Законы сохранения. Энергия
Всем приветы! Продолжаем нашу рубрику "Просто о сложном". На очереди у нас законы сохранения.
Изначально я хотел сюда сразу все законы сохранения запихнуть, но текста очень много получается даже для одного, поэтому мне придется их разбить по подтемам.
И да: в этом посте будет много текста и наконец-то не будет ни единой формулы, так что гуманитарии велком:)
Чтобы описать что такое законы сохранения и зачем они нужны, рассмотрим задачку.
Представим, что у нас есть какой-то изолированный черный ящик и хочется узнать, что там могло бы происходить.
Примерно всегда в физике приходится иметь дело с такими черными ящиками, о которых мало что известно.
На самом деле такая формулировка некорректна: внутри черного ящика может находиться что угодно.
Тем не менее, сказать о процессах внутри этого ящика что-то всё-таки можно.
Для этого надо задать обратный вопрос: что ни при каких условиях не может произойти в изолированном черном ящике?
Вообще, задавать обратные вопросы - полезная техника, когда приходится работать с абсолютно неизвестными вещами.
Если что-то произойти не может ни при каких условиях - значит, что на это есть какие-то нерушимые запреты.
Этих запретов в физике оказывается довольно много.
Это запреты на нарушение около 27 законов сохранения, плюс принцип Паули, плюс еще всякие другие базовые принципы.
Некоторые из них доказаны строго математически, другие же всегда наблюдаются на эксперименте, но ещё ждут свой черед строгого доказательства.
Пока остановимся на первой группе строго доказанных законах сохранения. Их всего 7, и они следуют напрямую из свойств нашего пространства и времени.
Первой их доказала великая Эмми Нётер в 1918 году. После неё за законами сохранения начали искать какую-либо симметрию.
Самым важным из них является закон сохранения энергии (ЗСЭ). Он следует напрямую из однородности времени.
Однородность времени - это когда эксперимент можно поставить в любой момент времени и результаты обязаны повториться.
Например, если бросить из окна камень вертикально вниз, то он упадет за какое-то время.
И если через год его бросить, то он упадет за то же самое время.
За год, за век и за тысячелетие законы природы не поменяются, поэтому время однородно.
Следовательно, энергия в замкнутых системах должна сохраняться.
Окей, но физики бы не были физиками, если б не захотели нарушить и этот закон. Всё надо ставить под сомнение:)
В каких случаях энергия не сохраняется? Во-первых, когда не выполнено основное условие - если система не замкнута.
Например, есть у нас дерево. Это - незамкнутая система, так как дереву для жизни нужны свет, тепло и вода.
А вот если к дереву добавить лампу, систему полива и контроля температуры, то дерево вместе с этими системами уже кажется изолированной системой.
Но все равно нет, так как сами эти системы тоже должны откуда-то питаться энергией. То есть туда еще надо добавить какой-то генератор.
Вот тогда система станет изолированной и тогда закон сохранения энергии будет применим.
Во-вторых, когда не выполнено условие однородности времени, то есть имеется ряд невоспроизводимых экспериментов.
Вообще говоря, это само по себе является абсурдом, так как если эксперимент невозможно повторить, то никакая теория, его описывающая, не может быть верной.
В самом деле, теория должна предсказывать поведение системы в ходе эксперимента. Если он не воспроизводится, то и предсказывать нечего.
Здесь особняком стоят теории о зарождении Вселенной. Очевидно, что этот эксперимент в целом не воспроизводим ни в каком моменте в будущем.
Соблюдается ли закон сохранения энергии в масштабах целой Вселенной?
Иными словами: энергия, которая была во Вселенной в момент Большого Взрыва равняется ли энергии Вселенной в настоящий момент времени?
Честно говоря, фиг его знает. Это открытый вопрос. Скорее всего не сохраняется именно из-за неоднородности времени на таких масштабах.
В любом случае, если вам в наших земных условиях кто-то будет заявлять, что сделал вечный двигатель, который дает энергию из ниоткуда,
то:
а) либо этот человек вас дурачит, пытаясь как-то скрыть настоящий источник энергии, от которого работает его конструкция.
В этом случае он будет много махать руками и говорить, что современная физика не работает, что на самом деле есть много других неизмеримых сущностей.
И... что ему нужны деньги на построение этой махины.
б) либо у этого человека реальные беды с головой, так как ему придется заявить о неоднородности времени.
Простыми словами: этот человек будет вас убеждать, что может создавать целые Вселенные, из которых умеет доставать энергию.
Первый вариант - это мошенничество (УК РФ, ст. 159). Второй вариант - это шизофрения (МКБ-10, F-20).
В обоих случаях проще забить и не связываться. Ну или вызвать санитаров.
