь снова разорвать.
Образование любых структур всегда
связано с выделением и рассеянием энергии связи, то есть всегда связано с диссипацией (рассеянием), общим понижением
качества энергии.

Кстати,
прежде чем образоваться углерод-кислородным и водород-кислородным связям при
сжигании топлива, должны быть разорваны связи между углеродными и водородными
атомами в углеводородах бензина, а также между атомами кислорода в его
молекуле, на что нужно затрачивать энергию.
Но межатомные углеродные и водородные связи в молекулах топлива и связи в
молекуле кислорода намного слабее кислородных связей в продуктах сгорания, и
затраты гораздо меньше выигрыша. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей в
компонентах горючей смеси (и на сближение освободившихся атомов с атомами
кислорода), называется энергией активации и
черпается из теплового движения молекул. Поджигание смеси искрой — это
сообщение молекулам необходимой первоначальной энергии активации. Дальше
горение поддерживается уже за счет тепла, выделяемого в его процессе. Если бы
не необходимость в энергии активации, вещества, способные связываться с
выделением энергии (например, органика в земной кислородной атмосфере), вообще
не могли бы существовать в соседстве друг с другом.

В
урановых ядерных реакторах, с помощью которых уже сейчас производят примерно
15% электроэнергии в мире, источником
энергии служит деление ядер
урана. Но, тем не менее, выделяется опять-таки энергия связи: во фрагментах
разделившегося ядра урана нуклоны связаны прочнее, чем в исходном ядре, и
разница энергий связи и переходит в кинетическую энергию продуктов деления, а
затем в тепло.

Водород
— основной элемент Вселенной, и синтез гелия из него — основной, первичный,
источник энергии для всех наблюдаемых нами процессов. Все наши земные горючие
ископаемые и кислород атмосферы — это продукт воздействия на Землю энергии
Солнца, которая обусловлена синтезом гелия из водорода. Излучение Солнца разрывает химические связи и
запускает сложные цепочки реакций, которые приводят к накоплению потенциальной
химической энергии их продуктов.

Резюме

Энергия — физическая характеристика,
введенная когда-то учеными, определяет потенциальную возможность системы совершить механическую работу. Это понятие оказалось, наверное, одним из самых важных потому, что все процессы как в живой, так и в неживой природе невозможно описать без этого понятия. Без энергии невозможно существование жизни. Вопрос, связанный с механизмами использования и добычи энергии, относится к энергетике. В процессе жизнедеятельности, в том числе, и при решении энергетических проблем, человечество столкнулось с вопросами несовместимости человеческих потребностей и природных возможностей. Это сложнейшая экологическая проблема современности!

Вопросы для обсуждения

1) Энергия — важнейшая физическая характеристика.
Виды энергии — механическая, тепловая, электромагнитная,

гравитационная, ядерная.

• Закон сохранения энергии и однородность времени.
• Проблемы энергетики.

Существующие в настоящее время источники энергии:

химическая энергия сгорания топлива (газ, нефть, уголь);

механическая энергия воды и ветра (гидроэлектростанции и ветровые
электростанции);

солнечная энергия излучения (солнечные батареи);

ядерная энергия (АЭС);

в будущем: термоядерная энергия синтеза («горячий» и «холодный» ядерный синтез).

4) Проблемы экологии, связанные с энергетикой.