Эволюция энергетики. Перспективы развития

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 

ФАКУЛЬТЕТ ЗАОЧНОГО ОБУЧЕНИЯ 
 
 
 
 
 
 

Реферат

По дисциплине «Концепции современного естествознания»

На тему «Эволюция энергетики. Перспективы  развития» 
 
 
 
 
 
 

Выполнила

Студентка

Гр. 10ЗЭФ31

А. Н. Барышникова 
 

Проверил:

                                                                                                        Першенков П. П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза 2010

ПЛАН 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОТКРЫТИЕ  ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ 

     Долог был путь человечества к установлению понятия об энергии и закона об её сохранении: оно то приближалось к истине, то удалялось от неё; оно  с трудом создавало и уточняло количественные представления о теплоте, работе, температуре, потенциале; оно только постепенно разрабатывало методы измерения этих величин и с запозданием создавало самые единицы этих измерений — механических, тепловых, электромагнитных; оно на опыте, в муках бесплодных исканий «вечного двигателя», осознавало и интуитивно предвидело великий закон сохранения энергии. Начало сохранения движения прозревали Декарт, Ньютон, Ломоносов. У последнего сохранение движения составляло лишь часть, только один случай более общего и широкого физического закона сохранения. Конкретное выражение

закона сохранения энергии принадлежит, как известно, Ю. Р. Майеру,  Дж. П. Джуулу и Г. Гельмгольцу) .

     Если  мы, обогащенные опытом и знанием  протекшего с тех пор столетия, вчитаемся в творения членов этой триады, то убедимся в существовании некоторого различия в понимании открытого закона у Майера, с одной стороны, и у Джуула и Гельмгольца—с другой. Последние оба являются ревностными сторонниками механической доктрины, ведущейся ещё от Гейгенса; для них все явления скрытым образом суть явления механические, объясняются механическими силами и должны трактоваться механическими методами; Джуул при этом имеет в виду преимущественно явления теплоты, и многочисленные его высказывания по этому вопросу подтверждают его убеждение в кинетическом её характере. Гельмгольц уже в первой своей брошюре распространяет свои воззрения и методы исследования на все явления природы. В противоположность этим двум авторам Майер нигде не обмолвился ни одним словом о механическом характере всех физических явлений. Для него энергия (или «сила», как они писали все трое)» испытывает многообразные превращения, проявляясь то в виде механической, то в виде тепловой, то в других ещё видоизменениях. Бесполезно было бы искать в эти ранние годы учения об энергии более точных высказываний — у самих авторов учения об энергии оно ещё не отлилось в более определённые формы. Но теперь, через сто лет, охотно укладывают всю гамму развившихся далее противоречивых воззрений в наметившуюся уже в первые годы учения противоположность высказываний одной стороны и умолчания другой.

ЗАТРУДНЕНИЯ В ПОНИМАНИИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ  ЭНЕРГИИ

Отметим, что у «механистов» с самого начала учения о сохранении энергии возникло некоторое затруднение теоретического характера. В сущности, в механике совершенно наглядным является только один из видов энергии — энергия кинетическая (или, на первых порах, «живая сила»). Как только мы формулируем понятие об энергии потенциальной («напряжённая сила» у Гельмгольца), мы попадаем в строй мыслей, ведущих нас прочь от механики. В самом деле, если потенциальная энергия есть работа, затраченная на сооб-

щение системе данной конфигурации, а элементарная работа равна скалярному произведению длины элементарного участка  на силы, действовавшие на этом участке, то является необходимость обосновать эти силы, — и эта необходимость уже в простейшем случае приводит нас к неразрешимым, или во всяком случае, не разрешённым вопросам: что такое силы тяготения, действующие между небесными телами? тяжесть, притягивающая земные тела к центру земли? силы упругости, которыми одно тело действует при соприкосновении с другим телом, и вообще все силы молекулярного происхождения? все силы, проявляющиеся в электромагнитном поле? и, наконец, пока ещё не раскрытые «ядерные силы», отлагающие в недрах атома неслыханные прежде запасы готовой к использованию энергии? Конечно, чтобы объяснять что-нибудь, мы должны какое-нибудь одно явление признать за простейшее, а прочие явления свести к этому простейшему. Но в зависимости от уровня наших знаний мы в раз-

ные времена  признаём простейшими то одни, то другие явления и

должны, сообразно этому, переделывать логическое построение всего здания нашей науки  — и мы, действительно, были неоднократными свидетелями таких перестроек за время жизни одного только поколения учёных. Но это значит, что самое понятие потенциальной энергии не принадлежит к простым понятиям. Нельзя ли совсем обойтись без этого понятия?

