No Image

Энергия никуда не исчезает а только

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

Мы живем в мире, где большинство событий необратимо. Необратимо и большинство химических изменений в мире, так что мир изменяется самопроизвольнов некотором направлении. Что значит «самопроизвольно»?

Самопроизвольным называется процесс, происходящий без затраты работы. Наоборот, в его результате работа может быть получена. Работа — это мера упорядоченной передачи энергии от одной системы к другой.Иная возможность передачи энергии — теплота — мера передачи энергии от одного тела к другому путем неупорядоченных, хаотических столкновений частиц веществ, образующих эти тела, — явление теплопроводности.

Всякая система стремится перейти в состояние с наименьшей энергией. Самопроизвольно происходят только экзотермические процессы.

Однако существование обратимых химических реакций, которые, если они экзотермичны в одном направлении, то эндотермичны в другом, опровергает это утверждение. Закон сохранения энергии гласит, что энергия Мира постоянна. Если энергия какой-либо системы понижается, то неминуемо в другой системе она повышается. Для объяснения происходящих в мире изменений необходимо установить физическую причину.

Мерой беспорядка (W) служит физическая величина – энтропияS: чем выше значение энтропии, тем больше беспорядка, и чем оно ниже, тем больше порядка. Для реальных веществ величина W невообразимо велика, так что оперировать ею чрезвычайно неудобно. На практике мерой вероятности существования системы в том или другом состоянии является энтропия S, связанная с W уравнением Больцмана:

где k = R/NA =1,38•10 –23 Дж/К – константа Больцмана, lnW – натуральный логарифм величины термодинамической вероятности

С увеличением W — числа способов, которым может быть реализовано данное состояние вещества, – возрастает энтропия S.

Размерность энтропии определяется размерностью константы Больцмана. Для вещества величина энтропии обычно дается в расчете на 1 моль, тогда ее размерность Дж/(К•моль). Наименьшая энтропия у веществ в кристаллическом состоянии и максимальная у газов. Жидкость в этом отношении занимает промежуточное положение. Строение идеального кристалла при абсолютном нуле градусов Кельвина совершенно однозначно, т.е. W = 1 и в соответствии с уравнением Больцмана S = 0. В идеально упорядоченном состоянии при температуре абсолютного нуля энтропия вещества равна 0. Таким образом, зная структуру вещества, можно вычислить его энтропию.

Чем больше в системе вещества, тем больше ее энтропия. Чем выше температура, тем больше число энергетических состояний, в которых могут находиться частицы, образующие данное вещество, тем больше энтропия. Это изменение энтропии определяется формулой S = Q/T, где S — изменение энтропии системы, Q — количество теплоты, поглощенной системой (тогда энтропия системы увеличивается, S > 0) или потерянной ею (тогда энтропия системы уменьшается, S

Все изложенные выше наблюдения могут помочь второй закон термодинамики: в изолированной системе самопроизвольно протекающие процессы увеличивают энтропию системы.(На основании второго закона термодинамики возникла теория тепловой смерти Вселенной.)

Следствие из второго закона термодинамики – высокая степень упорядоченности в системе возможна при поступлении энергии и вещества из-за пределов системы.

Третий закон термодинамики устанавливает, что энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. (В формулировке М.Планка энтропия S = 0 при T = 0 К.)

Энтропия жидкости обычно гораздо выше, чем энтропия твердого тела, а энтропия газа выше, чем энтропия соответствующей жидкости. Это означает, что с точки зрения второго закона термодинамики жидкостью быть более выгодно, чем твердым телом, а газом – выгоднее, чем жидкостью.

Таким образом, для самопроизвольного протекания реакции требуется, с одной стороны, уменьшение суммы энтальпий: если сумма энтальпий образования продуктов меньше суммы энтальпий образования реагентов, т.е. Н 0).

Возможно несколько вариантов изменения сумм энтальпий образования и энтропий веществ в ходе процесса.

1. Н 0. Процесс однозначно энергетически выгоден и может протекать самопроизвольно.

