Энергия – универсальная мера материи

      Честь открытия механической теории тепла  с Майером и Джоулем разделяет  также датский инженер Кольдинг, поставивший эксперимент по измерению  теплоты, выделяющейся при движении тел с различной скоростью  по металлическим, деревянным и прочим поверхностям вследствие трения.

      Цикл  открытий 40-х годов XIX века был в  известной мере подкреплен работой  Германа Гельмгольца «О сохранении силы», вышедшей в 1847 году. Герман Гельмгольц, немецкий врач и естествоиспытатель, впоследствии стал одним из выдающихся физиков XIX века. В своей работе Г. Гельмгольц придает принципу сохранения строгую и четкую форму. Он вводит новую количественную характеристику, которая равна работе по величине, но берется с противоположным знаком. Эта характеристика соответствует современному понятию потенциальной энергии. Гельмгольц назвал ее напряжением, а вместо величины mV² он предлагает рассматривать в качестве «живой силы» величину mV²/2 и получает закон сохранения механической «силы»:

              живая сила + напряжение = const (постоянно).

      «Сумма  существующих в природе напряженных  сил и живых сил постоянна. В этой наиболее общей формулировке мы можем наш закон назвать  принципом сохранения сил».

      Надо  сказать, что Майер придавал закону сохранения не просто немеханический характер, в отличие от Гельмгольца, сформулировавшего, по существу, закон сохранения механической энергии, но и распространил его как на «мертвую» (включающую физические и химические процессы), так и на «живую» природу. Однако строгая формулировка Гельмгольца позволяла выйти за рамки механики и придать впоследствии закону сохранения универсальный характер.

      Работами  Майера, Джоуля, Кольдинга и Гельмгольца  был выработан «закон сохранения сил». Тем не менее, первая ясная  формулировка этого закона была получена Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), которые внесли наиболее значительный вклад в развитие термодинамики. Сади Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и работы друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь, в тепловых машинах, и тем самым явился основателем науки, которая впоследствии была названа Уильямом Томсоном «термодинамикой». Термодинамическое рассмотрение ограничивается, в основном, изучением особенностей превращения тепловой формы движения в другие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих веществ.

      История открытия закона сохранения и превращения  энергии привела к изучению тепловых явлений в двух направлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом. Молекулярно-кинетическая теория явилась развитием упоминаемой выше кинетической теории вещества (альтернативной теплородной). Она характеризуется рассмотрением различных макропроявлений систем как результатов суммарного действия огромной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует статистический метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика. Оформившись к середине XIX века, оба эти направления, подходя к рассмотрению изменения состояния вещества с различных точек зрения, дополняют друг друга, образуя одно целое.

      До  тех пор, пока Клаузиус и Томсон, исследуя более подробно работу тепловой машины Карно, не пришли к выводу (независимо друг от друга) о том, что в основе цикла Карно лежат два независимых  принципа — первое и второе начала термодинамики, нельзя было с твердой уверенностью принять закон сохранения энергии. По существу, работы Джоуля, Майера и Кольдинга устанавливают первое начало термодинамики. Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал уравнение, которое не содержалось в работе Карно. Надо было сделать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл «теплом, содержащимся в теле» (U), в отличие от «тепла», сообщенного телу» (Q). Величину U можно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над телом механическую работу (А) или сообщая ему количество теплоты (Q):

              ΔU=A+Q.

      В 1860 году Уильям Томсон, заменив термином «энергия» устаревший термин «силы», записывает первое начало термодинамики, которое он называет «основным положением механической теплоты»:

              количество  теплоты, сообщенное газу, = увеличению

              внутренней  энергии газа + совершению внешней работы.

      Следует еще раз подчеркнуть важное значение установления эквивалентности теплоты и работы. Именно понимание количества теплоты как меры изменения внутренней энергии способствовало установлению закона сохранения и превращения энергии.

Взаимопревращения различных видов  энергии друг в  друга

      Установлению  закона сохранения и превращения энергии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механического эффекта в «электричество», о «химической силе вещества», о превращении «химической силы» в теплоту и электричество. Он распространяет положение о сохранении и превращении этих различных «сил» природы на живые организмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.

      Исследования  электрических явлений давали серьезные  основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных  форм движения друг в друга. В 1800 году Воль изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к открытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух металлических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствует о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает соотношение между величиной количества теплоты, выделяемой при прохождении электрического тока через проводник, и величиной самого тока и сопротивления проводника (закон Джоуля—Ленца).

      На протяжении более четырех десятилетий формировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая революция в физике.

Заключение. 

    В заключение контрольной работы хочется сделать следующие выводы, что:

       1. Энергия — единая мера различных форм движения материи.

      2. Механическая энергия и тепловая энергия — это только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, есть тоже форма энергии.

      3. Возможны два качественно различных  способа передачи энергии от  одного макроскопического тела  к другому — в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). При этом макроскопическое тело рассматривается как огромная совокупность микрочастиц.

      4 Передача энергии в форме работы  производится в процессе силового  взаимодействия тел и всегда  сопровождается макроперемещением. Работа, совершаемая над телом, может непосредственно пойти на увеличение любого вида энергии.

    5. Передача энергии путем теплообмена  между телами обусловлена различием  температур этих тел. Энергия,  получаемая телом в форме теплоты,  может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии.

      6. Всеми явлениями природы управляет закон сохранения и превращения энергии:

      энергия в природе не возникает  из ничего и не исчезает: количество энергии  неизменно, она только переходит из одной формы в другую. 
 
 
 
 
 

Библиографический список 
 
 
 

1.. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов./ Рузавин Г.И - М.: ЮНИТИ, 2000. - 287 с.  

2. Концепции современного естествознания. Часть 1. Информационные процессы в неживой природе: Учебное пособие / С.В.Шапиро. – Уфа: Уфимск. гос. акад. экон. и сервиса, 2006. – 109 с. 

3. Концепции  современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Изд. третье. Ростов н/Д: «Феникс», 2001. - 576 с. (Сер. «Учебники и учебные пособия») 

4. Краткий курс по концепциям современного естествознания: учеб.пособие / О.В.Агуреева. – М: Издательство «Окей-книга», 2007. -154 с.