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.
Лавуазье Антуан Лоран, выдающийся французский химик, по образованию юрист, один из создателей современной химии. Обнаружил, что воздух имеет сложный состав, определил состав воды, объяснил сущность горения и окисления, разработал принципы химической номенклатуры. |
Лавуазье А.Л. (1743–1794) |
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.
|
|
|
Майер Ю. (1814–1878) | Гельмгольц Г. (1821–1894) | Джоуль Дж. (1818–1889) |
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:
Химическая энергия переходит в механическую энергию (работа мышц, жгутиков бактерий, ресничек инфузорий, передвижение лейкоцитов в крови, кишечное всасывание и др. (рис. 17)).
Химическая энергия трансформируется в электрическую энергию в нервных клетках и у некоторых рыб (рис. 18).
|
|
Рис. 17. Инфузория | Рис. 18. Обыкновенный электрический скат |
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).
Рис. 20. Космическая ракета (по Бордовскому Г.А., 2004) |
|
Рис. 21. Изменение массы ракеты при достижении ею второй космической скорости (по Бордовскому Г.А., 2004) |
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
- 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- 2. Научный метод познания и его основные черты
- 3 Естествознание и его роль в культуре
- 8 Научная картина мира
- 10. Развитие представлений о материи
- Представление о материи в Античный период
- Эпоха Средневековья
- Эпоха Возрождения
- . Представления о материи и. Ньютона и м.В. Ломоносова
- Развитие представлений о материи в XIX веке
- 1.5.6. Кризис в физике на рубеже веков
- . Понятие «материи» в XX веке
- 12 Эволюция представлений о движении
- 1.6.1. Понятие «движение» и его развитие
- Формы движения материи и их свойства
- Типы движения материи
- 13. Развитие представлений о взаимодействии
- Основные характеристики взаимодействий
- 14. Хаос и порядок
- 4.1.2. Роль энтропии как меры хаоса
- 4.1.3. Порядок
- 4.1.4. Модели хаоса и порядка
- 16 Эволюция понятий «пространство и время» Понятие о пространстве, времени, материи
- Концепции пространства и времени
- Релятивистская концепция пространства и времени
- Сравнительные свойства пространства и времени
- 19. Принципы симметрии. Понятие симметрии
- 20. Законы сохранения
- 19. Принципы симметрии
- 3. Структурные уровни и системная организация материи
- 3.1. Системная организация материи
- 3.2. Структура материи
- 3.2.1. Структурные уровни организации материи
- Структурные уровни материи
- 3.3. Переход к гелиоцентрической системе
- 27. Организация материи на химическом уровне
- 3.4.1. Основные этапы развития химии
- 3.4.2. Зарождение современной химии
- 3.4.3. Периодическая система элементов
- 3.4.4. Создание атомно-молекулярной концепции
- 3.4.5. Модель атома н. Бора
- 3.4.6. Современное представление об атомно-молекулярном учении
- 3.4.7. Представления о химических связях
- 3.4.8. Основы химической термодинамики
- 3.4.9. Основы химической кинетики
- 4.2. Синергетика
- 4.2.1. Понятие синергетики
- 4.2.2. Связь синергетики с другими науками
- 4.2.3. Самоорганизующиеся системы
- 4.2.4. Основные свойства самоорганизующихся систем