РАБОТА  Н. А. УМОВА «ТЕОРИЯ  ПРОСТЫХ CОЕДИНЕНИЙ»

Замечательную попытку такого рода мы видим в одной из работ нашего соотечественника Н. А. Умова. Написанная в 1871 г., т. е. на сравнительно ещё очень ранней стадии учения об энергии, она как раз отражает некоторую философскую неуспокоенность, существовавшую у учёных того времени, задумывавшихся о самых основах этого учения и, в частности, об энергии потенциальной. Автор отвергает это понятие и старается его устранить из физики, вводя предположение, что количество кинетической (или, как он пишет, динамической) энергии в природе остаётся постоянным; если же нам кажется, что запас её уменьшился (другими словами, перешёл в потенциальную энергию), то это только видимое уменьшение, так как на самом деле, по мнению Н. А. Умова, потенциальная энергия есть кинетическая энергия другой среды, которая остаётся скрытой.

П. П. Лазарев, излагая учение Умова, пользуется такой  наглядной иллюстрацией: газ, находящийся  при большом давлении под поршнем, обладает некоторым количеством  видимой потенциальной энергии. Но эта потенциальная энергия есть на самом деле кинетическая энергия молекул газа — среды, внутренние движения которой остаются для нас незаметными. Вряд ли мы сейчас пойдём с лёгкостью по пути признания скрытых сред. Но напомним, что скрытые массы дожили до 1891 — 1894 гг., когда они фигурируют в «Принципах механики» Г. Герца, знаменитого автора «Исследований о распространении электрической силы». Самая же мысль

Н. А. Умова  о сведении потенциальной энергии  к кинетической и ныне заслуживает  глубокого внимания. Мы видим в  его попытке явное доказательство того, что логический строй нашего физического мировоззрения не может обойтись одним понятием о кинетической энергии, а нуждается в дополнительных положениях чисто физического характера, например, в гипотезах о природе тех или иных сил и т. п. Тут кроется та причина, которая позже привела к гибели всё механистическое воззрение, несмотря на его огромные успехи и завоевания). Отдадим должное проницательности нашего замечательного соотечественника, который сумел на столь ранних стадиях учения об энергии, когда оно развивалось на чисто механистической основе, усмотреть слабые стороны последней и сделал попытку избежать грозящей ей опасности.

ВОПРОС  О ЛОКАЛИЗАЦИИ  ЭНЕРГИИ

Чрезвычайно важный момент своего развития пережило представление об энергии, когда физикам пришлось задуматься над вопросом о локализации энергии. Дадим пример: мы взяли проволоку и, наперекор действующим между её частицами упругим силам, растянули её грузом P на длину L. Тогда можно написать выражение для работы, нами при этом совершённой; она равна PL В этом выражении фигурирует наряду с приложенным к концу проволоки грузом Р, только вызываемое им удлинение проволоки L. Однако легко привести это выражение к другому виду, пользуясь уравнением для

удлинения:

l = P L/qE

(L - первоначальная длина проволоки, q — поперечное сечение, Е —

характерный для материала проволоки коэффициент, так называемый

модуль  Юнга). Подстановкой легко получим:

A = 1/2E(P/q)² qL

В этом выражении qL — объём проволоки, и оно показывает нам,

что работа распределилась по всему объёму проволоки равномерно;

на единицу  объёма приходится количество энергии 

1/2E(P/q)²

где P/q «натяжение», т. е. сила, действующая на единицу площади сечения проволоки.

Итак, энергия  распределилась с некоторой плотностью в равномерно растянутой проволоке.

