В физике и химии, закон сохранения энергии указывает, что общая энергия изолированной системы остается постоянной; говорят, что он сохраняется с течением времени. Этот закон, впервые предложенный и испытанный Эмили дю Шатле, означает, что энергия не может быть создана или уничтожена; скорее, его можно только трансформировать или переносить из одной формы в другую. Например, химическая энергия преобразуется в в кинетическую энергию, когда взрывается палка динамита. Если сложить все формы энергии, которые были высвобождены при взрыве, такие как кинетическая энергия и потенциальная энергия частей, а также тепло и звук, вы получите точное уменьшение химической энергии при сгорании динамита. Классически сохранение энергии отличалось от сохранения массы ; однако специальная теория относительности показала, что масса связана с энергией, и наоборот, E = mc, и теперь наука считает, что масса-энергия в целом сохраняется. Теоретически это означает, что любой объект с массой сам может быть преобразован в чистую энергию, и наоборот, хотя считается, что это возможно только при самых экстремальных физических условиях, которые, вероятно, существовали во Вселенной вскоре после Большой взрыв или когда черные дыры испускают излучение Хокинга.
Сохранение энергии может быть строго доказано теоремой Нётер как следствие непрерывного симметрия перевода времени ; то есть из-за того, что законы физики не меняются со временем.
Следствием закона сохранения энергии является то, что вечный двигатель первого типа не может существовать, то есть никакая система без внешнего источника энергии не может обеспечить неограниченное количество энергии. количество энергии для окружающей среды. Для систем, которые не имеют симметрии сдвига во времени, может оказаться невозможным определить сохранение энергии. Примеры включают искривленное пространство-время в общей теории относительности или кристаллы времени в физике конденсированного состояния.
Древние философы до сих пор еще Фалес Милетский c.550 г. до н.э. имел подозрения о сохранении некоего основного вещества, из которого все сделано. Однако нет особой причины отождествлять их теории с тем, что мы знаем сегодня как «масса-энергия» (например, Фалес думал, что это вода). Эмпедокл (490–430 гг. До н. Э.) Писал, что в его универсальной системе, состоящей из четырех корней (земля, воздух, вода, огонь), «ничто не возникает и не погибает»; вместо этого эти элементы постоянно перестраиваются. Эпикур (c.350 г. до н.э.), с другой стороны, считал, что все во Вселенной состоит из неделимых единиц материи - древнего предшественника «атомов» - и он тоже имел некоторое представление о необходимости сохранения, заявляя, что «общая сумма вещей всегда была такой, как сейчас, и такой она всегда будет».
В 1605 году Симон Стевинус смог решить ряд задач в статике, основанной на по тому принципу, что вечное движение невозможно.
В 1639 г. Галилей опубликовал свой анализ нескольких ситуаций, включая знаменитый «прерванный маятник», который можно описать (на современном языке) как консервативное преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратно. еще раз. По сути, он указал, что высота, которую поднимается движущееся тело, равна высоте, с которой оно падает, и использовал это наблюдение, чтобы вывести идею инерции. Замечательный аспект этого наблюдения состоит в том, что высота, на которую движущееся тело поднимается по поверхности без трения, не зависит от формы поверхности.
В 1669 г. Христиан Гюйгенс опубликовал свои законы столкновения. Среди величин, которые он перечислил как инвариантные до и после столкновения тел, была как сумма их линейных импульсов, так и сумма их кинетических энергий. Однако в то время не было понимания разницы между упругим и неупругим соударением. Это привело к спору среди более поздних исследователей о том, какая из этих сохраняющихся величин является более фундаментальной. В своем Horologium Oscillatorium он дал гораздо более ясное заявление относительно высоты подъема движущегося тела и связал эту идею с невозможностью вечного движения. Исследование Гюйгенсом динамики движения маятника было основано на единственном принципе: центр тяжести тяжелого объекта не может подняться сам.
