Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

В физике общепринято выделять две  формы симметрии: геометрическую и динамическую. Симметрии, выражающие свойство пространства и времени, относят к геометрической форме симметрии. Примерами геометрических симметрий являются: однородность пространства и времени, изотропность пространства, пространственная чётность, эквивалентность инерциальных систем отсчёта. Симметрии, непосредственно не связанные со свойствами пространства и времени выражающие свойства определённых физических взаимодействий, относят к динамической форме симметрии. Примерами динамических симметрий являются симметрии электрического заряда. Вообще говоря, к динамическим симметриям относят симметрии внутренних свойств объектов и процессов. Так что геометрические и динамические симметрии можно рассматривать как внешние и внутренние симметрии. Взаимосвязь форм симметрии вытекает из единства таких атрибутов материи, как пространство, время и движение. Жесткое противопоставление этих форм принципиально недопустимо. В самом деле, рассматривая, например, такую «типичную» геометрическую симметрию, как однородность пространства, можно заметить, что в её определении в скрытом виде содержатся динамические характеристики. Ведь суть этой симметрии в том, что в пространственных перемещениях при определённых физических условиях, например при слабых полях тяготения, поведение тел не зависит от занимаемого ими места в пространстве, что и выражается в независимости присущего им импульса от их пребывания в тех или других точках пространства. Без учёта единства пространства и движения материи говорить о каких-либо свойствах симметрии пространства просто бессмысленно. В абсолютно пустом пространстве нет ни однородности, ни разнородности. В нём вообще ничего нет и о нём ничего сказать нельзя. Ни одну геометрическую симметрию нельзя определить без привлечения прямого или опосредованного, динамических параметров. Даже определение такой простой геометрической симметрии, как симметрия двух точек по отношению к какой-то прямой, включает в себя возможность их совмещения, т.е. определённого движения. Без движения и вне движения не существует ни одной геометрической симметрии. В свою очередь, динамические симметрии связанны со свойством пространства и времени, что выражается в возможности их геометрической интерпретации. Например, такая динамическая симметрия, как симметрия изотопического спина, в котором поворот на 180 независимо от направления поворота, превращает протон в нейтрон, а нейтрон в протон. Возможность такой интерпретации симметрии изотопического спина, т.е. тождественность протонов и нейтронов по отношению к сильным взаимодействиям, ясно указывает на то, что эта симметрия связанна с определёнными пространственными формами. Таким образом, любая геометрическая симметрия связанна с движением и взаимодействием материальных объектов, а любая динамическая симметрия - со свойствами пространства и времени. Приведём ряд примеров геометрической симметрии. Предположим, что все электроны одного атома поменялись с электронами другого атома. Поскольку электроны тождественны (любой наугад выбранный электрон ничем не отличается от мириадов других электронов), то от обмена электронов никаких изменений в атомах не произойдёт. Это есть симметрия. Или возьмём известные всем со школьной скамьи агрегатные состояния вещества - твёрдые, жидкие, газообразные. Для определённости в качестве твёрдого вещества рассмотрим идеальный бесконечный кристалл. В нём существует определённая, так называемая дискретная симметрия относительно переноса. Это означает, что, если сдвинуть кристаллическую решётку на расстояние, равное интервалу между двумя атомами, в ней ничего не изменится - кристалл совпадет сам с собой. Если же кристалл расплавить, то симметрия получившейся из него жидкости будет иной: она возрастёт. В кристалле равноценными были только точки, удалённые друг от друга на определённые расстояния, так называемые узлы кристаллической решётки, в которых находились одинаковые атомы. Жидкость же однородна по всему объёму, все её точки неотличимы одна от другой. Это означает, что жидкости можно смещаться на любые произвольное расстояния (а не только на какие-то дискретные, как в кристалле) или поворачиваться на любые произвольные углы (чего в кристаллах делать нельзя вообще) и она будет совпадать сама с собой. Степень её симметрии выше. Газ ещё более симметричен: жидкость занимает определённый объём в сосуде и наблюдается асимметрия внутри сосуда, где жидкость есть, и точки, где её нет. Газ же занимает весь предоставленный ему объём, и в этом смысле все её точки неотличимы одна от другой. Всё же здесь было бы правильнее говорить не о точках, а о малых, но макроскопических элементах, потому что на микроскопическом уровне отличия всё-таки есть. В одних точках в данный момент времени имеются атомы или молекулы, а в других нет. Симметрия наблюдается только в среднем, либо по некоторым макроскопическим параметра объёма, либо по времени. Но мгновенной симметрии на микроскопическом уровне здесь по-прежнему ещё нет. Если же вещество сжимать очень сильно, до давлений, которые в обиходе недопустимы, сжимать так, что атомы были раздавлены, их оболочки проникли друг в друга, а ядра начали соприкасаться, возникает симметрия и на микроскопическом уровне. Все ядра одинаковы и прижаты друг к другу, нет не только межатомных, но и межъядерных расстояний и вещество становится однородным. Но есть ещё субмикроскопический уровень. Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые как двигается внутри ядра. Между ними тоже есть какое-то пространство. Если продолжать сжимать так, что будут раздавлены и ядра, нуклоны плотно прижмутся друг к другу. Тогда и на субмикроскопическом уровне появится симметрия, которой нет даже внутри обычных ядер. Именно в этом состоянии вещество находится внутри так называемых нейтронных звёзд. Из сказанного можно усмотреть вполне определённую тенденцию: чем выше температура и больше давление, тем более симметричным становится вещество. Эта тенденция оказалась чрезвычайно общим законом. До сих пор мы говорили о самой простой, геометрической симметрии. Однако в природе существуют и другие неизмеримо более сложные её виды. Пространство и время, из свойств симметрии которых следуют основные законы сохранения, заполнены материей и «пропитаны», силами, посредством которых разные части этой материи взаимодействуют друг с другом. Согласно современным представлениям, в природе существуют четыре основных типа сил, или, иными словами, четыре типа взаимодействий: сильные, электромагнитные, слабые, гравитационные. Природа их выглядит различной, но за каждой стоит какая-то симметрия. Наиболее интересные различия типов взаимодействий связано с симметрией. Все взаимодействия элементарных частиц, контролируются абсолютными законами сохранения. Однако существуют законы сохранения (и соответствующие им принципы симметрии), справедливые для одних взаимодействий и не справедливые для других. Так, законы сохранения пространственной и зарядовой чётности выполняются в электромагнитных и сильных взаимодействиях, но не выполняются в слабых взаимодействиях. Существует правило: чем сильнее взаимодействие, тем оно симметричнее. Иначе говоря, чем слабее взаимодействие, тем в меньшей мере оно контролируется законами сохранения.

