Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

 

План.

Введение………………………………………………………………………………………..3

1. Законы сохранения энергии как отражение симметрии в пространстве – временном континууме природы…………………………………………………………………………………4
2. Законы сохранения энергии в физике и особая роль теплоты………………………………………………………………………………….7
3. Законы сохранения энергии в химии и структура как аккумулятор энергии.10
4. Законы сохранения энергии в биологии и роль фотосинтеза…………………………………………………………………………..11

Заключение……………………………………………………………………………………17

Используемая  литература…………………………………………………………………………………….19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

 

 

  Наука зародилась очень  давно, на Древнем Востоке, и затем интенсивно развивалась в Европе. В научных  традициях долгое время   оставался недостаточно   изученным   вопрос   о   взаимоотношениях   целого и части.   Как стало   ясно,  в середине  20 века часть может преобразовать целое радикальным и неожиданным образом.

Термодинамика — раздел физики, изучающей  общие закономерности обмена тепловой энергией между системами, системой и внешней средой и производства работы за счет этой энергии. Важнейшие выводы термодинамики широко используются в других науках, в частности химии.

Понятия энергии и работы были введены  в курсе механики, в частности, когда рассматривалась задача о  работе, совершаемой при сжатии пружины. Эта работа приводит к возрастанию потенциальной энергии системы. Наоборот, если система совершает работу, то при этом ее потенциальная энергия уменьшается, причем расход потенциальной энергии равен производимой работе.

Изучая механику, мы говорили о двух формах энергии: кинетической и потенциальной. При переходе к изучению состояния газов мы ввели понятие температуры, рассматривая ее как меру энергии хаотического движения молекул. Энергию хаотического движения молекул мы называли внутренней энергией газа.

Из классической термодинамики известно, что изолированные термодинамические системы в соответствии со вторым началом термодинамики для необратимых процессов энтропия системы   S   возрастает до тех пор, пока не достигнет своего максимального значения в состоянии термодинамического равновесия. Возрастание энтропии сопровождается потерей информации о системе.

Со временем открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как можно согласовать возрастание со временем энтропии в замкнутых системах с процессами самоорганизации в живой и не живой природе. Долгое время казалось, что существует противоречие между выводом второго закона термодинамики и выводами эволюционной теории Дарвина, согласно которой в живой природе благодаря принципу отбора непрерывно происходит процесс самоорганизации.

Противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики. Ее еще называют термодинамикой открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р.Пригожин, П. Гленсдорф, Г. Хакен. Бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в  1977 году был удостоен Нобелевской премии.

 

 

 

Законы сохранения энергии как отражение симметрии  в пространстве – временном континууме природы.

 

Макроскопическими в  физике называют тела, состоящие независимо от их агрегатного состояния из очень большого числа частиц. В этих условиях либо в принципе невозможно, либо явно не разумно подсчитывать характеристики всех элементарных частиц, из которых состоят макротела. Поведение огромного числа частиц изучается статистикой. Наиболее развитая физическая статистическая дисциплина – квантовая статистика.

В статистике первоочередной интерес  направлен на разного рода средние  величины. На их основе выясняется смысл  тех или иных макроскопических параметров. Так, в равновесных условиях температура (Т) пропорциональна средней кинетической энергии частиц тела. Внутренняя энергия тела (U) представляет собой сумму кинетических и потенциальных энергий тех частиц, из которых состоит тело (во внутреннюю энергию не включается кинетическая энергия движения тела как целого и его потенциальная энергия во внешних силовых полях). Количество теплоты (Q) есть энергия частиц, которые испускаются либо поглощаются телом. Работа (А) – мера действия сил. Энтропия (S) пропорциональна числу микросостояний, реализующих данное макросостояние.

Первое начало термодинамики кратко формулируется так: “Энергия сохраняется”. Она не возникает из ничего и не исчезает бесследно; она может только переходить из одной формы в другую. Этим основополагающим открытием 50-х  годов прошлого столетия мы обязаны лорду Кельвину (Уильямсу Томсону) и Рудольфу Клаузису. Кельвин, как религиозный человек, считал, что Творец в момент создания мира наделил его запасом энергии, и что этот божественный дар будет существовать вечно.

Второе начало термодинамики  устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов рассеивания энергии: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе не становятся горячими, вращающийся волчок, в конце концов, останавливается, однако покоящийся волчок самопроизвольно не начнет вращаться. То есть распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Это свойство материи отражается принципом энтропии. Если есть термин энтропия, характеризующий степень беспорядка в природе, значит должен существовать термин, определяющий степень порядка. Энтальпия и является функцией, оценивающей степень упорядоченности системы (локальной неоднородности).

