19.Закон збереження енергії в термодинаміці

У термодинаміці закон збереження енергії встановлює співвідношення між внутрішньою енергієютіла,кількістю теплоти, переданою тілу і виконаноюроботою.

Термодинаміка вивчає здебільшого нерухомі тіла, кінетична і потенціальна енергія яких залишається незмінною. Однак, ці тіла можуть виконувати роботу над іншими тілами, якщо, наприклад, змінювати їхню температуру. Отже, оскільки нагріте тіло може виконувати роботу, воно має певну енергію. Ця енергія отримала назву внутрішньої енергії. З точки зору фізики мікросвіту - фізики атомів і молекул, внутрішня енергія тіла є сумою кінетичних і потенціальних енергії частинок, з яких це тіло складається. Однак, з огляду на велику кількість та малі розміри частинок і загалом невідомі закони їхньої взаємодії, внутрішню енергію тіла визначити важко, виходячи з його будови. Проте очевидно, що вона залежить від температури тіла.

Визначальним моментом для встановлення закону збереження енергії стало встановлення еквівалентності між теплом, кількісною характеристикою якого єкількість теплоти, і механічною роботою. Якщо тілу надати певну кількість теплотиQ, то частина її піде на виконання механічної роботи A, а частина на збільшення внутрішньої енергії тіла:

,Ця формула складає основу першого закону термодинаміки.

19. Закон збереження імпульсу - один із фундаментальних законівфізики, який стверджує, що у замкненій системі сумарнийімпульсусіхтілзберігається. Він звучить так:У замкненій системі, геометрична сума тіл залишається сталою при будь-яких взаємодіях тіл цієї системи між собою.

Якщо на систему тіл зовнішні сили не діють або вони врівноважені, то така система називається замкненою, для неї виконується закон збереження імпульсу: повний імпульс замкненої системи тіл залишається незмінним за будь-яких взаємодій тіл цієї системи між собою:Закон збереження імпульсу є наслідком однорідності простору.

Для любой замкнутой системы, то есть, системы, не испытывающей сумарный импульс системы, сохраняется, остаётся постоянным во времени.

20. Відкриття закону збереження енергії вплинуло не тільки на розвиток фізичних наук, а й на філософію XIX століття. З ім'ямРоберта Майерапов'язане виникнення так званого природно-наукового енергетізма - світогляду, що зводить все існуюче і відбувається до енергії, її руху і взаємоперетворення. Зокрема, матерія і дух у цьому поданні є формами прояву енергії. Головним представником цього напряму енергетізма є німецький хімікВільгельм Оствальд, вищим імперативом філософії якого стало гасло "Не витрачав даремно ніяку енергію, використовуй 20.Перетворення Лоренца це лінійні перетворення координат, що залишають незмінним просторово-часовий інтервал. Перетворення Лоренца зв’язують координати подій в різнихінерціальних системах відлікута мають фундаментальне значення вфізиці. Інваріантність фізичної теорії відносно перетворень Лоренца, абозагальна коваріантність, є необхідною умовою достовірності цієї теорії.

Властивості перетворень Лоренца

З формул перетворень легко побачити, що при граничному переході c→∞ до класичної механікиабо — що те ж саме — при швидкостях значно менших швидкості світла формули перетворення Лоренца переходять вперетворення Галілеязапринципом відповідності.

При V > c координати x, t стають уявними, що означає той факт, що рух зі швидкістю, більшою за швидкість світла в вакуумі, неможливий. Неможливо навіть використовувати систему відліку, яка б рухалась зі швидкістю світла, бо тоді знаменники у формулах дорівнювали би нулю.

На відміну від перетворень Галілея перетворення Лоренца некомутативні: результат двох послідовних перетворень Лоренца залежить від їх порядку. Математично це можна побачити з формального тлумачення перетворень Лоренца як обертань чотиривимірної системи координат, де, як відомо, результат двох обертань навколо різних осей залежить від порядку їх виконання. Виключенням з цього правила є лише перетворення з паралельними векторамишвидкостейV₁||V₂, які еквівалентні поворотам системи координат відносно однієї осі.

