Если мы поразмышляем над предыдущими двумя главами, на ум сразу приходят два наблюдения. Во-первых, они охватывают значительный промежуток времени: почти две тысячи лет прошел путь от "Элементов" Евклида до "Начал" Ньютона, опубликованных в 1687 году. Во-вторых, они в первую очередь связаны с изучением движения, особенно движения небесных тел.
На волне ошеломляющего триумфа Ньютона наука получила новый мощный импульс. Его темпы ускорились, а масштабы значительно расширились. В течение немногим более трех столетий фундаментальные аспекты энергии, материи и свет был исследован с большим успехом, и были начаты совершенно новые области исследований.
Понятие "энергия" является одним из самых основных во всей физике. Но что такое энергия? Мы могли бы думать об этом как о валюте, используемой для проведения естественных транзакций. В любом природном процессе, можно сказать, всегда есть некоторое количество энергии, которая "переходит из рук в руки", чтобы "заплатить" за что-то.
Определенная сумма богатства, первоначально выраженная в долларах, позже может быть частично конвертирована в немецкие марки, часть которых позже все еще может быть конвертирована в Японские иены. При отсутствии каких-либо убытков (или комиссий), какая бы комбинация долларов, марок и иен у нас ни была, она все равно будет представлять собой первоначальную сумму богатства. Аналогично, энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но общее количество остается постоянным.
Физики говорят, что, если что-то или кто-то выполняет "работу" над "системой", система получает "энергию" в той или иной форме. Позже система может потратить часть или всю свою энергию на выполнение работы. Например, когда мы заводим часы на мантии, работа, которую мы выполняем, переходит в энергию, которая хранится в часовая пружина. Когда пружина медленно раскручивается, ее энергия тратится на "работу", вращая шестерни часового механизма.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
Механика Ньютона привела к определению двух форм энергии, называемых гравитационной потенциальной энергией и кинетической энергией.
Предположим, вас наняли для подъема тяжелого камня с помощью веревки и блока. Вы, конечно, хотели бы, чтобы вам платили пропорционально весу камня и высоте, на которую вы его поднимаете: именно так вы бы измеряли свою работу, как и физик.
Подняв камень на некоторую высоту, вы привязываете свой конец веревки к крюку на земле, а затем спрашиваете: какой именно энергией обладает камень приобретено из-за моей работы? Это скрытый, потенциальный вид энергии, подобный энергии сжатой спиральной пружины, готовой, но еще не свободной, к разрыву. Для нашей породы это называется гравитационной потенциальной энергией и определяется как произведение веса породы на ее высоту относительно некоторого контрольного уровня.
Если вы сейчас освободите камень, вы увидите, что у нас действительно есть энергия там. Камень начинает падать, ускоряясь по мере движения. Его потенциальная энергия преобразуется в другой вид энергии, называемый кинетической энергией, определяемой как половина массы, умноженная на квадрат скорости ("кинетическая" происходит от греческого слова, обозначающего движение). К тому времени, когда камень достигает земли, практически вся энергия, которую вы в него вкладываете, преобразуется в кинетическую энергию. Эту энергию можно использовать для выполнения полезной работы, если первоначальным намерением было что-то сломать на земле.
Таким образом, таким образом, объект обладает (гравитационной) потенциальной энергией в силу того факта, что он имеет вес на некоторой высоте; он обладает кинетической энергией в силу того факта, что его масса движется с некоторой скоростью.
Давайте теперь рассмотрим качели в парке. Если вы дадите ему один хороший толчок, он начнет колебаться. Достигнув высокой точки, он качнется вниз, преобразуя потенциальную энергию в кинетическую, так как теряет высоту, одновременно набирая скорость.
Когда он достигнет своей нижней точки, он будет качаться вверх, преобразуя кинетическую энергию в потенциальную энергию, по мере того как он набирает высоту, одновременно теряя скорость.
В идеальных условиях отсутствия трения и сопротивления воздуха колебания качели будут продолжаться вечно. Две формы механической энергии будут непрерывно преобразовываться друг в друга без потерь, и их сумма навсегда останется постоянной.
Однако в реальных условиях будет всего несколько колебаний, после чего качели остановятся. Вы проделали некоторую работу, когда дали этот толчок, и вложили немного энергии в "систему". Куда делась эта энергия?
Из-за трения и сопротивления воздуха выделяется тепло. Одним из главных триумфов физики 19-го века было экспериментальное доказательство того, что тепло еще одна форма энергии, которая должна быть внесена в баланс природы.
ТЕПЛО КАК ЭНЕРГИЯ
В течение 18-го века и половины 19-го века тепло считалось невесомой жидкостью, называемой калорийностью, которую нельзя было ни создать, ни уничтожить.
