Новая формулировка закона сохранения энергии

Размещено на http://allbest.ru

НОВАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Аннотация: в статье обсуждается проблема догматизма в науке, которой является понятие энергии и закона её сохранения. Приводятся доказательства неточности их формулировок. Одновременно указывается на неверное понимание термина «работа». Предлагается новая формулировка понятий работы и энергии, а также закона сохранения энергии.

Ключевые слова: понятия энергии и работы, закон сохранения энергии.

A NEW FORMULATION OF THE LAW OF CONSERVATION OF ENERGY

Bogoslovsky M.

Abstract: the article discusses the problem of dogma in science, which is the concept of energy and the law of its conservation. Proofs of inaccuracy of their formulations are given. At the same time, an incorrect understanding of the term "work" is indicated. A new formulation of the concepts of work and energy, as well as the law of conservation of energy, is proposed.

Keywords: concepts of energy and work, the law of energy conservation.

догматизм наука сохранение энергия термин работа

Введение

Значение одного из фундаментальных понятий физического мира «энергия» - до сих пор остаётся не только не до конца ясным, но и спорным. Удивительно, но после слов Нобелевского лауреата Р.Фейнмана о том, что в современной ему физике неизвестно, что такое энергия [4], прошло уже более 50 лет, но за эти годы так и не был выяснен физический смысл этого понятия [1, с. 64]

Люди, находясь под давлением догматических знаний, которые им внушались в школе и институте, как правило, в них не сомневаются и не могут к ним относиться критически. Академии, формирующие научные знания населения Земли, не хотят признавать, что законы Природы, сформулированные в XVIII - XIX века, были весьма несовершенны, их понимание было наивным и сегодня некоторые из них нуждаются в уточнении и даже переоценке. Причиной несовершенства формулировок этих законов являлся низкий уровень развития науки, её приборов, методик проведения экспериментов и анализа полученных материалов. Очень часто контрольных опытов не ставили, а математика хотя и улучшала достоверность полученных данных и придавала им флёр научности, но оказалась не в состоянии прояснить суть физических процессов и явлений. Против догм как в религиях, так и науках выступать всегда было очень трудно. Против научных догм можно выступать только в том случае, когда новые знания, в том числе теории продвигаются с помощью влиятельных в обществе людей, за которыми стоят руководители страны, как это было в СССР, или банки, как в западном обществе.

Одной из таких догм является закон сохранения энергии, формулировка которого уже давно нуждается в пересмотре.

О понятии «энергия»

Согласно последнему отечественному словарю-справочнику по физике «Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся универсальной количественной мерой движения и взаимодействия всех форм материи» [2]. К сожалению, это определение не раскрывает главного - сути этого физического явления. Вместо этого оно даёт всего лишь одну его характеристику - то, что это скалярная физическая величина, которую можно использовать как универсальную количественную меру движения и взаимодействия всех форм материи. В этом же словаре отмечается важное свойство энергии - её способность к преобразованию, которое проявляется «в виде работы тех или иных сил». Близкое к этому определение даётся в энциклопедии по физике под ред. Ю.В. Прохорова [3]: «Энергия - общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи».

К сожалению, у этих формулировок выявляется ряд неточностей:

- Энергия причислена к скалярным величинам. Авторы упустили, что она может иметь не только численное значение, но быть и векторной величиной. Без векторного приложения энергии не может быть силы, которая заставляет камень, пулю, ракету и т.д. лететь, а транспорт двигаться в заданном направлении. В этих и других подобных случаях из скалярной величины энергия переходит в векторную.

- Существенным недостатком этой и других формулировок определения энергии является то, что в них не указывается то, что сама она материальна, т.е. представляет определенную форму материи. Эта поправка особенно важна сегодня, когда повсеместно наблюдается попытка стереть границы материального и сверхъестественного, сблизить материалистическое и религиозное восприятие мира, стереть их границы.

