Законы сохранения в современной физике. Реферат. Закон сохранения и превращение энергии 4 Закон сохранения импульса и момента импульса 7

Название	Закон сохранения и превращение энергии 4 Закон сохранения импульса и момента импульса 7
Дата	06.05.2022
Размер	74.5 Kb.
Формат файла
Имя файла	Законы сохранения в современной физике. Реферат.doc
Тип	Закон #514820

Законы сохранения в современной физике
Оглавление

Введение 3

Закон сохранения и превращение энергии 4

Закон сохранения импульса и момента импульса 7

Закон сохранения электрического заряда 8

Закон сохранения массы 10

Заключение 12

Список литературы 13

Введение

Законы сохранения - фундаментальные физические законы, согласно которым при определённых условиях некоторые измеримые физические величины, характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.

Некоторые из законов сохранения выполняются всегда и при всех условиях (например, законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда), или, во всяком случае, никогда не наблюдались процессы, противоречащие этим законам. Другие законы являются лишь приближёнными и выполняющимися при определённых условиях (например, закон сохранения массы выполняется в нерелятивистском приближении; закон сохранения чётности выполняется для сильного и электромагнитного взаимодействия, но нарушается в слабом взаимодействии).

Цель работы на основе анализа специальной литературы по данному вопросу охарактеризовать законы сохранения в классической физике и отметить особенности, уточнения, которые эти законы принимают в современной физике.

Закон сохранения и превращение энергии

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе.^¹

Важным достижением на пути процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии. Открытие закона сохранения и превращения энергии связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца, которые пришли к нему разными путями. Формулировка закона сохранения и превращения энергии, согласно Г. Гельмгольцу: приращение кинетической энергии тела равно убыли его потенциальной энергии. Г. Гельмгольц выразил полученный закон в математической форме и связал закон сохранения энергии с принципом невозможности создания вечного двигателя. Д. Джоуль определил величину эквивалента перевода механической энергии в тепловую. Рассматривая различные виды энергии, Р. Майер в своей работе, выделил: кинетическую, потенциальную, их сумму - механическую энергию, тепловую, электрическую и химическую энергии, пришел к выводу, что все эти виды энергии могут взаимопревращаться - при условии неизменности общего количества энергии. Например, количественным выражением закона сохранения энергии в химическом производстве является тепловой (энергетический) баланс. Применительно к тепловым процессам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, принесенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии вынесенной веществами из этой зоны:

Q_ф + Q_э + Q_в = О_ф' + Q_n'

где Q_ф - теплота, введенная в процесс с исходными веществами; Q_э - теплота экзотермических реакций; Q_в - теплота, введенная в процесс извне; О_ф' - теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Q_n' - потери теплоты в окружающую среду.

Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. Закон сохранения энергии утверждает, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д.

В современной классической физике закон сохранения энергии имеет форму записи в виде обобщенного уравнения состояния замкнутой термодинамической системы:

W = Wk + Wp + U,

где W – полная энергия системы; Wk − кинетическая энергия системы в целом; Wp − потенциальная энергия системы в целом; U – внутренняя энергия системы.

Данное уравнение указывает на то, что энергия внутри системы может переходить из одного вида энергии в другой (из кинетической энергии в потенциальную) и, наоборот, при неизменности внутренней энергии. Такая форма записи закона сохранения энергии не учитывает возможности перехода энергии из одной формы в другую, то есть не учитывает классификацию энергии по формам и видам. Недостатком формы записи является ее приемлемость лишь для замкнутой системы.

Закон сохранения энергии можно распространить на незамкнутые системы, если принять во внимание принцип приращений. Этот принцип требует записывать определяющие уравнения, к которым относится и уравнение состояния, не в абсолютных значениях величин, а в их приращениях.

Для полного учета всех форм энергии в уравнение состояния должна быть добавлена сумма приращений энергии, вызванных изменением состояния системы под влиянием разных форм физического поля. Уравнение состояния принимает обобщенный вид:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj,

где i – число форм движения; j – число форм физического поля.