Закон сохранения энергии характерен не только для классической механики, а носит общефизический характер.

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.

Законы сохранения энергии в химии.

Химия — одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д. И. Менделеева (1871), «химию в современном ее состоянии можно назвать учением об элементах».  Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта — Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от «хем» или «хаме» — чёрный и означает «наука чёрной земли» (Египта), «египетская наука».]

Современная Х. тесно связана как  с др. науками, так и со всеми  отраслями народного хозяйства. Качественная особенность химической формы движения материи и её переходов  в др. формы движения обусловливает разносторонность химической науки и её связей с областями знания, изучающими и более низшие, и более высшие формы движения. Познание химической формы движения материи обогащает общее учение о развитии природы, эволюции вещества во Вселенной, содействует становлению целостной материалистической картины мира. Соприкосновение Х. с др. науками порождает специфические области взаимного их проникновения. Так, области перехода между Х. и физикой представлены физической химией и химической физикой. Между Х. и биологией, Х. и геологией возникли особые пограничные области — геохимия, биохимия, биогеохимия, молекулярная биология. Важнейшие законы Х. формулируются на математическом языке, и теоретическая Х. не может развиваться без математики. Х. оказывала и оказывает влияние на развитие философии и сама испытывала и испытывает её влияние

Первый закон, который  рассматривается в курсе химии  – закон сохранения массы и  энергии. Можно по-разному подходить  к этому закону, например, разделить  на два: закон сохранения массы и закон сохранения энергии, или толковать его более широко, как закон сохранения материи. В экологизированном курсе химии целесообразно рассматривать эти законы отдельно, а затем сделать общий эколого-химический

вывод.

Закон сохранения массы говорит о том, что в результате химических превращений сумма масс веществ до реакции и сумма масс веществ после реакции одинакова. Общая масса сохраняется, если даже в результате химического процесса получается небольшое количество полезного продукта. Следовательно, основная масса веществ идет в отходы. И стоит задуматься, правильно ли выбран данный технологический процесс? Куда девать получаемые отходы? На наш взгляд, этот закон имеет глубокое эколого-философское значение. Прежде всего, насколько возможны безотходные технологии о которых много говорили не так давно. С другой стороны, какова ответственность авторов-разработчиков того или иного технологического процесса, выбрасываемого в отходы значительные массы «ненужных», иногда очень вредных веществ.

По закону сохранении энергии «Любая энергия не исчезает и не возникает, а только одни ее виды переходят в другие в эквивалентных  количествах». В этом законе мы сознательно  на первое место поставили сохранение энергии, так как следует еще провести дополнительные исследования превращения химической энергии в другие виды. Особенно, если химическая реакция протекает в условиях экосистем и с загрязняющими веществами.