- Энергия не только представляет форму материи, но без неё материя существовать не может; энергия, это природное средство существования материи.

- Энергия не только способна к преобразованию, но её преобразование являются её непременным свойством, атрибутом.

- Ещё одно важное свойство энергии состоит в том, что хотя она и не возникает из ничего, но обладает важнейшим свойством вырабатываться и накапливаться, в результате чего исходное количество энергии может многократно увеличиваться. Это позволяет создавать запас энергии, чем люди пользуются в своей повседневной жизни и промышленном производстве. Накопление энергии происходит и в Природе, например, при образовании звёзд, а в земных условиях при накапливании атмосферного электричества, при накапливании кинетической энергии, обусловленной давлением тектонических плит, что приводит к появлению цунами и извержению вулканов. Постоянное накопление энергии, как и её постоянный расход, происходит и в живых организмах, в том числе, в человеческом.

- В традиционной формулировке понятия энергия отсутствует её важное свойство - динамичность. Сконцентрированная в одном месте пространства или в теле энергия, в соответствии с законом концентрации и рассеивания энергии и материи, она стремится к распространению и переходу в соседнее пространство и материальные образования. При этом любая передача энергии на какое-то расстояние, даже без её преобразования, приводит к большему или меньшему её уменьшению. Причём чем больше это расстояние, тем потеря энергии будет больше. В том числе в замкнутом пространстве, разумеется протяженном. Величина этой потери зависит от среды, через которую происходит эта передача. В Природе не существует среды, лишенной материи, что означает, что даже в космическом пространстве такие потери неизбежны. И чем больше сопротивление такой передающей среды, тем больше будут потери энергии.

В западных странах существует другое понимание энергии, основанное на её связи с работой. Так, в словаре по физике, изданном в Германии, сказано, что в классической физике энергия определяется, как способность производить определенную работу [8, с. 269]. Ещё больше на связь энергии с работой указывает английский учебник физики для ученых и инженеров, называя энергией аккумулированную работу или запасом работы, которую эта энергия способна выполнить [7].

Связь энергии с работой действительно существует, но она, как следует из перечисленных свойств энергии, не является единственным основанием для её определения. Все замечания, сделанные в отношении формулировки энергии, существующей у нас, всецело относятся к таковой в западных странах.

Разбор названных выше ошибок требуют признать существующие формулировки понятия «энергия» неполными и в целом неверными.

В качестве новой формулировки можно предложить, например, такую:

Энергия - это природное средство существования материи, представляющая собой первооснову мироздания, материальную субстанцию, являющуюся составной частью материального мира, эволюционирующую в пространстве совместно с формами вещества, находящегося в разных агрегатных состояниях. Важнейшим свойством энергии является её способность производить работу по изменению структуры и свойства тел, а также перемещения их в пространстве.

Уточнение формулировки закона сохранения энергии

Как известно, по существу, первым автором закона сохранения энергии (ЗСЭ) был наш великий ученый М.В.Ломоносов, который изложил его в июле 1748 года в письме Леонарду Эйлеру. Удивительно, но сегодня западные ученые под влиянием оголтелой русофобии не желают признавать первенство в открытии этого закона М.В. Ломоносова и в разных научных изданиях приписывают его коллективному Западу: немецкому врачу и естествоиспытателю Юлиусу Майеру (Julius von Mayer, 1814-1878), английскому физику Джеймсу Джоулю (James Joule, 1818-1889) и немецкому врачу и физику Герману Гельмгольцу (Hermann von Helmholtz, 1821-1894). Т.е. кому угодно, но только не русскому учёному, который описал этот закон почти на сто лет раньше!

Современное понимание ЗЭС дано в российском словаре-справочнике Е.С. Платунова с соавт. [2]: «Универсальный закон сохранения и превращения энергии - фундаментальный закон сохранения, в котором утверждается, что полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной при всех изменениях и превращениях, происходящих внутри системы». Но там же говорится, что процесс преобразования энергии проявляется в виде работы тех или иных сил.