Теорія відносності є однією з провідних теорій нашого часу. Вона має

великий вплив на розвиток наукової думки, робить величезний внесок у

пізнання законів природи. Теорія відносності є основою не лише сучасної

фізики, але й науки в цілому.

Наукова творчість А. Ейнштейна є великим внеском у розвиток філософської

думки ХХ століття. Це пояснюється тим, що спеціальна та загальна теорія

відносності відіграють значну роль у формуванні наукової картини світу,

перебудові стилю наукового мислення, розробці нової дослідницької

програми та нових еталонів наукового пізнання. А. Ейнштейн глибоко

розмірковує над фундаментальними філософськими проблемами науки, що

виходять за межі фізики та набувають загальнофілософського сенсу. Теорія

відносності по-новому поставила й вирішила цілу низку проблем

просторово-часової структури світу, що мають важливе світоглядне

значення. Крім того, у її розвитку знайшли нові вирішення такі

теоретико-пізнавальні питання, як співвідношення емпіричного й

теоретичного, спостережуваного та неспостережуваного, тому теорія

відносності з моменту свого виникнення знаходиться в центрі уваги

філософії.

А. Ейнштейн створює теорію відносності завдяки узагальненню ідей фізики,

математики, філософії. На його світогляд вплинули мислителі античності,

засновники класичної механіки, електродинаміки. Істотний внесок у

розвиток цієї теорії роблять учені А. Лоренц й А. Пуанкаре.

Звернімося до філософських підвалин теорії відносності. До них можна

віднести такі епістемологічні, методологічні імперативи: принцип

спостережуваності, принцип простоти, принцип відповідності, принцип

симетрії та ін. Сюди ж входить принцип наперед установленої гармонії –

віра дослідника в раціональну природу реальності, що є реалізацією

найпростіших математично мислимих елементів.

21. Механическая работа — это физическая величина, являющаясяскалярнойколичественной мерой действиясилыили сил на тело или систему, зависящая от численной величины, направления силы (сил) и от перемещения точки (точек) тела или системы^[1]. Робота та енергія

Робота — це зміна стану тіла в результаті дії на нього іншого тіла.Робота залежить від значення витраченої сили. Значення роботи залежить також від відстані: чим більша відстань, тим більший показник роботи.Щоб виконати роботу, необхідно мати енергію.Здатність тіла виконувати роботу називається енергією.

Щоб забити цвях, ми піднімаємо молоток, виконуючи при цьому певну роботу. Молоток запасає механічну енергію наших м’язів, яку витрачає, падаючи на цвях, щоб забити його і виконати роботу. Чим більшу механічну енергію має тіло, тим більшу роботу воно може виконати.

Механічну енергію, яку має тіло, підняте над поверхнею землі, називають потенціальною (від латинського «potential» — можливість). Потенціальну енергію мають усі тіла, підняті над поверхнею землі. І чим вище над поверхнею землі перебуває тіло, тим більше значення має його потенціальна енергія.

Будь-яке тіло в навколишньому світі наділене механічною енергією. Людина використовує її для виконання роботи. Наприклад, енергія вітру та течії річок здавна використовувалась у побуті людей. Щоб отримати із зерна борошно, будували вітряні та водяні млини. У таких млинах енергія вітру або води рухала жорна, тобто спрямовувалася на виконання роботи з перемелювання зерна.

Життя на нашій планеті існує завдяки надходженню сонячної енергії. Вона нагріває поверхню Землі, впливає на зміну погоди, необхідна для існування всіх живих істот. Люди навчилися використовувати цей вид енергії, сконструювавши «сонячні батареї». Їх використовують на космічних кораблях, у кишенькових калькуляторах. Один із видів енергії людина використовує відтоді, як навчилася добувати й підтримувати вогонь. Це теплова енергія. Спалюючи деревину або вугілля, люди отримували тепло для обігрівання житла, приготування їжі. У двигунах внутрішнього згоряння теплова енергія змушує деталі рухатись, і машина виконує роботу з переміщення.