Это уравнение состояния является наиболее полной формой записи по сравнению с другими формами записи этого уравнения в современной физике и отражает не только перенос энергии из системы в среду или из среды в систему, но и перенос энергии из одной формы движения в другую внутри системы, из энергии любой формы движения в энергию физического поля и наоборот. Данное уравнение положены в основу закона сохранения энергии. Полное название этого закона - закон сохранения и превращения энергии.^¹

Закон сохранения энергии - закон, управляющий всеми явлениями природы; исключений из него науке неизвестно. Закон сохранения энергии имеет большое практическое значение, поскольку существенно ограничивает число возможных каналов эволюции системы без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается возможным априорно отвергнуть любой весьма проект весьма экономически привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, способного совершать работу, превосходящую необходимые для его функционирования затраты энергии).

Таким образом, закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.^²

Закон сохранения импульса и момента импульса

Для импульса справедлив фундаментальный закон природы, называемый законом сохранения импульса.

В наиболее простом случае закон сохранения импульса может быть сформулирован следующим образом: при взаимодействии двух тел их общий импульс остается неизменным, то есть сохраняется.^¹

Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Однако, этот закон сохранения верен и в случаях, когда Ньютоновская механика неприменима (релятивистская физика, квантовая механика). В настоящее время не существует каких-либо экспериментальных фактов, свидетельствующих о невыполнении закона сохранения импульса.

p = m v

Понятие импульса в классической механике характеризует поступательное движение тел, момент импульса вводится для характеристики вращения и является следствием утверждения о том, что свойства окружающего мира не изменяются при поворотах (или повороте системы отсчета) в пространстве.

В случае неравенства нулю момента силы наблюдается весьма «необычное» с точки зрения «здравого смысла» поведение быстро вращающихся тел (их момент импульса направлен по оси вращения) с помещенной на острие осью вращения. Такие тела под действием внешних сил (например, силы тяжести) вместо того, чтобы перемещаться в сторону действия силы, начинают медленно вращаться вокруг острия в перпендикулярной приложенной силе плоскости. Несмотря на то, что подобное поведение является непосредственным следствием законов Ньютона (или еще более общих законов сохранения и симметрии), этот эффект часто не только вызывает удивление у лиц, мало знакомых с точными науками, но и дает им повод рассуждать об «ошибочности современного естествознания вообще и классической физики в частности.^¹

Закон сохранения импульса следует из однородности пространства. Все точки пространства равноправны, поэтому перенос системы никак не повлияет на ее свойства.

Закон сохранения момента импульса исходит из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.^²

Закон сохранения электрического заряда

Законам взаимодействия атомов и молекул можно дать объяснение на основе представлений о том, что в природе существуют электрические заряды. Электрические заряды могут появляться не только в результате электризации при соприкосновении тел, но и при других взаимодействиях. В замкнутой системе, в которую не входят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая (с учетом знака) сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.^¹

Закон сохранения заряда выполняется абсолютно точно. На данный момент его происхождение не известно, в частности, не известно с какой симметрией он связан. Требование релятивистской инвариантности приводит к тому, что закон сохранения заряда имеет локальный характер: изменение заряда в любом заданном объёме равно потоку заряда через его границу. В изначальной формулировке был бы возможен следующий процесс: заряд исчезает в одной точке пространства и мгновенно возникает в другой. Однако, такой процесс был бы релятивистски неинвариантен: из-за относительности одновременности в некоторых системах отсчёта заряд появился бы в новом месте до того, как исчез в предыдущем, а в некоторых - заряд появился бы в новом месте спустя некоторое время после исчезновения в предыдущем. То есть был бы отрезок времени, в течение которого заряд не сохраняется. Требование локальности позволяет записать закон сохранения заряда в дифференциальной и интегральной форме.^²

В современной физике закон сохранения заряда, как обобщенного закона существуют в частном проявление закона сохранения массы, если учитывать гравитационную массу как заряд гравитационного поля, то следует говорить о законе сохранения гравитационного заряда. И тогда законы сохранения электрического и гравитационного зарядов можно рассматривать, как частные случаи закона сохранения обобщенного заряда. Гравитационная и инертная массы в соответствии с принципом эквивалентности масс в современной физике приравниваются. Нерелевантность данного принципа имеет экспериментальное подтверждение.

