Законы сохранения и принципы, действующие в природе

Геофизическая энергия высвобождается в виде природных стихийных явлений (вулканизм, землетрясения, грозы, цунами и т.д.), обмена веществ в живых  организмах (составляющих основу жизни), полезной работы по перемещению тел, изменению их структуры, качества, передачи информации, запасания энергии в  различного рода аккумуляторах, конденсаторах, в упругой деформации пружин, мембран. Любые формы энергии, превращаясь друг в друга посредством механического движения, химических реакций и электромагнитных излучений, в конце концов, переходят в тепло и рассеиваются в окружающее пространство. Это явление проявляется в виде взрывных процессов, горения, гниения, плавления, испарения, деформации, радиоактивного распада. Происходит круговорот энергии в природе, характеризующийся тем, что в космическом пространстве реализуется не только хаотизация, но и обратный ей процесс — упорядочивание структуры, которые наглядно прослеживаются, прежде всего, в звездообразовании, трансформации и возникновении новых электромагнитных и гравитационных полей, и они снова несут свою энергию новым «солнечным системам». И все возвращается на круги своя.

Закон сохранения механической энергии был сформулирован немецким ученым А. Лейбницем. Затем немецкий ученый Ю.Р. Майер, английский физик Дж. Джоуль и немецкий ученый Г. Гельмгольц экспериментально открыли законы сохранения энергии в немеханических явлениях. Таким образом, к середине XIX в. оформились законы сохранения массы и энергии, которые трактовались как законы сохранения материи и движения. В начале XX в. оба эти закона сохранения подверглись коренному пересмотру в связи с появлением специальной теории относительности: при описании движений со скоростями, близкими к скорости света, классическая ньютоновская механика была заменена релятивистской механикой. Оказалось, что масса, определяемая по инерциальным свойствам тела, зависит от его скорости и, следовательно, характеризует не только количество материи, но и ее движение. Понятие энергии тоже подверглось изменению: полная энергия оказалась пропорциональна массе (Е = mс2). Таким образом, закон сохранения энергии в специальной теории относительности естественным образом объединил законы сохранения массы и энергии, существовавшие в классической механике. По отдельности эти законы не выполняются, т.е. невозможно охарактеризовать количество материи, не принимая во внимание ее движение и взаимодействие.

Эволюция закона сохранения энергии показывает, что законы сохранения, будучи почерпнутыми из опыта, нуждаются, время от времени в экспериментальной  проверке и уточнении. Нельзя быть уверенным, что с расширением пределов человеческого  познания данный закон или его  конкретная формулировка останутся  справедливыми. Закон сохранения энергии, все более уточняясь, постепенно превращается из неопределенного и  абстрактного высказывания в точную количественную форму.

Первый закон термодинамики  является законом сохранения энергии  применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает невозможность  создания вечного двигателя первого  рода, который бы производил работу без подведения энергии.

Этот закон утверждает, что тепловая энергия, подведенная  к замкнутой системе, расходуется  на увеличение ее внутренней энергии  и работу, производимую против внешних  сил.

! На заметку: С законами сохранения энергии тесно связан закон пропорциональности, или взаимосвязи массы и энергии (эта связь совершенно универсальна): Изменение массы тела прямо пропорционально изменению полной энергии или приращению кинетической и собственной (потенциальной) энергии.

 

 

3 ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И НЕВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ ВЕЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВТОРОГО РОДА.

 

Согласно первому закону термодинамики, могут протекать  только такие процессы, при которых  полная энергия системы остается постоянной. Например, превращение  тепловой энергии полностью в  механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.

Второй закон термодинамики  утверждает, что не может быть создан вечный двигатель второго рода, который  бы производил работу за счет тепла  окружающей среды, без каких-либо изменений  в окружающих телах. То есть в природе  не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение  теплоты в работу. Этот закон утверждает, что во всех явлениях природы теплота  сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия.

Второй закон термодинамики  можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться  при необратимых процессах или  оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.

Второй закон термодинамики  говорит о том, что в замкнутой  системе при отсутствии каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть разность температур, т.е. теплота  не может самопроизвольно перейти  от более холодных частей к более горячим.

Согласно второму закону термодинамики, любые замкнутые  системы должны перейти в более  вероятное состояние, характеризуемое  термодинамическим равновесием  с наименьшей свободной энергией и с наибольшей величиной энтропии. Поэтому явление спонтанного (самопроизвольного) перехода вещества из симметричного состояния в асимметричное, сопровождаемое повышением упорядоченности и энергетического уровня системы и понижением ее энтропии, кажется просто нереальным. Однако трудности термодинамического характера в вопросе происхождения жизни до сих пор не определены. Решения пока нет.

Существует точка зрения, что второй закон термодинамики  не применим к живым системам, так  как они не являются замкнутыми системами. Живые системы — это открытые системы. Энтропия живых молекул  весьма низка и имеет тенденцию  к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным, а ее асимметрия не есть состояние нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического  равновесия и упорядоченности, более  сложной структурности и более  высокого энергетического уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности знания. Возрастание энтропии и говорит о необходимости поиска новой физической теории или биологической закономерности, описывающей это состояние.

 

 

 

4   ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

 

Окружающий нас мир  богат своими формами и многообразием  происходящих в нем явлений. Все. существующее представляет собой различные виды движущейся материи, которые находятся в состоянии непрерывного движения и развития. Движение как постоянное изменение присуще материи в целом и каждой ее мельчайшей частице. Можно выделить следующие формы движения материи:

- нагревание и охлаждение  тел;

- излучение света;

- электрический ток;

- химические превращения;

- жизненные процессы и  т.д.