Сучасний світ важко уявити без електричної енергії. Її отримують на електростанціях, використовуючи різні машини. Гідроелектростанції споруджають на річках. Електрична енергія також використовується для виконання роботи. Наприклад, робота міксера, пральної машини, телевізора можлива тільки з використанням електричної енергії.

Із середини ХХ ст. людина почала широко використовувати ще один вид енергії — атомну. Цей вид енергії отримують у результаті розщеплення найменших частинок речовини — атомів.

Як пов'язані між собою робота та енергія

У перекладі з грецької мови слово «енергія» означає «дія», «діяльність». Як зазначалося у § 5, енергія - це здатність будь-якого тіла виконувати роботу. Так, вода річок, падаючи з висоти під дією сили тяжіння, обертає турбіни гідроелектростанцій; повітряні маси, рухаючись, обертають лопаті вітряка. Отже, у наведених прикладах енергію води та повітря людина використовує з користю для себе. Спалюючи пальне у двигунах, отримують енергію для роботи машин і механізмів. Але ще до цього часу не вдалося приборкати потужну енергію штормів, буревіїв, смерчів.

Найбільшим джерелом енергії для живих істот нашої планети є Сонце. Його промені доносять частину енергії до Землі, зігрівають її поверхню, забезпечують перебіг такого важливого явища, як фотосинтез. Унаслідок фотосинтезу сонячна енергія не зникає, а перетворюється на хімічну. Завдяки живленню цю енергію отримують тварини та людина. А коли людина рухається чи переміщує вантажі, хімічна енергія перетворюється на механічну, а також теплову.

Як бачимо, є різні види енергії й один вид енергії здатний перетворюватися на інший. На думку вчених, такі потужні джерела енергії, як нафта, газ, кам'яне вугілля, утворилися з відмерлих решток тваринних і рослинних організмів, що густо населяли Землю в давні часи. Тож без перебільшення можна твердити, що їхня енергія, як і енергія, що надходить до організмів людини і тварин під час живлення, спочатку була сонячною енергією.

Енергію має й електричний струм. Завдяки їй працюють побутові прилади, електричні двигуни трамваїв, тролейбусів, електровозів.

Як ви вважаєте, чи має енергію стиснена пружина, піднятий камінець, натягнута тятива лука? Так, адже всі перелічені тіла здатні виконати роботу. Приведена в дію стиснута пружина дитячого іграшкового пістолета рухає кульку; камінець, падаючи з висоти, робить у ґрунті заглибину; натягнута тятива лука штовхає стрілу.

Отже, завдяки енергії та її перетворенню виконується робота.

22.Причини невідповідності механіки Ньютона. Класична механіка дає точні результати для систем, які ми зустрічаємо в повсякденні. Але вони стають некоректними для систем, швидкість яких наближається до швидкості світла, де вона замінюєтьсярелятивістською механікою, або для дуже малих систем, де діють закониквантової механіки. Для систем, які поєднують обидві ці властивості, замість класичної механіки застосовуєтьсярелятивістська квантова теорія поля. Для систем з дуже великою кількістю складових, або ступенів свободи, класична механіка також може бути адекватною, натомість використовуються методистатистичної механіки

Класична механіка є широко вживаною, тому що вона, по-перше, набагато простіша та легша в застосуванні, ніж перелічені вище теорії, та, по-друге, має великі можливості для апроксимаціїі застосування для дуже широкого класу фізичних об'єктів, починаючи зі звичних, таких якдзиґаабом'яч, до великих астрономічних об'єктів (планети,галактики) та зовсім мікроскопічних (органічнімолекули).

Хоча класична механікає загалом сумісною з іншими «класичними» теоріями, такими яккласична електродинамікататермодинаміка, все ж існують деякі невідповідності між цими теоріями, які були знайдені наприкінці 19 століття. Вони можуть бути вирішені методами сучаснішої фізики. Зокрема, рівняння класичної електродинаміки неінваріантні відносноперетворень Галілея.Швидкість світлавходить у них якконстанта, що означає, що класична електродинаміка і класична механіка могли б бути сумісними тільки в одній вибранійсистемі відліку, пов'язнаній зефіром. Однак, експериментальна перевірка не виявила існування ефіру, що призвело до створенняспеціальної теорії відносності, в рамках якої рівняння механіки були модифіковані. Принципи класичної механіки також несумісні з деякими твердженнями класичноїтермодинаміки, що призводить допарадоксу Гіббса, згідно з яким неможливо точно встановитиентропію, та доультрафіолетової катастрофи, в якійабсолютно чорне тілоповинновипромінюватинескінченну кількістьенергії. Для подолання цих несумісностей була створенаквантова механіка.

