Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 10 » 2. Еще кое что об энергии
11:41
2. Еще кое что об энергии

Как было сказано выше, все вещество состоит из материи и энергии. Материя представлена элементарными частицами, а энергия квантами. Несколько слов о кванте, в литературе квант света обозначается ("аш ню”), где: h – постоянная Планка, равная 6,63.10-34 Дж.с, ν – частота колебаний волны света. Как известно, световая волна является классическим примером энергии. Квант, значит "кусочек”, таким образом, постоянная Планка это энергия световой волны при единичной частоте колебаний данной волны. А квант света – "кусочек” энергии, движущийся в пространстве по законам поперечных волн.

Энергия измеряется в джоулях или в калориях, 1 кал. = 4,184 Дж, но калория не является единицей системы СИ и в научно-технической литературе встречается редко. Один джоуль, кстати, равен количеству энергии необходимому для нагревания 1 см3 или 1 миллилитра воды на 1оС в ходе адиабатического процесса (иными словами, идущего при постоянном объеме этого 1 мл). То есть, это небольшая величина, а -34 степень указывает на ничтожность энергии одного фотона. Кстати, на этом примере можно наглядно продемонстрировать взаимозависимость уравнения и размерности рассчитываемой величины. Энергия, имея размерность Дж, равна произведению постоянной Планка на частоту колебаний волны, при этом в размерности постоянной Планка фигурирует секунда. Из этого видим: (Дж.с).(1/с), секунды в числителе и знаменателе сокращаются, и остается единица умноженная на джоуль, то есть требуемая размерность энергии. При этом, вне зависимости от сложности вычислений, при некоторой смекалке, можно определить размерности одной-двух величин в уравнении, если известны другие, так как, с размерностями производятся те же математические действия, что и с величинами.

При рассмотрении этого вопроса стоит упомянуть о квантово-волновом дуализме, то есть о представлениях двойственности природы света. Свет одновременно является и частицей и волной. Так как, некоторые свойства света указывают на его корпускулярную природу, а некоторые на волновую. Так как до сих пор ни кто не обнаружил частиц в световом потоке, то склоняются к мнению о, большей частью, волновой природе света. Но, как известно, волны не могут перемещаться в вакууме, ибо волна – возмущение вещества, распространяющееся в веществе в виде колебания. Перемещаясь, волна переносит энергию без переноса материи. Как известно, в межзвездном (а тем более, в межгалактическом) пространстве материи практически нет, тем не менее, фотоны перемещаются там даже с несколько большей скоростью, чем в атмосфере планет и звезд. Следовательно, квант света – бесконечно малая частица, обладающая огромной скоростью и перемещающаяся по законам волны, возможно, из-за своей слишком уж высокой "резвости”. Ведь, в микромире величина энергии частицы находится в квадратичной зависимости от ее подвижности (вспомните уравнение для расчета энергии из школьного курса квантовой механики Е=m.v2, где v – скорость движения).

Так как химия не столь точная наука как физика, мы можем пренебречь массой и размером кванта, считая его энергией в "чистом” виде. Чаще всего, в реальной жизни (макромире) мы сталкиваемся с проявлениями энергии которая "привязана” к той или иной материи. Например, мы ощущаем теплый воздух, поднимающийся от поверхности раскаленной конфорки или другого нагревательного прибора, при этом происходит почти мгновенный переход энергии от молекул газов воздуха к молекулам кожи на поверхности ладони. Или мы видим свечение углей в костре при горении дров, при этом, кванты света испускаются раскаленными атомами углерода и золы, что сопровождается снижением их собственной энергии. Молекулы нервных окончаний на роговице глаза получают энергию этих квантов, которая превращается в нервный импульс, посылаемый в мозг.

Как гласит второй закон термодинамики: невозможна самопроизвольная передача энергии от менее нагретого тела к более нагретому. Это следует из вышесказанного; при этом можно сделать вывод, что с течением времени вся энергия стремится равномерно распределиться между всей материей. Если возникает область с более высокой энергией, она отдает избыток энергии прилегающей к ней материи, и так до полного усреднения. Подобный принцип справедлив для достаточно однородных, малосжимаемых систем, вроде слитка стали или гранитной глыбы. Но в системах с высокой степенью внутренней подвижности и относительно слабыми статическими взаимодействиями (взаимное притяжение) этот принцип конкурирует с энтропийным фактором, о котором будет сказано в другом разделе.

