Читать онлайн «Концепции современного естествознания: Шпаргалка». Страница 4

14. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Все силы, встречающиеся в макроскопической механике, принято разделять на консервативные и неконсервативные.

Консервативными называют такие силы, работа которых на пути между двумя точками зависит не от формы пути, а только от положения этих точек.

Если на систему частиц действуют только консервативные силы, можно для нее ввести понятие потенциальной энергии. Какое-либо произвольное положение системы, характеризующееся заданием координат ее материальных точек, условно примем за нулевое. Работа, совершаемая консервативными силами при переходе системы из рассматриваемого положения в нулевое, равна потенциальной энергии системы в первом положении. Работа консервативных сил не зависит от пути перехода, а потому потенциальная энергия системы при фиксированном нулевом положении зависит только от координат материальных точек системы в рассматриваемом положении. Иными словами, потенциальная энергия U системы является функцией только ее координат.

Работа любых консервативных сил Аконс всегда происходит за счет убыли потенциальной энергии,

т. е. Аконс = U1 – U2 = -ΔU.

Работа неконсервативных сил, в отличие от консервативных, зависит от формы пути. Неконсервативные силы могут совершать как положительную, так и отрицательную работу. К неконсервативным силам, совершающим отрицательную работу, относятся, например, силы трения и сопротивления при движении тела в жидкости или газе. Это обусловлено тем, что направление действия этих сил и направление перемещения тела противоположны

(dAнеконс = FнеконсdS= Fнеконсdscos180° = -Fнеконсds)

Изменение кинетической энергии частицы будет определяться работой консервативных и неконсервативных сил:

Aконс + Aнеконс = K2 – K1 = ΔK (1)

а изменение потенциальной энергии будет обусловлено только работой консервативных сил:

Aконс = U1 – U2 = –ΔU. (2)

Тогда, подставляя (2) в (1), получим

ΔK + ΔU = Δ(K + U) = Aнеконс. (3)

Из анализа формулы (3) следует, что работа неконсервативных сил идет на приращение суммы кинетической и потенциальной энергий частицы, которую называют полной механической энергией и обозначают буквой E, т. е.

E= K + U. (4)

Итак, из (3) и (4) следует, что приращение полной механической энергии частицы на конечном перемещении из точки 1 в точку 2 равно работе неконсервативных сил:

ΔE = E2 – E1 = Aнеконс, (5)

где E1 и E2 – полные механические энергии частицы в точках 1 и 2 соответственно.

Формула (5) выражает закон изменения полной механической энергии частицы: приращение полной механической энергии частицы на некотором пути равно алгебраической сумме работ всех неконсервативных сил, действующих на частицу на том же пути.

Если Анеконс > 0, то полная механическая энергия частицы увеличивается, если же Анеконс < 0, то уменьшается.

Из закона изменения полной механической энергии частицы следует закон сохранения этой величины: если на частицу не действуют неконсервативные силы или работа неконсервативных сил на любом перемещении при переходе частицы из точки 1 в точку 2 равна нулю, то полная механическая энергия частицы сохраняется

(E1 = E2 = E = const), т. е.

E= K + U = const. (6)

Выражение (6), в частности, означает, что если на частицу действуют только консервативные силы, то сохраняется сумма кинетической и потенциальной энергий, однако при этом может происходить превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Закон сохранения полной механической энергии в форме (6) может быть записан и для системы частиц, не взаимодействующей с внешними телами, при условии, что в системе действуют только консервативные силы. Закон сохранения энергии остается инвариантным (форма его записи остается той же самой) при изменении начала отсчета времени. Это является следствием однородности времени.

Законы термодинамики описывают поведение так называемых макроскопических систем, т. е. тел (твердых, жидких или газообразных), состоящих из большого числа частиц. Равновесное состояние макроскопической системы полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Состояние однородных тел полностью фиксируется заданием любых двух из трех величин: давления p, объема V и температуры T. Связь между p, V и Tхарактерна для каждого твердого тела, жидкости или газа, она называется уравнением состояния. Например, для идеального газа массы m уравнением состояния является уравнение Клапейрона – Менделеева:

pV = vRT,

где v = m/μ – число молей газа массой m (μ – молярная масса); R = 8,31 Дж/(К моль) – универсальная газовая постоянная.

В основе термодинамики лежат фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Поэтому закономерности в соотношениях между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, носят универсальный характер. Обоснование законов термодинамики, их связь с законами движения частиц, из которых построены тела, дается статистической физикой, задачей которой является выражение свойств макроскопических тел, т. е. систем, состоящих из большого количества частиц (молекул, атомов, электронов и т. п.), через свойства этих частиц и их взаимодействия.

Необходимым условием термодинамического равновесия в системе является равенство значений температуры для всех частей системы. Существование температуры – параметра, единого для всех частей системы, находящейся в термодинамическом равновесии, иногда называют нулевым началом термодинамики.

Существуют два принципиально разных способа изменения внутренней энергии системы: первый связан с работой системы по перемещению окружающих тел (или работой этих тел над системой), второй – с сообщением системе теплоты (или с отводом ее) при неизменном расположении окружающих тел (или с работой на микроуровне, совершаемой молекулами одного тела над молекулами другого тела при их соприкосновении).

Первое начало термодинамики утверждает, что количество теплоты (тепла) dQ, сообщенное системе, идет на увеличение ее внутренней энергии dU и на совершение системой работы dA, т. е.

dQ = dU + dA.

Если система совершает термодинамический цикл, т. е. в конечном счете возвращается в исходное состояние, то изменения внутренней энергии не произойдет и полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, будет равно совершенной ею работе.

Первое начало термодинамики представляет собой по сути закон сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Это утверждение эквивалентно утверждению о невозможности создания вечного двигателя 1-го рода. Вечный двигатель 1-го рода – это такая машина, которая, будучи однажды запущена в ход, способна работать неопределенно долго и совершать полезную работу, не потребляя энергии извне. Поскольку ни при каком преобразовании энергии нельзя увеличить ее количество, а полезная работа в этом случае

может совершаться только расходуя внутреннюю энергию системы, то отсюда и следует невозможность создания такого двигателя.

Первое начало термодинамики позволяет определить энергетический баланс любого процесса, но не указывает на направление протекания этого процесса.

Многочисленные опыты показывают, что в отличие от механического движения все тепловые процессы необратимы. Это означает, что если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором система проходит те же термодинамические состояния, но в обратном порядке, практически невозможен. Однако если создать условия, при которых система будет переходить из состояния 1 в состояние 2 бесконечно медленно через последовательность квазиравновесных (почти равновесных) состояний, то такой квазистатический процесс можно считать обратимым.

Немецкий физик Р. Клаузиус (1822–1888) сформулировал в 1850 году второе начало термодинамики: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым. Независимо от Клаузиуса в несколько иной форме этот принцип сформулировал в 1851 году У. Томсон: невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара. Обе формулировки второго начала термодинамики, являясь эквивалентными, подчеркивают существенное различие в возможностях реализации энергии, полученной за счет внешних источников, и энергии беспорядочного (теплового) движения частиц тела.