Готфрид ЛейбницТот факт, что кинетическая энергия является скалярной, в отличие от линейного импульса, который является вектором, и, следовательно, с ним легче работать, не ускользнул от внимания Готфрида Вильгельма Лейбница. Именно Лейбниц в 1676–1689 годах первым попытался математически сформулировать вид энергии, связанной с движением (кинетическая энергия). Используя работу Гюйгенса о столкновении, Лейбниц заметил, что во многих механических системах (с несколькими массами, m i каждая с скоростью vi)
сохранялось до тех пор, пока массы не взаимодействовали. Он назвал это количество vis viva или жизненной силой системы. Принцип представляет собой точное утверждение о приблизительном сохранении кинетической энергии в ситуациях, когда нет трения. Многие физики в то время, такие как Ньютон, считали, что сохранение импульса, которое выполняется даже в системах с трением, что определяется импульсом :
был сохраненным vis viva. Позже было показано, что обе величины сохраняются одновременно при определенных условиях, таких как упругое столкновение.
. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал свои Principia, которые были организованы вокруг концепции силы и импульса. Однако исследователи быстро осознали, что принципы, изложенные в книге, хотя и подходят для точечных масс, недостаточны, чтобы справиться с движениями твердых и жидких тел. Требовались и другие принципы.
Даниэль БернуллиЗакон сохранения vis viva был защищен дуэтом отца и сына, Иоганном и Даниэлем Бернулли. Первый провозгласил принцип виртуальной работы, использованный в статике в его полной общности в 1715 году, а второй основал свою Hydrodynamica, опубликованную в 1738 году, на этом единственном принципе сохранения. Изучение Даниэлем потери vis viva проточной воды привело его к формулировке принципа Бернулли, согласно которому потери пропорциональны изменению гидродинамического давления. Дэниел также сформулировал понятие работы и эффективности для гидравлических машин; и он дал кинетическую теорию газов и связал кинетическую энергию молекул газа с температурой газа.
Это внимание континентальных физиков к vis viva в конечном итоге привело к открытию принципов стационарности, управляющих механикой, таких как принцип Даламбера, лагранжиан и Гамильтоновы формулировки механики.
Эмили дю ШатлеЭмили дю Шатле (1706 - 1749) предложила и проверила гипотезу сохранения полной энергии в отличие от количества движения. Вдохновленная теориями Готфрида Лейбница, она повторила и опубликовала эксперимент, первоначально задуманный Виллемом Грейвзандом в 1722 году, в котором шары сбрасывались с разной высоты в лист мягкой глины. Было показано, что кинетическая энергия каждого шара - на что указывает количество перемещенного материала - пропорциональна квадрату скорости. Было обнаружено, что деформация глины прямо пропорциональна высоте, с которой падали шары, равной начальной потенциальной энергии. Ранние исследователи, включая Ньютона и Вольтера, все полагали, что «энергия» (насколько они вообще понимали эту концепцию) неотделима от количества движения и, следовательно, пропорциональна скорости. Согласно этому пониманию, деформация глины должна была быть пропорциональна квадратному корню из высоты, с которой падали шары. В классической физике правильная формула: , где - кинетическая энергия объекта, его масса и его скорость. На этом основании дю Шатле предположил, что энергия всегда должна иметь одни и те же размеры в любой форме, что необходимо для того, чтобы иметь возможность связывать ее в различных формах (кинетическая, потенциальная, тепловая…).
Инженеры такие как Джон Смитон, Питер Юарт, Карл Хольцманн, Густав-Адольф Хирн и Марк Сеген признали, что сохранение импульса сам по себе не подходил для практических расчетов и использовал принцип Лейбница. Этот принцип был также защищен некоторыми химиками, такими как Уильям Хайд Волластон. Такие ученые, как Джон Плейфейр, поспешили указать на то, что кинетическая энергия явно не сохраняется. Это очевидно для современного анализа, основанного на втором законе термодинамики, но в 18-19 веках судьба утраченной энергии все еще была неизвестна.
Постепенно возникло подозрение, что тепло, неизбежно генерируемое движением при трении, было другой формой vis viva. В 1783 году Антуан Лавуазье и Пьер-Симон Лаплас рассмотрели две конкурирующие теории vis viva и теорию калорий. Граф Рамфорд Наблюдения за 1798 годом тепловыделения во время бурения пушек добавили веса представлению о том, что механическое движение может быть преобразовано в тепло и (что не менее важно), что преобразование было количественным и его можно было предсказать. (с учетом универсальной константы преобразования кинетической энергии в тепло). Затем Vis viva стали называть энергией после того, как этот термин впервые был использован в этом смысле Томасом Янгом в 1807 году.