Необходимо упомянуть, что энергию принято делить на два вида: кинетическая и потенциальная. Кинетическая энергия зависит от скорости движения тела и определяется, в классической (для макротел) механике как половина произведения массы тела на квадрат скорости: Ek=(m.v2)/2. Иными словами, это та энергия, которая выделится при мгновенной остановке движущегося тела, например при ударе летящего кирпича в стену. При этом, ясно что для микромира, кинетическая энергия элементарных частиц является функцией только скорости, так как элементарные частицы потому и носят такое название, что они принимаются неделимыми и не разрушаемыми. Впрочем, из курса физики нам известно о процессах ядерных (или атомных), то есть протекающих с разрушением или изменением ядра атома. В таких процессах меняются и некоторые "элементарные” частицы. Но это еще одно допущение (или упрощение) химии относительно физики.

Потенциальная энергия есть функция координат тела относительно какой-то точки взаимодействия (притяжения или отталкивания). Геометрическая система координат, как известно, трехмерная. Поэтому выражение для потенциальной энергии в общем виде выглядит как: Eп=f(x,y,z). На представленном рисунке Вы видите трехмерную систему координат с центром в точке "а” и двумя сферическими телами в точках "б” и "с”. Желтым цветом обозначено расстояние от центра до каждой из двух точек, зеленым цветом обозначены проекции точек на плоскости координатных осей, красным – проекции на оси. Цифры у соответствующих осей – значения в единицах длинны, например метрах, именно они подставляются в функцию расчета потенциальной энергии в каждой точке. При этом, ключевое значении имеет расстояние от точки (а)отсчета до каждой из расчетных точек (б, с), обозначенное желтой линией.

При этом f (функция) представляет собой математическое выражение, например: E=px2,3.ly.(rz5,1)/2,17; при этом p, l, r – коэффициенты уравнения, то есть постоянные числа зависящие от природы центра отсчета (в данном случае точки "а”) и природы тел в точках "б” и "с”. Если точка отсчета "а” будет взаимно отталкиваться с телами в двух других точках, то потенциальная энергия данных тел относительно точки отсчета будет уменьшаться при увеличении расстояния до точки отсчета, и наоборот. При этом, потенциальная энергия будет изменятся, с изменением расстояния, в соответствии с видом функции f, которая для различных систем может принимать самый замысловатый вид.

Для наглядности приведу пример. Представьте многоэтажный дом, на балконе стоит сейф, массой, скажем 200 кг. Под балконом стоит грузовик. Сейф падает с балкона. Вопрос: когда грузовик получит большие повреждения, если сейф стоял на 2-м или на 8-м этаже? Конечно же на 8-м, скажете Вы. Принцип тот же, в данном случае центром притяжения является центр гравитации планеты, телом в начальной точке – сейф на балконе, при падении он переместился в другую точку, более близкую к центру притяжения. Для расчета потенциальной энергии в этих двух точках подставляем значения координат объекта, основное значение имеет расстояние от точки отсчета до обоих положений тела. Ясно, что для центра притяжения, потенциальная энергия тела снижается при приближении к данному центру. Поэтому, падая, сейф снижал свою потенциальную энергию, переводя ее в кинетическую – ускорялся. В момент остановки, кинетическая энергия не могла просто исчезнуть в никуда, она израсходовалась на деформацию сейфа и грузовика. При этом (как известно из курса физики) энергия движения переходит в основном в тепловую. Аналогично выглядит пример с качелей, но там кинетическая энергия переходит в тепловую за счет потерь на трение. Как именно происходит переход энергии в этом случае, предлагаю поразмыслить самим.

Итак, мы кратко рассмотрели понятие энергии, по крайней мере, то что нам в последствии пригодится, по мере надобности я буду возвращаться к этому вопросу.

 

Категория: Фундамент | Просмотров: 1870 | Добавил: Chemadm | Теги: потенциальная и кинетическая, строение вещества, внутренняя энергия | Рейтинг: 4.7/28
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]