20. Законы сохранения

Законы сохранения не зависят ни от характера движения тел, ни от действующих на них сил, поэтому на их основе можно делать самые общие и существенные выводы. Например, из закона сохранения энергии следует важный вывод о невозможности создания вечного двигателя и др.

Законы сохранения стали всеобщими потому, что связаны и определяются свойствами симметрии пространства и времени.

В физике правое и левое – эквивалентны, а в мифологических представлениях символизируют соответственно добро и зло. Люди при встрече пожимают друг другу правую руку, в живописи правое создает иное настроение, чем левое.

При всем разнообразии и сложности процессов, протекающих в природе, существуют определенные физические величины, которые остаются постоянными, сохраняются при любых превращениях.

В настоящее время физикам известно несколько законов сохранения:

• закон сохранения массы;

• закон сохранения и превращения энергии;

• закон сохранения импульса;

• закон сохранения момента импульса и др.

1. Закон сохранения массы вещества

Этот закон – первый закон сохранения в истории науки, он утверждал важнейшую научную идею – идею сохранения. Закон сохранения энергии был открыт только через 150 лет после открытия закона сохранения массы вещества. Этот закон неразрывно связан с име­нем выдающегося русского ученого М. В. Ломоносова.

К закону сохранения материи и движения Ломоносов М.В. пришел на основе общих теоретико-философских рассуждений, развивая и конкретизируя идеи античных атомистов. «Сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования» и дальше «Так как это всеобщий закон Природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к дви­жению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Закон сохранения массы вещества был доказан М.В. Ломоно­совым экспериментально на основе опытов по обжигу металлов в запаянных сосудах.

Всестороннее экспериментальное и теоретическое обоснование этому за­кону дал Лавуазье А.Л. Всестороннее обра­зование позволило Лавуазье сделать открытия, которые про­славили Францию.

В 1772 г. А. Лавуазье, выполнив серию опытов, пришел к правиль­ному выводу о процессах горения, к открытию сложного состава воздуха, закона сохранения массы вещества. Лавуазье поместил алмаз в изолированный сосуд и сжег его с помощью солнечных лучей. Для этого он изготовил линзу рекорд­ных по тем временам размеров – диаметром 75 см. Тщательно исследовав образовавшийся газ, Лавуазье пришел к выводу, что он состоит из 23,5–28,9 части углерода и 71,1–76,5 части кисло­рода. Из этих цифр была выведена формула оксида углерода СО₂. Лавуазье произвел анализ воды и ее синтез, доказал сложный состав воздуха. Выполнив множество опытов, связанных с окислением веществ, Лавуазье установил, что масса подвергшихся окислению тел увеличивается за счет кислорода воздуха на столько, на сколько уменьшается масса последнего, а масса реагирующих веществ остается постоян­ной. Так был открыт закон сохранения массы вещества.

Лавуазье считал установленный им закон опытным обоснова­нием принципа сохранения материи, который им был сформулиро­ван так: «Ничто не создается ни при искусственных, ни при естественных операциях, и можно принять за правило принцип, что в каждом процессе в начальный и конечный момент времени находится неизменное количество материи».

Так закон сохранения массы вещества стал основой для утвер­ждения одной из древнейших и важнейших научных идей – идеи сохранения.

Именно представления о сохранении массы вещества, которые бытовали в науке еще до открытия этого закона, помогли опровергнуть господствовавшее на протяжении многих веков в науке мнение, что земля – единственная пища растений. Сделал это голландский естествоиспытатель Гельмонт Ян Батист (1579–1644). Его знаменитый опыт длился 5 лет. В горшок насыпали тщатель­но просушенную и взвешенную землю. В нее посадили точно взвешенную ветку ивы. Горшок был накрыт крышкой, чтобы в него не попадали пыль и сор; иву поливали дождевой водой. Через 5 лет растение увеличило свою массу на 65,675 кг, а масса земли в гор­шке уменьшилась только на 60 г. Таким образом, земля никак не могла являться единственной пищей растений. Этот опыт дал тол­чок к проведению множества других опытов, благодаря которым была раскрыта сущность фотосинтеза: превращение зелеными растениями, особыми микроорганизмами лучистой энергии Солнца в энергию химических связей органических веществ, т.е. синтез органических веществ из СО₂ и Н₂О под воздействием солнечной энергии в зеленых частях растений, хлоропластах.

Расчеты показывают, что примерно через миллиард лет вслед­ствие жизнедеятельности живых организмов биомасса должна была бы превысить массу Земли. Жизнь существует на Земле примерно около 3 млрд. лет. Почему же этого не произошло? В биосфере происходит круговорот веществ: атомы каждого из элементов, из которых построены организмы, воспринимаются из веществ, образовавшихся вследствие разложения тел организмов, окончивших свою жизнь (рис. 15). Однако нельзя сказать, что масса всех ве­ществ, участвующих в жизнедеятельности организмов, остается постоянной. И не потому, что в биологических процессах не дей­ствует закон сохранения массы вещества, а потому, что био­сфера – открытая система.