Спеціальна теорія відносності (СТВ) — фізична теорія, опублікована Альбертом Ейнштейном1905 року. Вона фактично замінює класичну механікуНьютона, яка на той час була несумісною зрівняннями Максвеллаз теоріїелектромагнетизму. Спеціальна теорія відносності не поширює дію своїх принципів на гравітаційні сили, тому в 1916 році Ейнштейн опублікував нову — загальну теорію відносності, яка пояснювала природу гравітації. Принцип відносності був вперше сформульованийГалілеєм. Відкидаючи застарілу концепцію рухуАристотеля, він стверджував, щорух, принаймні рівномірний та прямолінійний, відбувається «відносно чогось», і немає ніякої абсолютноїсистеми відліку, відносно якої можна було б відштовхуватись в проведенні фізичних вимірювань.Галілейсформулював певний набір перетворень, які дозволяли переходити між системами відліку, та отримали назвуперетворень Галілея. Галілей також сформулював п'ять законів руху.

Після Галілея був Ньютон, який зменшив цей перелік дотрьох законів. Все це добре працювало для матеріальних тіл, але залишалась проблема —світло. Ньютон вірив, що світло є «корпускулярним», тобто складається з частинок, але пізніше фізики зрозуміли, що адекватнішим поясненням природи світла є модель поперечниххвиль. Аналогічно тому, як механічні хвилі розповсюджуються в певному середовищі, так і хвилі світла повинні були мати його для свого розповсюдження. Це гіпотетичне середовище отримало назву «світлового ефіру». Але воно повинно було б мати дещо незвичні властивості, зокрема бути надзвичайно жорстким, для того щоби забезпечити світлові таку велику швидкість, і в той же самий час бути майже невагомим та непомітним, адже інакше Земля повинна була б при русі відчувати його протидію. Ідея ефіру була в якомусь розумінні відродженням ідеї абсолютної системи відліку — стаціонарної відносно ефіру.

На початку 19 століття, світло, електрикутамагнетизмстали розуміти як різні аспекти електромагнитного ефірного поля.Рівняння Максвелладоводили, що рух заряджених об'єктів продукує електромагнітне випромінювання, швидкість розповсюдження якого завжди є швидкістю світла. Ці рівняння базувалися на ідеї існування ефіру, в якому швидкість розповсюдження такого випромінювання не змінюється зі зміною швидкості джерела. Зрозуміло, що фізики намагались виміряти швидкість Землі відносно ефіру. Найвідоміша з таких спроб —експеримент Майкельсона-Морлі. Результати цих експериментів зійшлись в одному: швидкість світла не змінюється зі зміною швидкості спостерігача, тобто має бути інваріантною для всіх спостерігачів.

Ще до появи СТВ, Хендрік Лоренцта інші вже помітили, що проявиелектромагнітного поляможуть бути різними в залежності від стану спостерігача. Наприклад, один може не спостерігатимагнітного поляв тому ж місці де інший, який рухається відносно першого, може.

У кінцевому підсумку, коли Лоренц запропонував свої правила перетворень, як альтернативу Галілеєвим, завданням Ейнштейна було вивести їх з фундаментальніших закономірностей без урахування існування ефіру. Ейнштейну хотілось знати, що є інваріантним відносно кожного спостерігача. В спеціальній теорії відносності формули перетворень Лоренца виводяться просто з основ геометріїтатеореми Піфагора. Оригінальна теорія була опублікована в праці «До електродинаміки тіл, що рухаються» (1905). Термін «відносність» був запропонованийМаксом Планкомдля визначення процесів зміни фізичних законів для спостерігачів, які рухаються один відносно одного.