2. Н > 0, S 0, S > 0. Увеличение Н не способствует самопроизвольному протеканию реакции, однако возрастание S повышает ее вероятность. (Неясна возможность самопроизвольного протекания такой реакции.)

Читайте также:  Создать электронную почту джимейл ком

Самопроизвольный процесс в некоторой системе (где изменения и энтропии, и энтальпии относятся только к рассматриваемой системе) возможен, если:

SH/Т > 0, или HTS 0 реакция термодинамически запрещена. Если G = 0, то реакционная система находится в состоянии равновесия (скорости прямой и обратной реакций равны).

Самопроизвольное протекание эндотермической реакции возможно лишь тогда, когда она сопровождается значительным увеличением энтропии.

Возможность или невозможность протекания реакции устанавливают с помощью уравнения Гиббса следующими способами.

1. Для температуры 25 °С на основе табличных данных рассчитывают G 0 по соотношению:

G 0 = Н 0 – 298S 0 .

2. Для температуры, отличающейся от 25 °С, расчет проводят по соотношению:

G = G 0 + RTlnKр.

Kр при данной температуре можно найти, преобразовав выражение для равновесия

G = 0 G 0 + RTlnKр = 0

Это соотношение позволяет получить значение константы равновесия при любой температуре.

3. Для окислительно-восстановительных реакций выражение для энергии Гиббса при стандартных условиях принимает следующий вид:

G 0 = –nF 0 , где n – количество передаваемых электронов, F – постоянная Фарадея ( 96 500Кл/моль), 0 – ЭДС реакции. Из этого выражения следует, что реакция протекает при положительном значении ЭДС.

4. Из условия равновесия реакции (G = 0) имеем:

0 = Н – TS. Отсюда Т = Н/S – температура, при которой реакция находится в состоянии равновесия.

Термодинамика позволяет в принципе оценить возможность протекания химических реакций. Однако она ничего не говорит о реальных скоростях их протекания. Так, термодинамические расчеты показывают, что реакция окисления целлюлозы кислородом воздуха должна самопроизвольно протекать при комнатной температуре, чего на практике не наблюдается. Причина состоит в том, что у молекул не хватает энергии для осуществления процесса за обозримое время. Проблему времени достижения состояния равновесия решает наука о скоростях химических реакций – химическая кинетика.

| следующая лекция ==>
Химическая термодинамика, равновесие и кинетика химических реакций | Установление равновесия

Дата добавления: 2014-01-15 ; Просмотров: 978 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Начала термодинамики
Статья является частью серии «Термодинамика».
Нулевое начало термодинамики
Первое начало термодинамики
Второе начало термодинамики
Третье начало термодинамики
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править

Закон сохранения энергии — основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Говоря проще, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую. [1]

Закон сохранения энергии встречается во всех областях жизни, в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных её форм. Например, в классической механике закон проявляется в сохранении механической энергии (суммы потенциальной и кинетической энергий). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики и говорит о сохранении энергии в сумме с тепловой энергией.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую закономерность в природе во всех явлениях, то правильнее называть его не законом, а принципом сохранения энергии.

Частный случай — Закон сохранения механической энергии — механическая энергия консервативной механической системы сохраняется во времени. Проще говоря, при отсутствии сил типа трения (диссипативных сил) механическая энергия не возникает из ничего и не может никуда исчезнуть.

Закон сохранения энергии — это интегральный закон. Это значит, что он складывается из действия дифференциальных законов и является свойством их совокупного действия. Например, иногда говорят, что невозможность создать вечный двигатель обусловлена законом сохранения энергии. Но это не так. На самом деле, в каждом проекте вечного двигателя срабатывает один из дифференциальных законов и именно он делает двигатель неработоспособным. Закон сохранения энергии просто обобщает этот факт.

Содержание

Сократ о законе сохранения энергии [ править ]

"Ничего не возникает из ничего и не исчезает в никуда".