Гаспар-Гюстав КориолисПерекалибровка vis viva на
, что можно понимать как преобразование кинетической энергии в работа, была в значительной степени результатом Гаспара-Гюстава Кориолиса и Жана-Виктора Понселе в период 1819–1839 гг. Первый называл количество Quantité de travail (количество работы), а второй - travail mécanique (механическая работа), и оба отстаивали его использование в инженерных расчетах.
В статье Über die Natur der Wärme (нем. «О природе тепла / тепла»), опубликованной в Zeitschrift für Physik в 1837 году, Карл Фридрих Мор дал одно из самых ранних общих утверждений доктрины сохранения энергии: «помимо 54 известных химических элементов в физическом мире есть только один агент, и это называется крафт [энергия или работа]. обстоятельствам, таким как движение, химическое сродство, когезия, электричество, свет и магнетизм; и из любой из этих форм он может быть преобразован в любую из других ».
Ключевым этапом в развитии современного принципа сохранения тепла стала демонстрация механического эквивалента тепла. теория калорий утверждала, что тепло не может быть ни создано, ни уничтожено, тогда как сохранение энергии влечет за собой противоположный принцип, согласно которому тепло и механическая работа взаимозаменяемы.
В середине восемнадцатого века Михаил Ломоносов, русский ученый, постулировал свою корпускулокинетическую теорию тепла, которая отвергла идею калорийности. По результатам эмпирических исследований Ломоносов пришел к выводу, что тепло не передается через частицы теплоносителя.
В 1798 году граф Рамфорд (Бенджамин Томпсон ) провел измерения теплоты трения, генерируемой в бурильных пушках, и развил идею, что тепло является формой кинетической энергии; его измерения опровергли теорию калорийности, но были достаточно неточными, чтобы оставлять место для сомнений.
Джеймс Прескотт ДжоульПринцип механической эквивалентности был впервые изложен в его современной форме немецким хирургом Юлиусом Робертом фон Майером в 1842 году. Майер пришел к своему выводу во время путешествия к голландцам. Ост-Индия, где он обнаружил, что кровь его пациентов была более темно-красной, потому что они потребляли меньше кислорода и, следовательно, меньше энергии, чтобы поддерживать температуру своего тела в более жарком климате. Он обнаружил, что тепло и механическая работа являются формами энергии, и в 1845 году, улучшив свои знания в области физики, он опубликовал монографию, в которой установил количественную связь между ними.
Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Нисходящий груз, прикрепленный к струне, заставляет вращаться лопасть, погруженная в воду.Между тем, в 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. В самом известном, теперь называемом «аппарате Джоуля», нисходящий груз, прикрепленный к струне, заставлял лопасть, погруженную в воду, вращаться. Он показал, что гравитационная потенциальная энергия, потерянная весом при спуске, равна внутренней энергии, полученной водой в результате трения лопасти.
В период 1840–1843 гг. Аналогичная работа проводилась инженером Людвигом А. Колдингом, хотя за пределами его родной Дании эта работа была мало известна.
Работа Джоуля и Майера страдала от сопротивления и пренебрежения, но именно работа Джоуля в конечном итоге получила более широкое признание.
В 1844 году Уильям Роберт Гроув постулировал связь между механикой, теплотой, светом, электричеством и магнетизмом посредством рассматривая их все как проявления единой «силы» (энергии, говоря современным языком). В 1846 году Гроув опубликовал свои теории в своей книге «Корреляция физических сил». В 1847 г., опираясь на более ранние работы Джоуля Сади Карно и Эмиль Клапейрон, Герман фон Гельмгольц пришел к выводам, аналогичным выводам Гроув, и опубликовал свои теории в своей книга Über die Erhaltung der Kraft (О сохранении силы, 1847). Общее современное признание этого принципа вытекает из этой публикации.
В 1850 году Уильям Рэнкин впервые применил фразу закон сохранения энергии в качестве принципа.
В 1877 году Питер Гатри Тейт утверждал, что принцип возник у сэра Исаака Ньютона, основанного на творческом прочтении положений 40 и 41 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Сейчас это рассматривается как пример истории вигов.