Степень воспроизводства циклов в биогеохимическом кругово­роте веществ в биосфере достигает 90-98%. Часть атомов уходит в космическое пространство. Часть накапливается в земной коре. То, что называется биогенными полезными ископаемыми (залежи железа, мела, угля, нефти и др.), не что иное, как бесполезные с точки зрения жизнедеятельности продукты, прошедшие цикл под­земных превращений. «Открытость» биогеохимического кругово­рота обусловлена также и тем, что в него поступает оксид угле­рода из недр Земли. Этот круговорот открыт еще и потому, что он совершается с использованием солнечной энергии. Каждый год в процессе фотосинтеза растения поглощают около 1,6  10²¹ Дж энергии. А ведь энергия приходит не сама по себе, ее приносят фотоны, которые обладают массой. Используя формулу взаимосвязи массы и энергии Е=тс² (где Е – энергия, т – соот­ветствующая ей масса, с – скорость света), можно вычислить, на сколько увеличится масса биосферы за счет поглощенной расте­ниями энергии.

Рис. 15. Круговорот органического вещества и биогенных элементов

(по Коробкину В.И., 2006)

Круговорот веществ в биосфере происходит не только вслед­ствие жиз­недеятельности организмов. Например, вода по своему процентному со­держанию в теле живого организма занимает пер­вое место. Ее молекулы служат источником кислорода, выделяе­мого зелеными расте­ниями в про­цессе фотосинтеза. При дыхании же происходит образование новых моле­кул воды. За время сущест­вования биосферы вся свободная вода в гео­графической оболочке прошла несколько циклов разложения растительными организма­ми и регенерации в дыхательных системах всех живых организмов биосферы. Эти процессы происходили в соответствии с законом сохранения массы вещества. Однако в круговороте воды в биосфере основную роль играет не живое вещество, а солнечное излучение.

Благодаря излучению, вода испаряется с поверхности водных бассейнов и суши, атмосферная влага конденсируется, образуются облака, которые ветром перемещаются в атмосфере. При охлаждении облаков выпадают осадки, причем над сушей их выпадает больше, чем над Мировым океаном. Баланс влаги между сушей и водными бассейнами поддерживается реками. Таким обра­зом, масса воды в географической оболочке, несмотря на агрегат­ные переходы, остается постоянной (рис. 16).

Рис. 16. Круговорот воды в биосфере

(по Коробкину В.И., 2006)

Один из важнейших процессов, который происходит в каждом живом организме – обмен веществ. Он представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции – совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищевари­тельный тракт до образования конечных продуктов распада, вы­деляемых из организма.

Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте, где белки, жиры, углеводы расщепляются на более простые химические соединения, способные всасываться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным мате­риалом в процессах ассимиляции. Поступив в кровь и лимфу, эти вещества приносятся в клетки, где с ними в результате процессов ассимиляции и диссимиляции происходят различные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток, а энергия, выделившаяся при распаде веществ в клетках, используется для процессов жизнедеятельности организма. Те продукты обмена, которые не используются организмом, выводят­ся из него. Все химические и биохимические процессы происходят в согласии с законом сохранения массы вещества – ни один атом не исчезает при этом и не появляется из ничего.

В процессах, где не происхо­дит взаимопревращения элементарных частиц (химических, биологических, тепловых, механических, элек­три­чес­ких, магнитных явлениях), действует закон сохранения массы вещества. Во всех же процессах, связанных с ядерными превращениями, следует учитывать изменение массы, соответствующей энергии поля – закон сохранения полной массы системы.

В настоящее время стало известно, что массой обладают не только частицы, имеющие массу покоя. Всякое изменение энергии сопровождается изменением массы системы. Считающийся раньше незыблемым и всеобщим закон сохранения массы вещества утратил свой всеобщий характер и стал частным законом более общего закона – закона сохранения массы, который физики объединяют с законом сохранения энергии и считают, что в природе действует закон сохранения массы и энер­гии. В процессе познания человечество открывает все более общие законы, нет абсолютной уверенности, что и этот общий закон оста­нется общим на все времена. Есть только уверенность, что процесс познания тайн природы бесконечен.

2. Закон сохранения и превращения энергии

В первой половине ХIХ в. утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного превращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Энергия не возникает из ничего и не уничтожается, она лишь переходит из одного вида в другой.

Идея закона принадлежит М.В. Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения. Количественная формулировка закона дана немецкими учеными – врачом Ю. Майером, ученым Г. Гельмгольцем и английский пивоваром, изобретателем Дж. Джоулем.

Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания.

Изменение состояний материальных объектов и переход одного вида движения в другой сопровождается непрерывным превращением форм энергии. В живых организмах можно наблюдать следующие ее превращения:

1. Химическая энергия переходит в механическую энергию (работа мышц, жгутиков бактерий, ресничек инфузорий, передвижение лейкоцитов в крови, кишечное всасывание и др. (рис. 17)).

2. Химическая энергия трансформируется в электрическую энергию в нервных клетках и у некоторых рыб (рис. 18).

3. Химическая энергия превращается в световую энергию у светящихся организмов (рис. 19).

Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира. Закон сохранения энергии и в настоящее время является важнейшим принципом физической науки.

Рис. 19. Светящиеся планктонные членистоногие морей и океанов

3. Закон сохранения импульса: вектор импульса замкнутой системы тел есть величина постоянная.

Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. В ракете постепенно сгорает топливо (при полете на Луну топливо составляет 90% начальной массы ракеты), а газообразные продукты горения с высокой скоростью истекают через сопло назад (рис. 20, 21).

Реактивное движение имеет место и в живой природе: кальмары, осьминоги, каракатицы, медузы и др. (рис. 22).

Рис. 22. Обитатели морей и океанов: кальмары и осьминог