Страница 30 из 33
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.
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.
2. Кинетическая энергия, температура и движение
Определение температуры
В предыдущем параграфе мы дали понять, что повышенная микроскопическая кинетическая энергия соответствовала повышенной температуре. Прежде чем идти дальше, очень важно уточнить, что же такое температура тела.
Исторически температура была связана с понятием тепла и холода (это также ее интуитивный смысл). Но поскольку ощущения тепла и холода весьма субъективны, пришлось найти средство для точного измерения этой самой температуры. Между тем люди заметили, что газы и металлы увеличиваются в объеме при нагревании – например, так ведет себя ртуть. Это изменение в объеме стали использовать для измерения температуры: в ртутном термометре чем выше столбик ртути, тем выше температура.
Также было замечено, что при определенном уровне давления лед превращался в жидкую воду при том же уровне ртути, то есть при той же температуре. То же самое при переходе воды в пар. Первыми двумя переменами состояния воспользовались, чтобы определить температурную шкалу: такой шкалой стала шкала Цельсия.
Было условлено, что при атмосферном давлении в 1 бар превращение воды в лед совершается при температуре 0 °C. Превращение воды в пар при 100 °C. Для любой другой температуры между 0 °C и 100 °C измеряют объем газа при давлении в 1 бар.
Возьмем реалистический пример: предположим, что при 0 °C объем газа составляет 73 л, а при 100 °C – 100 л: среднее значение между 100 л и 73 л – 86,5 л. Это значит, что если однажды объем газа составит 86,5 л, это будет соответствовать температуре в 50 °C (среднему значению между 0 °C и 100 °C). Мы видим, что определенный объем соответствует определенной температуре: значение температуры соответствует определенному значению объема.
В предыдущем примере, если объем газа будет меньше 73 л, значит, температура опустилась ниже 0 °C. А вот газ никогда не сможет иметь объем меньше 0 л… Что означает, что температура никогда не сможет опуститься ниже некоего минимального уровня, соответствующего этому объему в 0 л!
Простой подсчет поможет определить этот минимальный уровень: получается –273,15 °C (пытливый читатель может проверить это на предыдущем примере). Это значение называется абсолютным нулем, температура ни в коем случае не может быть ниже.
На основе этого вывода была введена новая температурная шкала, которой физики пользуются значительно чаще, чем шкалой Цельсия, – шкала Кельвина. По сути, это простое переложение значений шкалы Цельсия таким образом, что абсолютный нуль соответствует 0 °К (Кельвина), то есть 0 °К = –273,15 °C (абсолютный нуль). 273,15 °К соответствует 0 °C. 373,15 °К = 100 °C и так далее. Мы видим, что температура по Кельвину ни в коем случае не может быть отрицательной.