Здесь следует отметить, что этот закон совершенно несправедливо получил название первого начала термодинамики, хотя последняя является всего лишь разделом физики, изучающим теплоту и закономерности теплового движения. Т.о., первое начало термодинамики следует считать всего лишь частым случаем ЗСЭ, а вовсе не эквивалентом этого закона.

Ошибочность этой формулировки ЗСЭ состоит в следующих моментах:

- прежде всего, эта формулировка говорит о состоянии энергии в замкнутом пространстве. Но в Природе никакого замкнутого пространства, которое заполнено макроскопической системой, из которого энергия не может исходить и в которое она не может проникать, не существует. Это всего лишь абстракция, модель, схоластическая выдумка. Т.о., закон о состоянии энергии в замкнутом пространстве никак не может претендовать на всеобщий закон Природы.

- другая фундаментальная ошибка состоит в том, что хотя академическая наука и делает оговорку, что процесс преобразования энергии проявляется в виде работы тех или иных сил, т.е. все превращения форм энергии происходят за счёт работы, она не делает на этом акцент. А зря.

В результате создаётся впечатление, что эта работа происходит без затраты энергии. А это означает, что эта формулировка по умолчанию внушает, что никакого уменьшения исходного количества энергии в условиях замкнутого пространства не происходит и происходить не может. Но ведь это не так, т.к. превращенной энергии всегда будет меньше, чем исходной, потому что часть её будет затрачена на работу по её превращению! Даже в условиях замкнутого пространства! Что означает последовательное уменьшение первоначального количества энергии. Иначе: любая работа, независимо от того, производится она в замкнутом или незамкнутом пространстве, всегда происходит с затратой энергии.

Т.о., наблюдается явное противоречие: с одной стороны, авторы обсуждаемого закона говорят, что полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной при всех изменениях и превращениях, происходящих внутри системы, а с другой признают, что все превращения форм энергии происходят путём работы, которая выполняется за счёт энергии. Такая противоречивая формулировка свидетельствует, что её авторы не до конца понимают суть постулируемого ими закона. Зато становится ясно, что формулировка ЗСЭ в таком виде нуждается в исправлении.

В своё оправдание защитники общепринятой формулировки могут возразить, что на работу по превращению форм энергии затрачивается лишь небольшая её часть, которой можно пренебречь. Однако это не так. На деле на работу по преобразованию форм энергии в среднем затрачивается от 6 до 40% исходной энергии при превращении её в электрическую, примерно 10% при превращении гравитационной водяной энергии в турбине в электрическую и 30-40% при превращении электрической энергии в тепловую [6].

А это означает, что в каждом таком случае исходной энергии становится меньше! А при многократных превращениях форм энергии, исходное количество энергии может и полностью исчезнуть!

Наконец, ещё одно замечание состоит в том, что из академической формулировки, по умолчанию, следует, что переход из одной формы энергии в другую происходит как бы сам собой, спонтанно, чего на деле не бывает. Для того, чтобы одна форма энергии превращалась в другие её формы нужна причина. Такой причиной является препятствие, которое поток энергии должен преодолеть, совершая для этого определенную работу. Например, при движении электрической энергии по проводнику таким препятствием является его сопротивление, которое может приводить к переходу этой энергии в тепловую энергию. Световая энергия Солнца в виде солнечного света тоже сама по себе не превращается в электрическую. Это происходит лишь тогда, когда она встречает на своём пути препятствие в виде фотоэлектрических преобразователей в т.н. солнечной панели. В отсутствии же препятствия энергия распространяется без изменения своей формы. Это распространение продолжается до полного выравнивания её исходного уровня с её уровнем в окружающей среде.

