Часть 2
Термодинамика
Об энергии любых масштабов
7. Что такое энергия?
Мы во всех аспектах рассмотрели силу и давление, которые являются основой механики. Пришло время приступить к двум более сложным понятиям, о которых мы говорим ежедневно, – энергии и температуре, которые являются основой термодинамики. В частности, мы разберемся в том, почему нельзя ни создать, ни уничтожить энергию, а можно лишь перевести одну форму энергии в другую. Мы рассмотрим два вида энергии: потенциальную – ту, что содержится в барреле нефти или в водохранилище, и кинетическую – энергию горящей печи или движущегося автомобиля.
1. Энергия в повседневной жизни
Энергия кинетическая и энергия потенциальная
Как и в случае с силой, мы постараемся дать наиболее точное определение энергии, которое наилучшим образом отвечает интуитивному смыслу, который мы ему придаем. Дело это нелегкое, так как в повседневном лексиконе понятие энергии выражается очень по-разному. В истории физики понятие энергии складывалось постепенно и довольно долго.
Попробуем рассмотреть разные случаи, когда это понятие может возникнуть:
• прием пищи дает нам энергию на целый день, то есть возможность ходить, заниматься спортом, размышлять, разговаривать и т. д.;
• компания Electricité de France вырабатывает электрическую энергию, которая отапливает наше жилье, позволяет работать микроволновой печи или электрической плите, а также холодильнику, телевизору, осветительным приборам и т. д.;
• нефть содержит энергию, позволяющую работать моторам наших машин и самолетов или нагревать водяной пар электроцентралей, которые, в свою очередь, питают свои электрогенераторы;
• в этом же ряду можно назвать ветер, вращающий крылья ветроэнергетических установок; речная вода заставляет вращаться турбины ГЭС, а атомная энергия дает необходимое тепло, чтобы испарять воду тех же электростанций.
Мы могли бы привести еще множество других примеров: очень трудно разобраться во всех этих ипостасях энергии, чтобы добиться единого и простого понятия. Однако, несмотря на все свое разнообразие, перечисленные примеры содержат общие признаки, которые мы можем выделить. В целом мы можем выделить два основных вида энергии:
• Пища и нефть, среди многих других источников, содержат энергию, способную высвобождаться. Энергия барреля нефти или бифштекса не видна: они представляют интерес только в том смысле, в каком они могут вырабатывать энергию, если мы используем их разумно. То есть про них мы скажем, что они содержат «потенциальную» энергию, подчеркнув этот «потенциал» энергии, который остается скрытым. Можно привести еще множество примеров потенциальной энергии (в частности, атомной), в дальнейшем мы остановимся на них подробнее.
• С другой стороны, ветряной генератор или горящая печь обладают энергией «явной». Мы интуитивно связываем тепло и движение с энергией, но не в «потенциальной» форме, а в реальной и конкретной. Нефть представляет интерес только потому, что может дать тепло (если ее сжечь) или обеспечить движение (в моторе машины). Точно так же пища дает нашему телу тепло (чтобы поддерживать в нем температуру 36,6 °C), чтобы мы могли двигаться, ходить, говорить и т. д.
Таким образом, тепло и движение кажутся двумя наглядными формами энергии (к которым мы можем добавить и свет). Однако тепло также заключает в себе понятие движения.
И действительно, даже при отсутствии ветра воздух состоит из молекул, которые перемещаются с большой скоростью. Столкновение этих молекул с различными предметами создает силу давления. Между тем повышенная температура является результатом более быстрого перемещения этих молекул (в этом мы убедимся в дальнейшем). Таким образом, понятие «тепло» тесно связано со скоростью движения, даже если это движение не видно невооруженным глазом, потому что оно происходит на микроскопическом (молекулярном) уровне.
Таким образом, чтобы получить тепло или придать движение объекту, требуется увеличение скорости (скорости молекул для выработки тепла или скорости самого объекта). Вот почему эта «материализованная» форма энергии называется кинетической.
Что касается энергии света, эта тема более сложная, и мы рассмотрим ее в разделе, посвященном оптике.
Подведем итог. Энергия может проявляться в двух видах: потенциальной и кинетической. Полная энергия объекта, по сути, просто сумма его потенциальной и кинетической энергии.
Энергия макроскопическая и микроскопическая
Мы видели, что кинетическая энергия может проявляться в микроскопической (термическая) или макроскопической (видимое движение) формах. То же самое свойственно и потенциальной энергии.
• Поднесите зажженную спичку к луже нефти: она загорится, и нефть будет выделять большое количество тепла. То есть она будет вырабатывать кинетическую энергию с помощью процесса на микроскопическом уровне (перераспределение молекул). То есть баррель нефти обладает «потенциальной микроскопической энергией».
• Поднимите ручку в воздух, а затем бросьте ее: она полетит вниз под воздействием силы тяжести, иными словами, ручка обретет кинетическую энергию с помощью процесса на макроскопическом уровне (сила тяжести). Про предмет, находящийся на высоте, говорят, что он обладает «потенциальной макроскопической энергией».
Таким образом, полную энергию объекта можно поделить на четыре типа: два для кинетической энергии (макроскопическая и микроскопическая) и два для потенциальной.
Приведем заключительный пример, чтобы расставить все по местам: выбросьте горячий бифштекс из окна. Пролетая через окно, бифштекс обладает сразу четырьмя видами энергии:
• кинетической макроскопической, потому что движется;
• кинетической микроскопической, потому что он горячий;
• потенциальной макроскопической, потому что он находится в воздухе, а падение придаст ему кинетическую энергию;
• потенциальной микроскопической энергией, потому что бифштекс содержит калории, способные проявить себя в кинетической форме, если мы его съедим.
В физике принято относить макро- и микроявления к разным группам. Таким образом, общая макроскопическая энергия (кинетическая + потенциальная) называется механической энергией. Общая микроскопическая энергия называется внутренней энергией. То есть полная энергия объекта представляет собой совокупность механической и внутренней энергии.
Помимо этой видимой сложности, не следует забывать о физическом смысле энергии, который замечательно прост:
«Энергия существует, если есть движение или возможность движения».
Однако понятие движения относительно, оно зависит от системы отсчета: то есть понятие энергии также не является абсолютным. Объект может обладать энергией в одной системе отсчета и не обладать ею в другой.
Представьте, что вы в машине, едущей со скоростью 90 км/ч, рядом с открытым окном, и вытяните руки в стороны, так чтобы одна рука высунулась наружу, а другая осталась внутри. Если вы сидите не двигаясь, вы не причините никакого вреда рядом сидящему пассажиру. Но человек, стоящий близко к краю дороги, будет мгновенно сбит вашей рукой, даже если вы будете сидеть неподвижно. Иными словами, ваша кинетическая энергия равна нулю с точки зрения пассажира (система отсчета машины), но она весьма велика с точки зрения человека у края дороги (земная система отсчета).
НЕСКОЛЬКО ЗАМЕЧАНИЙ
В физике кинетическая энергия обозначается Ek, а потенциальная Ep. Они делятся на микроскопическую и макроскопическую составляющие, что можно выразить как:
Таким образом, общая E равна:
Макроскопические составляющие складываются в механическую энергию, обозначаемую
Микроскопические составляющие складываются во внутреннюю энергию, обозначаемую
Следовательно, общая энергия равна: E = U + Em.
Если физический смысл энергии был четко выявлен в вышесказанном, то ее определение пока остается неясным: движение – понятие довольно расплывчатое. Определяется ли кинетическая энергия только при наличии скорости? Ответ – нет, и в двух последующих параграфах мы рассмотрим это подробнее.