Если вы случайно нашли, каким образом еще можно энергию получать, то первым делом говорите людям, из чего вы ее получаете.
Из воды - ГЭС, из химических реакций - аккумуляторы, из ядерных реакций - АЭС, из солнечного света - солнечные батареи, и т.д.
Тогда разговор как минимум состоится.
До этого момента мы рассматривали полностью изолированные системы без обмена энергией с окружающей средой.
К сожалению или к счастью, но такие системы в окружающем нас мире редки: многие вещи довольно непросто заключить в каком-то термосе, а иногда это и совсем ненужно.
Это означает, что одно из условий на сохранение энергии зачастую строго невыполнено.
Становится ли ЗСЭ от этого бесполезным? Нисколько.
Просто появится некоторая поправка к энергии.
1) Если она достаточно мала, то ее можно включить в погрешность.
2) Если она достаточно велика, то надо ЗСЭ несколько переформулировать.
Для этого накроем нашу систему большим колпаком как мы делали с деревом, и рассмотрим подсистемы.
Целиком всё, что находится под колпаком с окружающим миром не взаимодействует.
Тогда энергия внутри постоянна. Соответственно, если в какой-то подсистеме энергии стало больше, то в другой должно меньше.
То есть ЗСЭ в этом случае выглядит так: сколько энергии вышло из одной подсистемы, столько же должно прийти в другую подсистему, но возможно в иной форме.
Например, если чайник поставить на газ, то энергия от горения газа будет переходить к воде.
Следовательно, энергия реакции горения газа переходит в тепловую энергию воды.
Полностью ли переходит? Очевидно, что нет - часть энергии идет на нагревание окружающего воздуха и материала чайника.
ЗСЭ в этом смысле нужно рассматривать локально применительно к самому процессу нагревания.
То есть фраза "энергия реакции горения газа полностью переходит в тепловую энергию окружающей среды" - это и есть закон сохранения энергии в данной задаче.
В такой формулировке говорится, что всеми остальными потоками энергии в этой задаче мы пренебрегаем и оставляем только самый главный.
Ну и также говорится, что из ниоткуда энергия не берется, а преобразуется из химической в тепловую.
Теперь о том, как эти знания применять на практике.
1) Если вы хотите похудеть, то дефицит калорий и физическая активность являются чрезвычайно важными условиями.
Так как организм будет получать меньше энергии, чем ему необходимо, то ему придется тратить свою.
2) Предположим, что у вас есть солнечные батареи на доме и в один солнечный августовский день к вам приходит продажник и говорит:
- Давайте мы вам при помощи собирающего зеркала увеличим КПД ваших солнечных батарей!
И достает ручной макет, где собирающее сферическое зеркало фокусирует свет на батарее.
Вы видите, что энергии на зарядку телефона без зеркала не хватает, а с зеркалом - хватает.
Может быть, вы даже сами решите померить КПД у этой штуки и он окажется в 3 раза выше, чем у обычной солнечной батареи.
Выглядит это весьма эффектно и вы решительно покупаете услуги по установке сего девайса на крышу дома в начале сентября.
Проходит примерно 9 месяцев использования, наступает лето.
В это время вы убеждали себя, что осенью стало больше дождей и меньше солнца, потому стало работать хуже, что настанет лето и всё будет здорово.
А летом вы замечаете, что лучше-то нифига не стало, а стало только хуже.
Но все гарантийные сроки уже прошли, где сама эта фирма - хрен его знает, да и в договоре были только пункты про покупку и установку, но не про увеличение суммарной энергии.
Сколько это дело в суде будет находиться - хрен его знает: пока найдешь, пока экспертизу сделаешь, пока докажешь, пока компенсацию стребуешь.
Вернемся к физике. Почему эта идея была обречена на провал?
По закону сохранения энергии: солнце ярче светить не стало, крыша дома не увеличилась - добавочного потока энергии не появилось.
Зато появились потери на отражение от зеркала (примерно 10%) и потери из-за неплотно заполненной крыши: между кругами остается пустое пространство (еще 10%).
Вот потому и стало хуже работать.
Единственные способы ту же площадь солнечных батарей заставить выдавать больше энергии:
а) это увеличить световой поток (направить их на солнце)
б) сменить материал, например, на арсенид галлия.
Я сюда хотел еще пару примеров вставить, но и так уже довольно длинно получилось.
Так что вам домашнее задание:
Напишите в комментариях ситуации, когда закон сохранения энергии может сразу показать, что устройство работать не будет или оно быстро сломается.
На этом пока всё. Учите физику, не попадайтесь на уловки мошенников. В следующем посте продолжу про закон сохранения импульса и момента импульса.