Естественно протекающие  в периоде процессы сопровождаются увеличением энтропии (беспорядка).

Удивительным образом  эти представления отражаются в  модели Вселенной. Она расширяется, при этом происходит рассеяние энергии  в пространстве. Непрерывное и глобальное естественное разрушение является основным свойством окружающего нас материального мира. В этом контексте то, что стоит в сознании человека за образом Мефистофеля, играет важную роль в природе, обеспечивая процессы диссипации (от латинского dissipatio – рассеяние). Вместе с тем из-за локальных неоднородностей распределения вещества в природе происходит его накопление в локальных зонах Вселенной. Так образуются галактики, созвездия, солнечные системы, планеты.

Если мы не поддерживаем сознательно в доме порядок, то независимо от нашего желания в нем будет увеличиваться беспорядок. И наоборот, целенаправленная созидательная деятельность сопровождается уменьшением энтропии (беспорядка) в некоторой локальной зоне пространства. Правда, это возможно только за счет создания еще большего беспорядка вне этой зоны: так рождаются свалки и другие отходы – побочные продукты созидательнойдеятельности. Из практики мы знаем, что созидательная деятельность невозможна без использования разума или некоего рожденного природой алгоритма. В этом случае рождение кристалла в аморфной породе является примером целенаправленной созидательной деятельности в природе на основе рожденного ею же самой алгоритма. Любой живой организм также является примером ограниченного пространства, в котором в течение жизни энтропия не возрастает. В отличие от кристалла организм обладает свойством саморегулирования, то есть способностью поддерживать постоянство внутренней среды при изменении внешних и внутренних возмущений. Это свойство не увеличивать энтропию в течение жизни является одним из основных, отличающих элемент живой природы от неживой. Таким образом, поддержание порядка связано с алгоритмом саморегулирования, сознанием. Рассуждая понятиями гетевских аллегорий, можно сказать, что Творец отвечает за процессы, связанные с жизнью, не увеличивающие энтропию. Он как бы использует материю как экспериментальный материал для создания и отработки алгоритмов, поддерживающих различные жизни в поисках их совершенства.

Поскольку на практике часто трудно непосредственно измерить величину энергии тела, люди научились оценивать ее через количество работы, которую можно с ее помощью выполнить. Из школьного курса физики мы знаем, что работа оценивается как произведение силы, приложенной к телу, умноженной на расстояние, на которое тело переместилось. Так или иначе, понятие силы в природе связано с видом взаимодействия. Как мы уже отмечали, в основе всех известных сил лежат четыре основных типа взаимодействия физических тел (таблица 1.1.1). При рассмотрении динамических процессов важно помнить, что любое движение материального тела может быть разложено на три основных: поступательное, колебательное и вращательное. Движение и сила имеют направления, которые не всегда совпадают. Это несовпадение учитывается коэффициентом, пропорциональным величине угла между направлением силы и направлением движения. Теперь мы можем объяснить, что показывающие время часы, неподвижно висящие на стене, потребляют энергию за счет колебания маятника и других частей. Ось юлы, практически неподвижно стоит относительно пола. Однако юла имеет энергию вращения и тратит ее на преодоление сопротивления воздуха и трения оси о пол.

Для оценки скорости использования  энергии или ее приобретения применяется  понятие мощности, как скорости изменения общей энергии некоторой системы. Таким образом, произведение мощности на время дает энергию. Мощность измеряется в ваттах. За одну секунду накопитель энергии с мощностью один ватт способен дать системе один джоуль (Дж) энергии. Одна лошадиная сила определяется как ежесекундный расход энергии, равной 746 Дж.

Итак, перечислим необходимые  для понимания материала книги  основные законы, которые лежат в  основе процессов, происходящих во Вселенной (макромире):

1. Закон иерархического подобия.

2. Закон ритма.

3. Закон сохранения энергии.

 

Закон сохранения энергии  выполняется для любых замкнутых  процессов. Для макропроцессов закон  сохранения энергии выглядит наиболее просто, ибо при их анализе обычно не учитывается соотношение неопределенности.

Ответ на естественный вопрос о том, почему справедливы законы сохранения в физике был найден сравнительно недавно. Оказалось, что законы сохранения возникают в системах при наличии у них определенных элементов симметрии.

Глобальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему. К ним относятся:

-закон сохранения  энергии, являющийся следствием  симметрии относительно сдвига  во времени (однородности времени);

-закон сохранения  импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства);

-закон сохранения  момента импульса, являющийся следствием  симметрии относительно поворотов  в пространстве (изотропности пространства);

-закон сохранения  заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно сопряженные значения;

-закон сохранения  четности, являющийся следствием  симметрии относительно операции  инверсии ("отражения в зеркале", меняющего "право" на "лево").

Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени.

Закон сохранения энергии. Первоначально в механике были введены кинетическая энергия (обусловленная движением тела) и потенциальная (обусловленная взаимодействиями между телами и зависящая от их расположения в пространстве). Конкретное математическое выражение для потенциальной энергии определяется взаимодействиями между объектами. В большинстве механических систем механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) сохраняется во времени (например, в случае мяча, упруго ударяющегося о пол). Однако нередки и такие системы, в которых механическая энергия изменяется (чаще всего убывает). Для описания этого были введены диссипативные силы (например, силы вязкого и сухого трения и др.). Со временем выяснилось, что диссипативные силы описывают не исчезновение или возникновение механической энергии, а переходы ее в другие формы (тепловую, электромагнитную, энергию связи и т.д.). История развития естествознания знает несколько примеров того, как кажущееся нарушение закона сохранения энергии стимулировало поиск ранее неизвестных каналов ее преобразования, что в результате приводило к открытию ее новых форм (так, например, "безвозвратная" потеря энергии в некоторых реакциях с участием элементарных частиц послужила указанием на существование еще одной неизвестной ранее элементарной частицы, впоследствии получившей название нейтрино).

Закон сохранения энергии  имеет большое практическое значение, поскольку существенно ограничивает число возможных каналов эволюции системы без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается возможным априорно отвергнуть любой весьма проект весьма экономически-привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии).

 

 

 

 

 

 

 

 

Законы сохранения энергии в физике.

 

Законы сохранения в  физике играют особую роль. Они подтверждают стабильность природы. К законам сохранения в физике относятся: закон сохранения энергии, импульса, момента импульса, заряда. Закон сохранения энергии определяет незыблемость энергии. После фундаментальных работ Э.Нётер стало известно, что за каждым из законов сохранения стоит некоторая симметрия. Целью настоящей работы является показать, что законы сохранения являются отражением проявления различного типа симметрии в физике и наоборот установление этой связи позволяет понять сущность и природу этих законов.

Симметрия в физике Симметрия, инвариантность, законы сохранения играют, несомненно, важную роль в физической науке. K примеру, поиски гармонии мира (симметрии) привели одного из самых ярких естествоиспытателей всех времен Иоганна Кеплера к открытию законов движения планет. Т. Вейель отмечал, что симметрия «является той идеей, посредством которой человек на протяжении веков пытался постичь и создать порядок, красоту и совершенство». «Для человеческого разума симметрия обладает, по-видимому, совершено особой притягательной силой, - писал Р.Фейнман.

Нам нравится смотреть на проявление симметрии в природе, на идеально симметричные сферы планет или Солнца, на симметричные кристаллы, на снежинки, наконец, на цветы, которые почти  симметричны».  Что же такое симметрия? Слово это греческое и переводится как «соразмерность, пропорциональность, одинаковость в расположении частей». Часто проводится параллели: симметрия и уравновешенность, симметрия и гармония, симметрия и совершенство. Согласно современным представлениям, симметрию можно определить примерно так: «симметричным называется такой предмет, который можно как-то изменять, получая в результате то же, с чего начали» [Фейнман Р.]. Таким образом, симметрия предполагает неизменность объекта (каких-то свойств объекта) по отношению к каким-нибудь преобразованиям, каким-нибудь операциям, выполняемым над объектом. Понятие симметрии имеет определённую «структуру», состоящую из трёх факторов:1) объект или явление, симметрии которого рассматривается; 2) изменение (преобразование), по отношению к которому рассматривается симметрия; 3) инвариантность (неизменность, сохранение) каких-то свойств объекта, выражающая рассматриваемую симметрию. Подчеркнём: инвариантность существует не сама по себе, не вообще, а лишь по отношению к определённым преобразованиям. С другой стороны, изменение (преобразование) представляют интерес постольку, поскольку что-то при этом сохраняется. Иными словами, без изменений не имеет смысла рассматривать сохранение, равно как без сохранения исчезает интерес к изменениям. Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или, иначе, сохранение чего-то несмотря на изменения. Таким образом, понятие симметрии основывается на диалектике сохранения и изменения.