Закон сохранения массы

Закон сохранения массы - исторический закон физики, согласно которому масса как мера количества вещества сохраняется при всех природных процессах, то есть несотворима и неуничтожима.

Закон сохранения массы исторически понимался как одна из формулировок закона сохранения материи. Одним из первых его сформулировал древнегреческий философ Эмпедокл (V век до н. э.).

Закон сохранения массы вещества открыли М. В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули развитие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности взвешивание. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме масс продуктов химической реакции.^¹

Понимая значение законов сохранения, неуничтожимости материи для науки, М.В. Ломоносов, подтверждая свои мысли, повторил опыты английского ученого XVII в. Р. Бойля и получил тот же результат: вес металла увеличился; видоизменив опыт: после нагревания реторты на огне и охлаждения ее взвешивает сосуд, не отламывая горлышка, он доказал, что «без допущения внешнего воздуха вес сожженного металла останется в одной мере, никакой материи огня в реторту не проникает».^²

Закон сохранения массы звучит так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.^³

В общефизическом смысле закон сохранения массы можно подвергнуть сомнению. Например, электрон и позитрон, обладающие массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы покоя. А масса дейтрона, состоящего из одного протона и одного нейтрона, не равна сумме масс своих составляющих, поскольку следует учитывать энергию взаимодействия этих частиц. Подтверждается это и тем, что при радиоактивном распаде совокупная масса вещества уменьшается. Закон сохранения массы в физике работает с известными оговорками, а на самом деле является ограниченным и частным случаем закона сохранения энергии, с учётом известного соотношения для энергии массы покоя частиц: E = mc².

Таким образом, с точки зрения современной физики, этот закон неверен.

Заключение

Подведя итоги проделанной работы, можно сделать следующие выводы. В современной физике прочтение законов, установленных несколько веков назад и подтвержденные опытами, принимают новое значение, получают уточнения в связи с развитием науки.

Так, например, классический закон сохранения массы в современной интерпретации подвергается сомнениям и работает только с учетом оговорок. Фундаментальный закон сохранения энергии о том, что энергия не исчезает и не появляется, а переходит из одной формы в другую, то есть сохраняется неизменной в изолированной системе, можно распространить и на незамкнутые системы, если принять во внимание принцип приращений, о чем было сказано выше.

Таким образом, некогда универсальные законы сохранения сегодня дополняются условиями, что позволяет их применять и в других областях, хотя бывают и исключения, когда классический закон можно принять в современных условиях, только с оговорками.

Список литературы

Громов С.В. Физика: учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений / С.В. Громов, Н.А. Родина. – 4-е изд. – М.: Просвещение, 2002. – 158 с.ил.
Грушевицкая Т. Г., Садохин А. П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1998. - 383 с.
Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. - 540 с.
Садохин А. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 447 с.
Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / Изд. 4-е. – Ростов-на Дону: Феникс, 2005. - 480 с.

1 Садохин А. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 447 с.

1 Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. - 540 с.

2 Гусейханов М. К., Раджабов О. Р. Концепции современного естествознания: Учебник. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2007. - 540 с.

1 Громов С.В. Физика: учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений / С.В. Громов, Н.А. Родина. – 4-е изд. – М.: Просвещение, 2002. – 158 с.ил.

2 Садохин А. П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 447 с.

1 Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / Изд. 4-е. – Ростов-на Дону: Феникс, 2005. - 480 с.

2 Хорошавина С. Г. Концепции современного естествознания: курс лекций / Изд. 4-е. – Ростов-на Дону: Феникс, 2005. - 480 с.

3 Грушевицкая Т. Г., Садохин А. П. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Высшая школа, 1998.-383 с.