СТВ зосереджується на дослідженні поведінки об'єктів та спостерігачів (інерціальних систем відліку), які зостаються в спокої або рухаються з постійною швидкістю. В цьому випадку говорять, що спостерігач перебуває в інерційній системі відліку. Зміни геометричних розмірів та швидкості плину часу в системах різних спостерігачів можуть бути порівняні за допомогою перетворень Лоренца.

Розповсюджена помилка полягає в тому, що СТВ не може передбачити поведінку тіл, які рухаються з прискоренням(тобто для неінерціальних систем відліку). Але це не зовсім так. СТВ може передбачувати поведінку таких об'єктів за умов нульового або постійногогравітаційного поля, а також у системах відліку, які обертаються. В загальному ж випадку повинна застосовуватисьзагальна теорія відносності.

Постулати спеціальної теорії відносності

1. Перший постулат (принцип відносності)

Всяка фізична теорія має бути незмінною математично для будь-якого інерціального спостерігачаЖодна з властивостей Всесвітуне може змінитись, якщоспостерігачзмінить стан руху. Закони фізики залишаються однаковими для усіх інерціальних систем відліку.

2. Другий постулат (інваріантність швидкості світла)

Швидкість світлаувакууміє однаковою для всіх інерціальних спостерігачів в усіх напрямах і не залежить від швидкості джерела випромінювання. Разом з першим постулатом, цей другий постулат еквівалентний тому твердженню, що світло не потребує жодного середовища (такого як ефір) для розповсюдження.

Постулаты Эйнштейна

В своей работе Эйнштейн без единого нового эксперимента, проанализировав и обобщив уже известные опытные факты, впервые изложил идеи теории относительности, которые коренным образом изменили привычные представления о свойствах пространства и времени.

Теория относительности Эйнштейна состоит из двух частей: частной и общей теории относительности. В 1905 г. Эйнштейн опубликовал основные идеи частной или специальной теории относительности, в которой рассматриваются свойства пространства и времени, справедливые при условиях, когда можно пренебречь тяготением тел, т.е. считать их гравитационные поля 'пренебрежимо малыми. Теория относительности, в которой рассматриваются свойства пространства и времени в сильных гравитационных полях, называется общей теорией относительности. Принципы общей теории относительности были изложены Эйнштейном на 10 лет позже, чем частной, в 1915 г.

В основу специальной теории относительности Эйнштейна легли два постулата, т.е. утверждения, которые принимаются за истинные в рамках данной научной теории без доказательств (в математике такие утверждения называются аксиомами).

1   постулат Эйнштейна или принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению ко всем инерциальным системам отсчета. Все физические, химические, биологические явления протекают во всех инерциальных системах отсчета одинаково.

2  постулат или принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме постоянна и одинакова по отношении» к любым инерциальным системам отсчета. Она не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости его приемника. Ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Более того, пи одна частица вещества, т.е. частица с массой покоя, отличной от нуля, не может достичь скорости света в вакууме, с такой скоростью могут двигаться лишь полевые частицы, т.е. частицы с массой покоя, равной нулю.

23. Причинність у класичній фізиці.

Одним із основних принципів, на яких будується фізичнатеорія, єпринцип причинності — специфічне формулювання причинності для фізики, що вимагає від теорії недопущення впливу однієї подіїна іншу, якщо вони розділеніпростороподібнимпросторово-часовим інтервалом.Іншим фізичним принципом, який забезпечує причинність єпринцип близькодії, який вимагає існування посередника для передачі взаємодії від одногофізичного тіладо іншого.Не всі фізичні теорії задовольняють названим принципам. Наприклад, класична механікапобудована надалекодії. Тому класична механіка поступиласятеорії відносності, яка формуює закони руху тіл згідно з принципом близькодії.