Материя состоит из атомов и того, что составляет атомы. Материя имеет внутреннюю массу или массу покоя. В ограниченном диапазоне признанного опыта девятнадцатого века было обнаружено, что такая масса покоя сохраняется. Теория специальной теории относительности 1905 года Эйнштейна показала, что масса покоя соответствует эквивалентному количеству энергии покоя. Это означает, что масса покоя может быть преобразована в эквивалентные количества (нематериальных) форм энергии, например кинетическая энергия, потенциальная энергия и энергия электромагнитного излучения, или наоборот. Когда это происходит, как показывает опыт двадцатого века, масса покоя не сохраняется, в отличие от полной массы или полной энергии. Все формы энергии вносят вклад в общую массу и общую энергию.
Например, электрон и позитрон каждый имеют массу покоя. Они могут погибнуть вместе, преобразовав свою объединенную энергию покоя в фотоны, имеющие электромагнитную лучистую энергию, но не имеющую массы покоя. Если это происходит в изолированной системе, которая не выпускает фотоны или их энергию во внешнее окружение, то ни общая масса, ни полная энергия системы не изменятся. Произведенная электромагнитная лучистая энергия вносит такой же вклад в инерцию (и любой вес) системы, как и масса покоя электрона и позитрона до их гибели. Точно так же нематериальные формы энергии могут превратиться в материю, имеющую массу покоя.
Таким образом, сохранение энергии (полной, включая материальную энергию или энергию покоя) и сохранение массы (общей, а не только покоя) все еще выполняется как (эквивалентный) закон. В XVIII веке они выглядели как два, казалось бы, разных закона.
Открытие в 1911 году того, что электроны, испускаемые при бета-распаде, имеют непрерывный, а не дискретный спектр, казалось, противоречит закону сохранения энергии при текущее предположение, что бета-распад - это простая эмиссия электрона из ядра. Эта проблема была решена в 1933 году Энрико Ферми, который предложил правильное описание бета-распада как испускания как электрона, так и антинейтрино, несущего от явно недостающей энергии.
Для закрытой термодинамической системы первый закон термодинамики может быть сформулирован как:
где - количество энергии, добавленной к системе. в процессе нагрева, - это количество энергии, потерянное системой из-за работы, выполненной системы в ее окружении, а - это изменение внутренней энергии системы.
δ перед термином нагрева и работы используются для обозначения того, что они описывают приращение энергии, которое следует интерпретировать несколько иначе, чем приращение внутренней энергии (см. Неточный дифференциал ). Работа и тепло относятся к видам процессов, которые добавляют или отнимают энергию в системе или из нее, тогда как внутренняя энергия является свойством определенного состояния системы, когда она находится в неизменном термодинамическом равновесии. Таким образом, термин «тепловая энергия» для означает «это количество энергии, добавляемой в результате нагрева», а не относящийся к конкретной форме энергии. Аналогично, термин «рабочая энергия» для означает «это количество энергии, потерянное в результате работы». Таким образом, можно указать количество внутренней энергии, которой обладает термодинамическая система, которая, как известно, находится в данном состоянии, но нельзя сказать, просто исходя из знания данного текущего состояния, сколько энергии в прошлом вливалось в или из систему в результате ее нагрева или охлаждения, а также в результате работы, выполняемой с системой или ею.
Энтропия - это функция состояния системы, которая говорит об ограничениях возможности преобразования тепла в работу.
Для простой сжимаемой системы работа, выполняемая системой, может быть записана:
где - это давление, а - небольшое изменение том системы, каждая из которых является системными переменными. В фиктивном случае, когда процесс идеализирован и бесконечно медленный, чтобы его можно было назвать квазистатическим и рассматривать как обратимый, когда тепло передается от источника с температурой, бесконечно превышающей температуру системы, тогда тепловая энергия может быть записана
где - это температура и - небольшое изменение энтропии системы. Температура и энтропия - переменные состояния системы.
Если открытая система (в которой масса может обмениваться с окружающей средой) имеет несколько стенок, так что массоперенос осуществляется через твердые стенки отдельно от теплопередачи и передачи работы, то первый закон можно записать:
где - добавленная масса, а - внутренняя энергия на единицу массы добавленной массы, измеренная в окружение до процесса.