К этим законам  мы будем

возвращаться  в процессе изложения курса и  будем развивать эколого-химические

идеи, заложенные в них.

  Аккумулятор – устройство, в котором происходит взаимные превращения электрической энергии в химическую и наоборот. 
В них под действием внешнего источника тока накапливается химическая энергия, которая затем переходит в электрическую. Процесс накопления химической энергии называется зарядкой аккумулятора, процесс превращения химической энергии в электрическую – разрядкой.

 
Законы сохранения энергии  в биологии и роль фотосинтеза.

Закон сохранения энергии выполняется в живых системах так же, как и во всех других. Химическая энергия играет в биологических системах центральную роль. Специальным носителем химической энергии в живых организмах служит аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ – это нуклеотид, состоящий из остатков аденина, рибозы и трифосфата.

АТФ (аденозинтрифософорная  кислота, аденозинтрифосфат) – нуклеотид, образованный аденозином и 3 остатками фосфорной кислоты. Выполняет в организмах роль универсального аккумулятора энергии. Под действием ферментов фосфатные группы отщепляются от АТФ с освобождением энергии, благодаря которой происходят мышечные сокращения, синтетические и другие процессы жизнедеятельности.

Величина энергии, высвобождающейся при гидролизе  АТФ в клетке, может значительно (в 1,5 раза) меняться в зависимости от метаболизма клетки, определяющего в ней концентрации АТФ, АДФ и фосфата, а также от pН клеточного содержимого в каждый данный момент. Для гидролиза АТФ до АДФ и до АМФ стандартная величина энергии составляет 30,5 и 32,2 кДж/моль соответственно. Энергия, выделяющаяся при гидролизе АТФ, используется клеткой для осуществления энергозависимых процессов в клетке, АТФ, в свою очередь, образуется в процессах, идущих с выделением энергии. Таким образом, АТФ – главный химический посредник клетки, связывающий между собой процессы, идущие с выделением и потреблением энергии.

Теплокровных животных, в том числе и человека, нельзя рассматривать как чисто механическую систему. При довольно значительных колебаниях температуры внешней  среды теплокровные практически сохраняют постоянную температуру тела (за исключением состояния анабиоза, в которое в зимнее время впадают некоторые животные, например медведи и сурки). Постоянство температуры тела является важнейшим условием существования высокоорганизованной жизни. Мы все время излучаем тепло, теряем его при выдыхании нагретого в легких воздуха, или при испарении влаги с поверхности тела, расходуем на совершение работы. Потерянную энергию мы восполняем пищей. Экспериментально установлено, что по отношению к живым организмам справедливо первое начало термодинамики, иначе говоря – закон сохранения энергии.

В теле животного при  окислении пищевых продуктов  освобождается такое же количество энергии, как и при сжигании этих продуктов до тех же конечных веществ  вне организма. Только около трети химической энергии переваренной нами пищи превращается в мышечную энергию, большая же часть тратится на другие нужды – поддержание постоянной температуры тела, питание, и возобновление тканей, образование жировых отложений (“сберегательного банка” организма на случай голода или болезни). Любое превращение энергии в организме – будь то пищеварение или мышечная деятельность – завершается превращением в тепло. Это тепло непрерывно уходит в окружающую среду. Устанавливается тепловой баланс между организмом и окружающей средой.

Фотосинтез (от фото... и синтез), образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех др. организмов, из простых соединений (например, углекислого газа и воды) за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом и др. фотосинтетическими пигментами. Один из важнейших биологических процессов, постоянно и в огромных масштабах совершающийся на нашей планете. В результате Ф. растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. т органического веществ (около половины этого количества приходится на долю Ф. растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т CO₂ и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода. Полагают, что благодаря Ф. образуется весь кислород атмосферы. Ф. – единственный биологический процесс, который идёт с увеличением свободной энергии системы; все остальные (за исключением хемосинтеза) осуществляются за счёт потенциальной энергии, запасаемой в продуктах Ф. Количество энергии, ежегодно связываемой фотосинтезирующими организмами океана и суши (около 3×10²¹ дж), во много раз больше той энергии, которая используется человечеством (около 3×10²⁰ джтому уравнение (3) примет в этом случае.