Найбільш ясна і точне формулювання сутності класичного детермінізму належить П. Лапласа, внаслідок чого такий детермінізм часто називають також лапласовского детермінізму. Детальну формулювання цього детермінізму, дану самим Лапласом, ми приводили в гл. 2, коли перераховували характерні особливості механіцизму. Дійсно, лапласівський детермінізм грунтується на уявленні, згідно з яким весь оточуючий нас світ - це величезна механічна система, початковий стан якої є точно заданим і в якій не робиться ніякого розходження між рухами "найбільших тіл Всесвіту і найлегших атомів". Зрозуміло, Лаплас віддавав собі звіт в тому, що така ситуація в реальному світі неможлива і тому вона являє собою ідеалізацію, але в той же час не можна не визнати, що в її основі лежить саме механістичний погляд на світ, згідно з яким Всесвіт уподібнюється гігантському механізму, всі майбутні стани якого строго детерміновані або зумовлені його початковим станом. Головний недолік лапласовского, як і будь-якого іншого механістичного детермінізму, полягає насамперед у тому, що він представляє світ, Всесвіт як систему, повністю детерміновану винятково законами механіки. У такому світі не було б нічого невизначеного й випадкового. У зв'язку з цим сама випадковість по суті виключається із природи і суспільства. Починаючи з Демокріта і особливо англійського філософа Томаса Гоббса (1588-1679), випадкове колишні матеріалісти визначали як "необхідну причину, чого не можна розгледіти". Отже, детермінізм історично виступає в двох формах: • лапласовского, або механістичного, детермінізму, в основі якого лежать універсальні закони класичної фізики; • імовірнісного детермінізму, що спирається на статистичні закони. Тому навряд чи доцільно називати такий детермінізм індетермінізму. Коли порівнюють ці форми вираження регулярностей в світі, то зазвичай звертають увагу на ступінь достовірності їх пророкувань. Строго детерміністські закони дають точні передбачення в тих областях, де можна абстрагуватися від складного характеру взаємодії між тілами, відволікатися від випадковостей і тим самим значно спрощувати дійсність. Однак таке спрощення і схематизація можливі лише при вивченні найпростіших форм руху. Коли ж переходять до дослідження складних систем, що складаються з великої кількості елементів, індивідуальне поводження яких важко піддається опису, тоді звертаються до статистичним законам, що спирається на імовірнісні передбачення. Таким чином, у сучасній концепції детермінізму органічно поєднуються необхідність і випадковість. Тож світ і події в ньому не виявляються ні фаталістично зумовленими, ні чисто випадковими, нічим не обумовленими. Класичний детермінізм лапласовского типу надмірно підкреслював роль необхідності за рахунок заперечення випадковості в природі й тому давав перекручене уявлення про картину світу. На противагу цьому деякі вчені, помилково витлумачуючи принцип невизначеності у квантовій механіці, проголосили панування випадковості, заперечуючи яку-небудь роль необхідності. Визнання самостійності статистичних, або імовірнісних, законів, що відображають існування випадкових подій у світі, доповнює колишню картину строго детерміністськими світу. У результаті цього в новій картині світу необхідність і випадковість виступають як взаємозалежні і доповнюють один одного його аспекти. Дуже часто детермінізм ототожнюють з причинністю, але такий погляд не можна вважати правильним хоча б тому, що причинність виступає як одна з форм прояву детермінізму. Дійсно, коли говорять про причину і наслідок, то вказують на зв'язок двох явищ або процесів у часі, ізолюючи їх від інших явищ, вириваючи їх з загального взаємозв'язку і взаємозумовленості всіх явищ. Те явище, яке викликає або породжує інше явище, називають причиною, а друге явище, що являє собою результат дії причини, - наслідком. Такі інтуїтивні по характері визначення виникли з безпосередньої практичної діяльності людини по перетворенню речей і підкреслюють саме причинно-наслідковий характер його діяльності. У сучасному науковому пізнанні переважає тенденція до визначення причинної залежності за допомогою законів, які на відміну від інших законів називають каузальних, або причинними законами. З моєї точки зору, - писав Р. Карнап, - було б більше плідним замінити всю дискусію про значення поняття причинності дослідженням різних типів законів, які зустрічаються в науці. Звідси стає зрозумілим, що причинність виступає в якості однієї з форм вираження детермінізму у світі, який з філософської точки зору можна визначити як вчення про загальну закономірного зв'язку явищ і процесів в об'єктивному світі.