Читайте также:  Упражнения после перелома пятки в домашних условиях

Ломоносов о законе сохранения энергии [ править ]

"Ежели где-то что-то убыло, то где-то что-то прибыть должно непременно".

Эйнштейн о релятивистском законе сохранения энергии [ править ]

"Дорелятивистская физика знала два фундаментальных закона сохранения, а именно: закон сохранения энергии и закон сохранения массы; оба эти фундаментальных закона считались совершенно независимыми друг от друга. Теория относительности слила их в один".

Эйнштейн А. Собрание научных трудов. том 1. М. 1965 г. стр. 553.

Теорема Нётер [ править ]

Симметрия в физике
Преобразоавния Инвариантность Закон сохранения
↕ трансляция времени Консерватизм . энергии
↔трансляция пространства Однородность . импульса
○ Вращения Изотропия . момента импульса
× Группа Лоренца Относительность инвариантность интервала

(и др. скаляров пространства-времени)

Согласно теореме Нётер, закон сохранения механической энергии является следствием однородности времени. [2]

Смотри также [ править ]

Ссылки [ править ]

Это незавершённая статья по физике.
Вы можете помочь «Традиции», исправив и дополнив эту статью.

При написании этой статьи использовались материалы страницы «Закон сохранения энергии» Русской Википедии.

Закон сохранения энергии в физике, принцип, согласно которому полная энергия замкнутой системы сохраняется на протяжении времени. Энергия не возникает из ничего и не исчезает в никуда, а может только превращаться из одной формы в другую. Из-за этого закона невозможны вечные двигатели первого рода. Закон был изобретен независимо для разных видов энергии многими учеными, среди которых Готфрид Лейбниц — для кинетической энергии, Джеймс Джоуль — для внутренней энергии, Джон Пойнтинг — для электромагнитной энергии. Предвосхитивший закон сохранения энергии общий принцип, что материя всегда сохраняется, был сформулирован М. В. Ломоносовым в письме к Л. Эйлеру (5 июля 1748 года).

Содержание

[править] Закон сохранения механической энергии

В механике закон сохранения энергии утверждает, что в замкнутой системе частиц, полная энергия, которая является суммой кинетической и потенциальной энергии и не зависит от времени, то есть является интегралом движения. Закон сохранения энергии справедлив только для замкнутых систем, то есть при отсутствии внешних полей или взаимодействий.

Силы взаимодействия между телами, для которых выполняется закон сохранения механической энергии называются консервативными силами. Закон сохранения механической энергии не выполняется для сил трения, поскольку при наличии сил трения происходит преобразование механической энергии в тепловую.

[править] Математическая формулировка

Эволюция механической системы материальных точек с массами [math] m_i[/math] по второму закону Ньютона удовлетворяет системе уравнений

[math] m_idot<mathbf_i> = mathbf_i [/math] ,

где [math] mathbf_i [/math] — скорости материальных точек, а [math] mathbf_i [/math] — силы, действующие на эти точки.

Если подать силы, как сумму потенциальных сил [math] mathbf_i^p [/math] и непотенциальных сил [math] mathbf_i^d [/math] , а потенциальные силы записать в виде

[math] mathbf_i^p = —
abla_i U(mathbf_1, mathbf_2, ldots mathbf_N) [/math] ,

то, домножив все уравнения на [math] mathbf_i [/math] можно получить

[math] frac

sum_i frac <2>= — sum_i frac_i>
cdot
abla_i U(mathbf_1, mathbf_2, ldots mathbf_N) + sum_i frac_i>
cdot mathbf_i^d [/math]

Первая сумма в правой части уравнения является ни чем иным, как производной по времени от сложной функции, а следовательно, если ввести обозначения

[math] E = sum_i frac <2>+ U(mathbf_1, mathbf_2, ldots mathbf_N) [/math]

и назвать эту величину механической энергией, то, интегрируя уравнения с момента времени t=0 до момента времени t, можно получить

[math] E(t) — E(0) = int_L mathbf_i^d cdot dmathbf_i[/math] ,

где интегрирование проводится вдоль траекторий движения материальных точек.