Сохранение энергии - общая черта многих физических теорий. С математической точки зрения это понимается как следствие теоремы Нётер, разработанной Эмми Нётер в 1915 году и впервые опубликованной в 1918 году. Теорема утверждает каждую непрерывную симметрию физической теории имеет связанную сохраняемую величину; если симметрия теории неизменна во времени, то сохраняющаяся величина называется «энергией». Закон сохранения энергии является следствием сдвига симметрии времени; Сохранение энергии подразумевается эмпирическим фактом, что законы физики не меняются со временем. С философской точки зрения это можно сформулировать так: «от времени как такового ничего не зависит». Другими словами, если физическая система инвариантна относительно непрерывной симметрии преобразования времени, то ее энергия (которая является канонически сопряженной величиной во времени) сохраняется. И наоборот, системы, которые не являются инвариантными относительно сдвигов во времени (например, системы с зависящей от времени потенциальной энергией), не демонстрируют сохранения энергии - если мы не рассматриваем их как способные обмениваться энергией с другой внешней системой, так что теория увеличенной системы становится время снова инвариантно. Сохранение энергии для конечных систем справедливо в таких физических теориях, как специальная теория относительности и квантовая теория (включая QED ) в плоском пространстве-времени.
С открытием в специальной теории относительности Анри Пуанкаре и Альбертом Эйнштейном, энергия была предложена как один из компонентов 4-вектора энергии-импульса. Каждый из четырех компонентов (один энергии и три импульса) этого вектора отдельно сохраняется во времени в любой замкнутой системе, как видно из любой данной инерциальной системы отсчета. Также сохраняется длина вектора (норма Минковского ), которая является массой покоя для одиночных частиц, и инвариантной массой для систем частиц (где импульсы и энергии суммируются отдельно перед вычислением длины - см. статью о инвариантной массе ).
Релятивистская энергия одиночной массивной частицы содержит термин, связанный с ее массой покоя в дополнение к ее кинетической энергии движения. В пределе нулевой кинетической энергии (или эквивалентно в системе отсчета ) массивной частицы или в центре импульса для объектов или систем, сохраняющих кинетическую энергию, полная энергия частицы или объекта (включая внутреннюю кинетическую энергию в системах) связана с его массой покоя или его инвариантной массой через знаменитое уравнение .
Таким образом, правило сохранения энергии во времени в специальной теории относительности продолжает действовать, пока система отсчета Наблюдателя без изменений. Это относится к полной энергии систем, хотя разные наблюдатели расходятся во мнениях относительно значения энергии. Также сохраняется и инвариантна для всех наблюдателей инвариантная масса, которая является минимальной массой и энергией системы, которую может увидеть любой наблюдатель, и которая определяется соотношением энергии-импульса.
В общей теории относительности закон сохранения энергии-импульса четко не определен, за исключением некоторых особых случаев. Энергия-импульс обычно выражается с помощью псевдотензора энергии-импульса. Однако, поскольку псевдотензоры не являются тензорами, они не преобразуются чисто между опорными кадрами. Если рассматриваемая метрика статична (то есть не меняется со временем) или асимптотически плоская (то есть на бесконечном расстоянии пространство-время выглядит пустым), то сохранение энергии выполняется без серьезных ошибок. На практике некоторые метрики, такие как метрика Фридмана – Лемэтра – Робертсона – Уокера, не удовлетворяют этим ограничениям, и сохранение энергии не определено должным образом. Общая теория относительности оставляет открытым вопрос о сохранении энергии для всей Вселенной.
В квантовой механике энергия квантовой системы описывается самосопряженным (или эрмитовым) оператором, называемым Гамильтониан, который действует в гильбертовом пространстве (или пространстве волновых функций ) системы. Если гамильтониан является независимым от времени оператором, вероятность появления результата измерения не изменяется во времени в процессе эволюции системы. Таким образом, ожидаемое значение энергии также не зависит от времени. Локальное сохранение энергии в квантовой теории поля обеспечивается квантовой теоремой Нётер для оператора тензора энергии-импульса. Из-за отсутствия (универсального) оператора времени в квантовой теории соотношения неопределенностей для времени и энергии не являются фундаментальными в отличие от принципа неопределенности положения-импульса и просто выполняются в конкретных случаях (см. Принцип неопределенности ). Энергия в каждый фиксированный момент в принципе может быть точно измерена без какого-либо компромисса в точности, обусловленного соотношением неопределенности времени и энергии. Таким образом, сохранение энергии во времени - это хорошо определенная концепция даже в квантовой механике.