- обобщая понятие энергии, эта формулировка не делает различия между её формами. Ведь если ограниченное количество исходной формы энергии превратилось в её другую форму, то этого исходного количества станет меньше! Не говоря уже о том, что если она полностью перешла в другую форму энергии, это будет означать, что исходной формы энергии уже не будет, т.к. она исчезнет! Конечно, можно возразить, что ведь сама энергия не исчезла! Но это будет уже другая энергия, другая её форма! И это возражение будет лишь неуклюжей попыткой отрицать принципиальную возможность исчезновения энергии в какой-то конкретной форме. Для космического пространства это не имеет значения, а вот для человеческой деятельности имеет значение огромное. Ведь не всякую форму энергии люди сегодня могут использовать. Например, мы сегодня не можем напрямую превращать гравитационную энергию в электрическую или тепловую;

- утверждение, что энергия лишь переходит из одной формы в другую, по сути, упускает её использование для выполнения каких-либо работ человеком в хозяйстве и промышленности! Хотя любой вид работ, как известно, требует энергии. А это значит, что количество энергии, если оно первоначально ограничено (отсутствует непрерывное или периодическое её поступление), будет уменьшаться. И если работа производится длительное время и требует много энергии, то исходная энергия не только будет уменьшаться, но может и полностью исчерпаться, т.е. прекратит своё существование! В таком случае, для продолжения работы нужна будет новая порция энергии! Поэтому людям для хозяйственной и промышленной деятельности нужно постоянное поступление разных видов энергии через электро-, нефте- и газопроводы. А вся эта энергия стоит больших денег, чего совершенно не учитывает академическая формулировка ЗСЭ! Ведь по её умолчанию, вся энергия не только ни на что не расходуется, она ещё и ничего не стоит, она вообще бесплатна!

По умолчанию, существующая формулировка ЗСЭ создаёт ложное впечатление, что все виды работ, которые выполняет человек в быту и на производстве, происходят без затраты энергии! По сути, такая формулировка является обоснованием своеобразного лохотрона - людям внушают, что ничего не вкладывая, т.е. не совершая никаких затрат на выполнение работы по добыванию энергии, можно получать и пользоваться ею бесплатно! А в более широком смысле - за работу платить ничего не надо! Зачем для получения энергии строить дорогостоящие гидро-, тепло- и атомные станции, термоядерные реакторы и модные сегодня ветровые установки и солнечные панели, когда вездесущая, неисчерпаемая энергия находится где-то рядом, бесконечно переходя из одной формы в другую! Очень удобно!

- Важно также отметить, что ошибочность общепринятой формулировки ЗСЭ распространяется и на энергию живых организмов. Если бы энергия только и делала, что бесконечно переходила из одной формы в другую, и при этом её количество сохранялось неизменным (!), то живые организмы не нуждались бы в постоянном поиске источников энергии (пищи) и создания её запаса. У животных, добытая в качестве источника энергии пища, расходуется на выполнение работ по обеспечению основного обмена - на работу по жизнеобеспечению систем организма, работу внутренних органов, а у гомойотермных животных на поддержание постоянства температуры тела. Эта энергия также расходуется на процессы клеточного метаболизма, в первую очередь для поддержания в клетках организма постоянного уровня содержания аденозинтрифосфата - одного из основных источников энергии клеток, а также для кровообращения, дыхания, обмена веществ, выделения, функционирования жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желёз. Естественно, что энергозатраты организма возрастают при физической и умственной работе, психоэмоциональном напряжении, при приеме и переработке пищи, а также при колебаниях температуры среды. А если запасы энергии в виде пищи заканчиваются и не пополняются, животные погибают. Мантра о переходе одного вида энергии в другую их не спасает, жизнь не обеспечивает.

