Энергия

Энергия является одним из ключевых понятий науки, но к нему подошли не сразу. Учитывая широкий диапазон применения этого понятия, полезно рассмотреть его подробнее.

Начнем с понятия работы. Это есть некая количественная характеристика, которую мы можем проверить на опыте, совершая физическое усилие. Формально ее определяют через понятие силы, под действием которой происходит движение. Если под действием силы P тело перемещается на расстояние x в направлении ее действия, то работа, совершенная над телом, равна произведению P*x. При этом работа может производиться несколькими способами. Если сила приложена к телу, которое может свободно перемещаться, то возрастет его скорость и; если же сила действует на деформируемое тело, например пружину, то изменится его форма. В таких простейших случаях говорят, что энергия тела увеличилась на величину, равную совершенной над ним работе. В настоящее время, если не считать химических реакций и тому подобное, можно утверждать, что, как правило, любое увеличение энергии системы, связанное с изменением ее состояния, равно работе, которую необходимо совершить над системой, чтобы вызвать это изменение.

Энергия может "сохраняться" в теле в различных видах. Здесь нас интересуют лишь два наиболее общих вида энергии: кинетическая и потенциальная. Пусть частица с массой m, находившаяся первоначально в состоянии покоя, постепенно ускоряется и приобретает скорость v. Легко показать, что при этом над ней совершается работа, равная ^mv2/₂) которая и приводит к увеличению ее кинетической энергии, или энергии движения. Если же под действием силы постепенно сжимается пружина, то совершаемая работа способствует повышению потенциальной энергии последней, то есть изменению положения системы.

Чтобы понять сущность этих видов энергии, проанализируем поведение атомов и молекул. Молекулы газа движутся относительно друг друга, кинетическая энергия является мерой их поступательного движения. Для повышения интенсивности вращения также необходимо совершить работу, поэтому вращающиеся молекулы обладают кинетической энергией, которая теперь служит мерой их вращательного движения. Энергия вращательного движения отдельных атомов одноатомного газа ничтожно мала, но при группировании их в молекулы она значительно увеличивается, так что вращательная составляющая их кинетической энергии весьма существенна. Межатомные силы в молекуле действуют в какой-то мере подобно пружинам, соединяющим атомы, поэтому такие системы молекул обладают и потенциальной энергией. При колебаниях атомов относительно друг друга происходит взаимное превращение кинетической и потенциальной энергии. Аналогичным образом можно исследовать движение молекул в твердом теле, но здесь оно много сложнее.

Потенциальная и кинетическая энергия электронов в атоме обусловлены силами притяжения между электронами и положительно заряженным ядром. Предполагается, что под действием этих сил электрон приобретает центростремительное ускорение, которое обеспечивает его вращение вокруг ядра. Для перемещения электрона на более удаленную орбиту необходимо совершить некоторую работу, в результате его энергия увеличивается. К этому вопросу мы еще вернемся в гл. 4.

В рассмотренных примерах энергия связывается с чисто локальным движением молекул и их составных частей. Такой вид энергии мы будем называть внутренней энергией. Ее следует отличать от энергии, связанной с движением тел, состоящих из молекул, например с движением жидкости в трубке. Последнее имеет очень сложный характер; оно является комбинацией множества макро- и микродвижений, но эти два вида энергии принято строго разграничивать.