Понятие тепла как жидкости обеспечивает удобный мысленный образ: мы говорим о теплоте, текущей от более высокой температуры к более низкой, точно так же, как мы говорим о воде, текущей с более высокого уровня на более низкий.
Позже было показано, что тепло может вырабатываться в любых количествах за счет механической работы. Если, например, с помощью рукоятки вы сохраняете вращая лопастное колесо внутри какого-нибудь контейнера с водой, вы будете генерировать тепло и нагревать воду. В 1840-х годах английский физик (и пивовар) Джеймс Прескотт Джоуль, после обширных измерений пришел к выводу, что определенное количество из механической работы последовательно производит соответствующее количество тепла, которое, таким образом, следует рассматривать как другую форму энергии.
Измерение температуры
С понятием тепла тесно связано понятие температуры. Знакомый способ измерения температуры - с помощью ртутного термометра, используя либо шкала Фаренгейта, или шкала "по Цельсию" (100 градусов). В последнем случае 0° C присваивается уровню ртути, когда термометр находится в ванне с тающим льдом, а 100° C присваивается уровню ртути, когда он находится в ванне с кипящей водой. Интервал между ними разделен на 100 равных промежутков.
Две температуры, 0 ° C и 100° C, соответствуют 32 ° F и 212 ° F соответственно по шкале Фаренгейта. В любом масштабе нулевая точка была выбрана произвольно и не представляет собой нулевое значение чего-либо.
Международным стандартом научных измерений температуры является шкала Кельвина, названная в честь британского физика Лорда Кельвина. В этой шкале нулевой точкой является "абсолютный ноль", самая низкая возможная температура во Вселенной.
Шкала Кельвина для абсолютных температур аналогична шкале Цельсия, за исключением того, что -273 ° C становится 0 ° K и, следовательно, 0 ° C становится 273 °K.
ТЕРМОДИНАМИКА
В начале 1800-х годов Промышленная революция, зародившаяся в Великобритании в середине 1700-х годов, была в самом разгаре. Он приводился в движение паровым двигателем, первым практическим устройством для получения механической энергии из тепла. Это стало предпосылкой для рождения новой науки, получившей название "термодинамика". Это связано с тем, как связаны тепло, температура, работа и энергия. Два наиболее важных принципа этой науки известны как первый и второй законы термодинамики.
Первый закон термодинамики
В 1847 году немецкий физик Герман Гельмгольц предложил обобщить определение энергии, включив в него формы энергии, отличные от механической энергии, в ее кинетической и потенциальной формах.
Когда работа выполняется над системой, это увеличивает общую энергию этой системы. Дополнительная энергия может перейти в механическую энергию, тепло, электрическую энергию или какую-либо другую форму энергии. С другой стороны, система может потратить часть своей энергии на выполнение работы. Говорят, что система изолирована, когда она не получает энергию от своего окружения и не отдает энергию ему: ее общая тогда энергия в ее различных формах должна оставаться постоянной.
Как заявил Гельмгольц, "... количество энергии в природе так же вечно и неизменно, как и количество материи". Этот принцип энергии
Сохранение составляет первый закон термодинамики.
Хотя природа не ограничивает преобразование работы в тепло, она накладывает серьезные ограничения на преобразование тепла в работу. В принципе, второй закон термодинамики гласит, что такие ограничения существуют.
Рассмотрим, что происходит в паровом двигателе. Внутри цилиндра расширение горячего пара под давлением вызывает движение поршня, который, в свою очередь, заставляет вращаться колеса локомотива. Таким образом, часть тепла пара преобразуется в работу; остальная часть отводится в окружающую среду при несколько более низкой температуре.
Тепло в выхлопе все еще представляет собой энергию, но это деградированная форма энергии. Его тоже можно превратить в работу, но только в том случае, если мы сможем снизить его температуру до еще более низкой. Таким образом, хотя энергия сохраняется в изолированном в системе количество "свободной энергии", то есть энергии, доступной для выполнения работы, продолжает уменьшаться. Это один из нескольких способов изложения второго закона термодинамики.
Если Вселенная в целом представляет собой изолированную систему, второй закон предсказывает неизбежную гибель. В каком-то очень отдаленном будущем Вселенная, полностью лишенная "свободной энергии", полностью истощится. Произойдет так называемая "тепловая смерть".
Все, что останется, - это море неорганизованной материи, температура которой близка к абсолютному нулю.
Существует третий закон термодинамики.
В нем говорится, что абсолютная нулевая температура недостижима: по мере того, как мы приближаемся все ближе и ближе к этой минимальной температуре, становится все труднее извлекать дополнительную энергию и еще больше снижать температуру.
#физика #энергия #наука и техника #исследования ученых #тепло #ученые обнаружили #ньютон #законы физики #эксперименты