Формы движения характеризуются  тем, что одни могут переходить в  другие, например, механическое движение может переходить в тепловое, тепловое — в химическое, химическое — в электрическое и т.д. Эти переходы свидетельствуют о единстве и непрерывной связи качественно разных форм материи. Но при всех разнообразных переходах одних форм движения в другие соблюдается основной закон природы — закон вечности материи и ее движения, который распространяется на все виды материи и все формы ее движения: ни один из видов движения материи и ни одна из форм ее движения не могут быть получены из ничего и превращены в ничто.

Молекулы состоят из атомов. Возможны два вида молекул: содержащие одинаковые атомы и молекулы, содержащие два или более различных атомов. Эти два вида молекул имеют  разные названия:

- элемент — состоит  из атомов только одного вида;

- соединение, или сложное  вещество, — состоит из двух  или более различных атомов.

Один моль каждого индивидуального  вещества обладает определенным теплосодержанием, равно, как и определенной массой. Теплосодержание является мерой  энергии, накапливаемой веществом  при его образовании. Тепловой эффект химической реакции равен разности между теплосодержанием ее продуктов  реакции и теплосодержанием реагирующих  веществ. Если теплосодержание реагирующих  веществ больше, чем у продуктов  реакции, то при такой химической реакции тепло выделяется и она называется экзотермической. Если же теплосодержание продуктов реакции больше, чем у реагирующих веществ, то при реакции тепло поглощается и такая реакция называется эндотермической.

То, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов химических реакций. Теплосодержание  иногда называют химической энергией, так как его величина тесно  связана с химическим составом вещества.

Каждый атом обладает энергией, часть которой связана с электронами  и часть — с ядром. Электроны  в атоме обладают кинетической энергией, и поскольку они притягиваются  ядром и отталкиваются друг от друга, то и потенциальной энергией. Алгебраическая сумма кинетической и потенциальной энергий и  составляют энергию, необходимую для  отрыва электрона от атомного ядра. Ядро же каждого атома — колоссальный источник энергии, которая связана  с взаимодействием ядерных частиц — нуклонов. Так как атомные ядра при химических реакциях не испытывают изменений, энергия ядер не изменяется. Поэтому энергия ядер не входит в теплосодержание молекул.

При нагревании твердого вещества увеличивается кинетическая энергия  колебательного движения молекул около  мест, занимаемых ими в кристаллической  решетке. С повышением температуры  эти тепловые колебания все больше нарушают упорядоченное строение кристалла. Когда же такое хаотическое тепловое движение молекул становится слишком быстрым, кристаллическая решетка полностью разрушается. При температуре, выше которой кинетическая энергия частиц обусловливает столь быстрое хаотическое движение, что кристаллическая решетка больше не может оставаться устойчивой, происходит фазовый переход — плавление твердого вещества.

В жидкости каждая молекула обладает значительно большей свободой движения, особенно поступательного  и вращательного. При нагревании жидкости молекулярное движение усиливается. Кинетическая энергия обуславливает  хаотическое движение, приводящее к  распределению молекул по возможно большему объему. Поэтому с ростом температуры по мере увеличения энергии  движения все большее число молекул  может удаляться из жидкой фазы туда, где потенциальная энергия минимальна. При этом происходит другой фазовый  переход — испарение жидкости.

Если продолжать нагревать  вещество, то наступит момент, когда  кинетическая энергия колебательного, вращательного и поступательного  движений по величине станет сравнима с энергией химических связей. Тогда  молекулы начинают разрушаться. По этой причине на Солнце не обнаружены молекулы, содержащие более чем два атома: только самые простые, двухатомные  молекулы. Температура на Солнце настолько  высока (6000 К), что более сложные  молекулы не могут существовать.

Если дальше продолжать нагревание, то в конце концов достигается температура, при которой кинетическая энергия настолько возрастает, что разрушаются ядра. Тогда начинаются ядерные реакции. Предполагается, что на некоторых звездах существуют условия, благоприятные для быстрых ядерных реакций. Затраты энергии при химических реакциях в 10—100 раз больше, чем при фазовых переходах.

 

• ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

 

По своему физическому смыслу начало термодинамики  представляет собой закон сохранения (изменения) энергии в термодинамике. Если согласно закону сохранения энергии  в механике, работа неконсервативных сил равна приращению механической энергии системы (в частности, работа диссипативных сил равна уменьшению механической энергии системы), то согласно первому началу термодинамики, приращение внутренней энергии термодинамической  системы равно сумме работы всех сил и энергии, переданной системе  путём теплопередачи. Причём, эти  силы (как и в механике) могут  быть как внешними, так и внутренними. Например, в опыте Джоуля, работа внешних сил приводит к увеличению внутренней механической энергии воды в неравновесном состоянии (возникновению  в ней потоков), а работа внутренних сил трения переводит эту механическую энергию во внутреннюю тепловую энергию  воды в равновесном состоянии (кинетическую энергию микроскопического движения молекул воды). Мерой необратимости  процесса в замкнутой системе  является изменением новой функции  состояния - энтропии, существование  которой у равновесной системы  устанавливает первое положение  второго начала о невозможности  вечного двигателя второго рода. Однозначность этой функции состояния  приводит к тому, что всякий необратимый  процесс является неравновесным.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

 

1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие, практикум, хрестоматия / А.А. Горелов. - М.: Владос, 2003. - 341 с.

2. Дубнищева  Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебник под ред. акад. Жукова М. Ф. 2-е изд. - М.: Маркетинг; Новосибирск: ЮКЭА, 2000. - 832 с.: ил.

3. Плотников М.Н. Концепции современного естествознания / М.Н. Плотников. - М.: МГУ, 2004. - 680 с.

4. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: курс лекций изд. 4-е / С.Г. Хорошавина.- Ростов-на-Дону: «Феникс», 2005.- 480