Другой  пример, который нам понадобится  в дальнейшем, представляет электростатическая энергия. Известно, что если мы хотим  зарядить находящийся в пустоте  изолированный металлический шар  радиуса R количеством электричества е, то мы должны для этого затратить работу

e²/2R

Максвелл, руководствуясь основными воззрениями  Фарадея, показал в своём «Трактате» (1873), что мы получим ту же величину, если представим себе электростатическую энергию не сосредоточенной на поверхности  проводника, а распределённой во всём безграничном пространстве по закону

w = E²/8p

где w — плотность энергии (количество энергии в единице объёма), Е — электрическая напряжённость в данной точке. Она равна для всех точек вне шара

е/r²

а внутри шара — нулю. Расчёт показывает, что при таком предположении общее количество энергии в поле заряженного шара равно вышеуказанной величине

e²/2R

Энергия расположена концентрическими шару слоями равномерной плотности; за сферой радиуса nR лежит n-ая часть всей энергии; энергия «жмётся» к поверхности шара, довольно быстро убывая с расстоянием от центра шара.

Полезно указать, что вокруг шара, расположенного не в пустоте, а в другой среде, плотность энергии будет не E2/8p, а eE2/8p, где e - так называемая диэлектрическая постоянная среды — её характерная константа, открытая Фарадеем.

Подобным  же образом ставятся и решаются вопросы  о локализации других видов энергии. Например, для магнитной энергии  мы получаем аналогичное выражение  для плотности энергии:

w_m= H²/8p   (H – магнитная напряженность)

  О ДВИЖЕНИИ ЭНЕРГИИ.  ТЕОРЕМЫ УМОВА  И ПОЙНТИНГА

Следующей стадией в уточнении понятия  об энергии является постановка вопроса  об её движении. Самое возникновение  этого вопроса с современной  точки зрения вполне понятно. Возьмём, например, явление согревания Земли Солнцем. Солнце вырабатывает в своих недрах непостижимо громадные запасы тепловой энергии. Не касаясь пока что вопроса об источниках этой энергии, обратим внимание на то, что часть её в конце концов оказывается на поверхности Земли. Ясно, что она должна была пройти через пространство разделяющее эти небесные тела, а значит, возникает вопрос о путях и законах этого движения энергии в пространстве и во времени. Повторяем, что сейчас этот строй мысли представляется даже тривиальным. Но необходимо иметь в виду коренное различие между современными взглядами на энергию и теми неопределёнными представлениями о ней, которые господствовали в научных книгах в 70-е годы, когда эта задача возникла. Следует с законной национальной гордостью отметить, что впервые поставил и решил задачу тот же Н. А. Умов, тогда ещё двадцативосьмилетний доцент Новороссийского (т. е. Одесского) университета; он сделал это в знаменитой своей работе о движении энергии. Уже в цитированной выше работе «Теория простых сред» и в других последовавших за ней, он вскользь касается этого вопроса, создавая даже термин: «токовая» энергия.

Теперь  же он занимается ею специально для  важного случая упругодеформированного тела) и приходит к фундаментальному выводу:

энергия течёт вдоль луча, т. е. по направлению распространения деформации; поток энергии, т. е. количество её, протекающее в единицу времени через единицу площади, численно равно давлению в соответственной точке пространства, помноженному на скорость распространения деформации в данной среде. Мы называем эту изящную теорему теоремой Умова. Чтобы понять всё значение вывода Умова и строя его мыслей вообще, расскажем несколько фактов, связанных с этой работой. Последнюю он представил как докторскую диссертацию в Московский университет — и здесь едва не потерпел неудачи; во всяком случае он выслушал от своих оппонентов — официальных и неофициальных - много страстных и горьких упрёков. А этими оппонентами были выдающиеся московские профессора: А. Г. Столетов, сам крупный и тонкий ученый, признанный тогда старейшина русской физики; А. Ф. Слудский и В. Я- Цингер — математики с большим именем и авторитетом. В чём же эти ученые, пользовавшиеся уважением и самого Н. А. Умова, упрекали молодого диспутанта? — Они сразу