О понятии «работа»

Одной из причин ошибочности популярной формулировки ЗСЭ является неверное понимание термина «работа». Так, согласно словарю-справочнику по физике Е.С. Платунова и соавт. [2], работа - это скалярная физическая величина, являющаяся количественной мерой преобразования энергии из одной формы в другую и имеющая размерность энергии. Подобное определение работы дают и иностранные учебники и словари по физике [7, 8]. Но такое определение работы весьма односторонне, т.к. оно оценивает лишь энергетическую (экономическую) трату на выполнение работы, которая в большинстве случаев главной не является.

Целью физической работы является вовсе не трата энергии на её производство, а различные физические и химические преобразования тел (определенного объёма материи и её агрегатного состояния) и их состава, а также их перемещение в пространстве.

В связи со сказанным следует исправить саму формулировку понятия «работа». Физическая работа, это, прежде всего, изменение структуры, формы, объёма, массы, физико-химических свойств и пространственного положения какого-то количества материи (например, тела), которое всегда происходит с затратой энергии.

Кроме физической работы существует ещё химическая, биохимическая, психическая и интеллектуальная работа. И все эти виды работ совершаются с затратой энергии. Результативность этих работ оценивается по выполнению задач, которые они выполняли. И только во вторую очередь оцениваются энергетические затраты, которые потребовались на выполнение данной работы.

В человеческом обществе энергия в основном затрачивается на работу по созданию новых материалов, техники, строений, новых машин, прокладки дорог и т.п. А то, что работа может использоваться как количественная мера преобразования энергии из одной формы в другую, является всего лишь способом количественной оценки процесса преобразования энергии.

Одной из распространённых ошибок защитников распространенной формулировки ЗСЭ является то, что по умолчанию они полагают, что при выполнении какой-либо работы энергия просто переходит в работу. Но работа - это не форма энергии, а создание новой техники, новых материалов с новыми свойствами, а также перемещение тел в пространстве, невозможные без затраты энергии, что не позволяет считать работу формой энергии!

Уточнение формулировки закона сохранения энергии

Закон сохранения энергии в классической формулировке действует в полной мере только в космическом пространстве. В нём энергия действительно не возникает и не исчезает, т.к. она является частью вечно существующей материи в двух видах - как составного элемента вещества, и как способа её взаимодействия с другими элементами и формами материи. При этом все частные потери энергии, которые с ней могут происходить при превращении её форм, компенсируются огромными масштабами Метагалактики, в которой происходит постоянный обмен потоками энергии. Как и остальная материя, энергия Метагалактики обладает свойством неуничтожимости.

В то же время полная энергия изолированной (замкнутой) макроскопической системы остаётся постоянной только при условии, что она не подвергается никаким превращениям. Так как для них требуется затрата энергии, в результате чего исходной энергии станет меньше. В живой Природе, а также в условиях человеческой деятельности энергия, потраченная на выполнение работы, не только уменьшается в объёме, количестве и мощности, но может и исчезать.

Список литературы /References

1. Бурлачков В.К. Энергия. Время. Информация: эволюция научных представлений. Москва: ЛИБРОКОМ, 2012. 234 с.

2. Платунов Е.С., Самолетов В.А., Буравой С.Е., Прошкин С.С. Физика. Словарь- справочник // СПб: изд. Политехнического университета, 2018. 798 с.

3. Физика. Энциклопедия / Под ред. Ю.В. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. 944 с.

4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М Фейнмановские лекции по физике. М.: Изд. ЛКИ/URSS. Т. 1-2, 2007. С. 74.

5. Физика. Энциклопедия / Под ред. Ю.В. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 2003. 944 с.

6. Dobrinski P., Krakau G., Vogel A. Physik fьr Ingenieure. 12 aktualisierte Auflage GWV Fachverlage GmbH: Wiesbaden, 2010. 360 s.

7. Serway R.A. and Jewett J.W. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics. Eighth Edition // California State Polytechnic University: Pomona, 2010. 1558 р.

8. Wцrterbuch Physik. Von Waloschek P. Berlin: Directmedia, 2006. S. 269.

Размещено на Allbest.ru