Характерные черты фотосинтеза высших зелёных растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий. В реакциях Ф. у высших зелёных растений, водорослей (многоклеточных – зелёных, бурых, красных, а также одноклеточных – эвгленовых, динофлагеллят, диатомовых) донором водорода и источником выделяемого кислорода служит вода, а основным акцептором атомов водорода и источником углерода – углекислый газ. При использовании в Ф. только CO₂ и H₂O образуются углеводы. Но в процессе Ф. растения образуют не только углеводы, но и содержащие азот и серу аминокислоты, белки, а также пигменты и др. соединения. Акцепторами атомов водорода (наряду с CO₂) и источниками азота и серы в этом случае служат нитраты ( ) и сульфаты ( ). Фотосинтезирующие бактерии не выделяют и не используют молекулярный кислород (большинство из них облигатные, т. е. обязательные анаэробы). Вместо воды в качестве доноров электронов эти бактерии используют либо неорганические соединения (сероводород, тиосульфат, газообразный водород), либо органические вещества (молочную кислоту, изопропиловый спирт). Источником углерода в большинстве случаев является также CO₂, но наряду с этим и некоторые органические соединения (например, ацетат). Т. о., Ф. у разных организмов может протекать с использованием различных доноров (ДН₂), акцепторов (А) электронов и водорода и может быть представлен схематически обобщённым уравнением:

Д×Н₂ + А  AH₂ + Д,

где AH₂ – продукты Ф. 

 Структурные особенности фотосинтетического аппарата. Высокая эффективность Ф. высших зелёных растений обеспечивается совершенным фотосинтетическим аппаратом, основа которого – внутриклеточные органеллы – хлоропласты (в клетке зелёного листа их 20–100). Они окружены двуслойной мембраной. Внутренний слой её построен из уплощённых мешочков или пузырьков, называемых тилакоидами, которые часто упакованы в стопки, составляют граны, соединённые между собой одиночными межгранными тилакоидами. Тилакоиды состоят из собственно фотосинтетических мембран, представляющих собой биомолекулярные липидные слои и мозаично вкрапленные в них липопротеидопигментные комплексы, образующие фотохимически активные центры, и содержат также специальные компоненты, участвующие в транспорте электронов и образовании аденозинтрифосфата (АТФ). Часть хлоропласта, находящаяся между тилакоидами строма, содержит ферменты, катализирующие темновые реакции Ф. (например, превращение углерода, азота, серы, биосинтез углеводов и белков). В строме откладывается образуемый при Ф. крахмал. Хлоропласты имеют собственные ДНК, РНК, рибосомы, синтезирующие белки, и обладают некоторой генетической автономностью, но находятся под общим контролем ядра. фотосинтезирующие бактерии и большинство водорослей не имеют хлоропластов. Фотосинтетический аппарат большинства водорослей представлен специализированными внутриклеточными органеллами – хроматофорами, а фотосинтезирующих бактерий и сине-зелёных водорослей – тилакоидами (мембраны их содержат пигмент бактерио-хлорофилл или бактериовиридин, а также др. компоненты реакций Ф.), погруженными в периферические слои цитоплазмы. 

 Фаза первичных превращений и запасания энергии в процессе Ф.

В основе Ф. растений лежит окислительно-восстановительный процесс, в котором 4 электрона (и протона) поднимаются от уровня окислительно-восстановительного потенциала, соответствующего окислению воды (+ 0,8 в) до уровня, соответствующего восстановлению CO₂ с образованием углеводов (– 0,4 в). При этом увеличение свободной энергии реакции восстановления CO₂ до уровня углеводов составляет 120 ккал/моль, а суммарное уравнение Ф. выражается как:

CO₂ + H₂O  C (H₂O) + O₂ + 120 ккал/моль. 

 Энергия моля квантов (Эйнштейна) красной части спектра составляет около 40 ккал/моль. Т. о., для Ф., идущего в соответствии с приведённым уравнением, было бы достаточно поглощения энергии 3 квантов на молекулу CO₂ (или на выделение молекулы O₂). Однако в окислительно-восстановительной реакции от воды к CO₂ должны быть перенесены 4 электрона, причём перенос каждого из них осуществляется в ходе двух последовательных фотохимических реакций. Поэтому квантовый расход при оптимальных условиях составляет 8–12 квантов на молекулу O₂, а максимальная эффективность преобразования энергии красного света – около 30° %. В полевых условиях вследствие неполного поглощения света, энергетических затрат на дыхание и др. потерь, а также ограниченности вегетационного периода эффективность усвоения солнечной энергии с.-х. растениями в умеренных широтах обычно не выше 0,5–1,3%. Сопоставление этих цифр c теоретическим максимальным значением указывает на существование значительных резервов, которые могут быть использованы в будущем. Для некоторых культур с.-х. растений удаётся в специальных условиях повысить энергетическую эффективность до 5–6% и даже выше (при культивировании водорослей до 7–10%).