Таким образом, изменение механической энергии системы материальных точек со временем равно работе непотенциальных сил.

Закон сохранения энергии в механике выполняется только для систем, в которых все силы потенциальные [1] .

Читайте также:  Чем открыть файл hosts windows 7

[править] Однородность времени

Закон сохранения энергии связан с однородностью времени, а именно с принципом, согласно которому ни одно мгновение никоим образом не отличается от другого, поэтому одинаковые физические системы при одинаковых условиях всегда эволюционируют одинаково. В этом закон сохранения энергии является частным случаем общей теоремы Нётер.

С точки зрения аналитической механики, однородность времени сводится к утверждению, что механика Лагранжа или Гамильтона классической системы не зависит от времени непосредственно, а только опосредованно, через обобщенные координаты.

[править] Закон сохранения энергии в термодинамике

В термодинамике закон сохранения энергии устанавливает соотношение между внутренней энергией тела, количеством теплоты, переданного телу и проделанной работой.

Термодинамика изучает в основном неподвижные тела, кинетическая и потенциальная энергия которых остается неизменной. Однако, эти тела могут выполнять работу над другими телами, если, например, изменять их температуру. Итак, поскольку нагретое тело может выполнять работу, оно имеет определенную энергию. Эта энергия получила название внутренней энергии. С точки зрения физики микромира — физики атомов и молекул, внутренняя энергия тела является суммой кинетических и потенциальных энергий частиц, из которых это тело состоит. Однако, учитывая большое количество и малые размеры частиц и вообще неизвестные законы их взаимодействия, внутреннюю энергию тела определить трудно, исходя из его строения. Однако очевидно, что она зависит от температуры тела.

Определяющим моментом для установления закона сохранения энергии стало установление эквивалентности между теплом, количественной характеристикой которого является количество теплоты, и механической работой. Если телу предоставить определенное количество теплоты Q, то часть ее пойдет на выполнение механической работы A, а часть на увеличение внутренней энергии тела:

[math] Q = A + Delta E [/math] ,

Эта формула составляет основу первого закона термодинамики.

Аналогичным образом при выполнении механической работы, часть энергии теряется в виде тепла, то есть идет на повышение температуры тела и окружающей среды.

В общем суммарный приток энергии в систему должен быть равен суммарному оттоку энергии из системы, плюс изменение энергии тел, из которых состоит сама система. Другими словами, энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

[править] Уравнение непрерывности

В неизолированных физических системах энергия может переплывать с одной пространственной части системы к другой. В таком случае закон сохранения энергии принимает вид уравнения непрерывности

[math] frac

+ ext

, mathbf_E = 0[/math] ,

Это уравнение означает, что изменение энергии определенного элементарного объема со временем равно разнице между притоком энергии в этот элементарный объем и оттоком энергии из него.

[править] Преобразование энергии

Энергия одного вида может превращаться в энергию другого вида, например, химическая энергия может превращаться в тепловую, а тепловая энергия в механическую и тому подобное.

В молекуле химического соединения атомы связаны между собой химическими связями. Для того, чтобы разорвать химическую связь нужно затратить определенную энергию, значение которой определяется типом связи. В одних молекулах энергия связи больше, в других меньше. Так, энергия связи в молекуле углекислого газа СО2 больше, чем суммарная энергия атома углерода в угле и атомов кислорода в молекуле кислорода O2. Поэтому возможна химическая реакция горения, в результате которой образуется углекислый газ, а остатки химической энергии передаются поступательному, тепловому движению молекул, то есть превращаются в тепло. Выделенное в результате горения тепло можно использовать, например, для нагрева пара в паровой турбине, которая, вращаясь, создает электродвижущую силу в генераторе, производя электроэнергию. Электроэнергия может, в свою очередь использоваться для выполнения механической работы, например, подъема лифта, или же для освещения, где электрическая энергия превращается в энергию электромагнитных волн — света.

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector