§ 52. Фундаментальний характер законів збереження в природі

Ви дізнаєтесь

Що означає знаменита формула: Е₀ = mс²

Пригадайте

Що таке маса та енергія
Які закони збереження ви вивчали на уроках фізики

Закон збереження маси й енергії. Тривалий час маса й енергія розглядались як окремі, не пов’язані між собою величини. Обидві вони підкоряються законам збереження, але нарізно: є закон збереження маси й окремо — закон збереження енергії.

Закон збереження і перетворення енергії був відкритий у 1840 р. Робертом Майером на основі медико-біологічних досліджень. Він довів це за допомогою ряду експериментів.

Енергія замкненої системи ніколи не зникає й не створюється з нічого. За всіх явищ усередині системи вона лише перетворюється з одного виду в інший або передається від одного тіла до іншого, не змінюючись кількісно.

Закон збереження маси, який свідчить, що сума мас усіх речовин, які вступають у хімічну реакцію, чисельно дорівнює масі речовин, які є продуктами реакції, встановили та експериментально довели незалежно один від одного Михайло Ломоносов та Антуан Лавуазье. Такий висновок на той час не був просто очевидним. Річ у тім, що досліди, які проводилися ще до Ломоносова, ґрунтувалися на спалюванні речовин. Нагрівання ртуті на повітрі давало червону окалину, і її маса була більшою, ніж маса металу, що вступає в реакцію. Із золою, що з’являється після згорання деревини, результат був протилежний, маса продукту завжди виявлялася меншою, ніж маса речовини до здійснення реакції. Заслуга вчених полягала в тому, що вони зуміли проаналізувати наявні умови, висунути гіпотезу, експериментально її перевірити й переконатися, що закон збереження маси виконується із замкненою системою (мал. 244). Після успішно проведеної реакції горіння вага посудини залишалася незмінною. І тільки коли посудину розбивали і всередину спрямовувалося повітря, спостерігалася зміна маси посудини.

Мал. 244. Дослід з перевірки закону збереження маси

Закон збереження маси став першим внеском у пізнанні більш глобальної природної закономірності. Подальші дослідження в цьому напрямі дозволили виявити, що в замкнених системах відбувається не тільки збереження мас. Енергія ізольованої системи теж є величиною постійною. Будь-який процес, що відбувається в ізольованій системі, не виробляє й не знищує ані масу, ані енергію.

Існування двох законів збереження було незаперечним аж до 1905 р. Річ у тім, що Ейнштейн своєю теорією відносності показав, що класична фізика, яка добре описує фізичні процеси, що відбуваються в повсякденному житті людини, не в змозі пояснити в цілому всі процеси, що відбуваються і в мікро-, і в макро-, і в мегасвітах. Класична механіка Ньютона і класична електродинаміка Максвела не застосовні до процесів, що відбуваються в мікросвіті (для пояснення ядерних реакцій, взаємодії елементарних частинок тощо) і для тіл, швидкість руху яких наближається до швидкості світла.

Основним теоретичним і практичним наслідком теорії відносності Ейнштейна стало нове розуміння маси та енергії фізичних тіл і їхніх систем.

У класичній механіці дослідження матерії ґрунтується на тому, що матерія поділяється на два види — речовину та поле. Основною характеристикою речовини є маса, а поля — енергія. Відповідно, існують закон збереження маси та закон збереження енергії. Альберт Ейнштейн довів, що тіло масою m, що перебуває у спокої, має енергію, яка дорівнює добутку маси на квадрат швидкості світла:

Е₀ = mс².

Так виглядає ейнштейнівське співвідношення між енергією спокою та масою тіла, найзнаменитіша формула у світі.

Ця формула розкриває можливість взаємних перетворень енергії та маси. Прикладом є ядерні реакції. Наприклад, ядро гелію складається з двох протонів і двох нейтронів (мається на увазі найпоширеніший ізотоп гелій-4). Маса цього ядра становить 4,0038 в атомних одиницях маси (1 а.о.м. — ¹/₁₂частина маси атома вуглецю-12, або 1,66 • 10^-24 г). У тих самих одиницях маса вільного протона становить 1,00807, а маса вільного нейтрона — 1,00888. Сумарна маса двох вільних протонів і двох вільних нейтронів — 4,0339 а.о.м. Звідси видно, що маса ядра гелію менша суми мас чотирьох нуклонів на величину 0,0301 а.о.м., яку називають дефектом маси Δm. Із цих цифр видно, що дефект маси становить трохи менше одного відсотка вихідної маси нуклонів. Але енергетичний еквівалент цієї величини, що дорівнює ΔΕ = Δmc², величезний, — це може легко уявити собі кожен, хто хоч раз бачив кінокадри вибуху водневої бомби.

Можна сказати більше — саме завдяки дефекту мас світить Сонце, що забезпечує життя на Землі, та інші зірки. Таке просте явище як горіння також ґрунтується на законі збереження маси й енергії.

Але і це ще не все. Життя на Землі немислиме без перетворення маси в енергію. Цей процес відбувається в клітинах організмів. При диханні в організм надходить кисень повітря, який використовується для безперервного окиснення органічних речовин (вуглецю в його з’єднаннях). У результаті цього «внутрішнього горіння» виділяється енергія. Усі теплокровні тварини виробляють собі тепло в такого роду хімічних реакціях і черпають з них енергію для повсякденної активності.

Не тільки фізика й хімія, а й безліч інших наук активно використовують взаємозв’язок між масою та енергією. Біологія, географія, астрономія знаходять застосування закону збереження маси й енергії. Навіть філософія під впливом цього закону сформувала сучасне уявлення людини про буття. Можна стверджувати, що й цивілізація не досягла б таких висот у своєму розвитку, якби не існувало універсального закону збереження маси й енергії.

Закони збереження у фізиці. Які ще закони збереження ми вивчали? Це закон збереження імпульсу, закон збереження механічної енергії, закон збереження електричного заряду. Цей перелік не є повним. Ті, хто вивчатиме фізику в старших класах, ознайомляться ще із законами збереження моменту імпульсу та іншими законами збереження, які описують взаємодію елементарних частинок.

Закон збереження механічної енергії виконується тільки в тому разі, якщо в ізольованій системі відсутні сили тертя й опору. Наприклад, при вільному падінні тіла потенціальна енергія буде перетворюватись у кінетичну, але загальне значення повної механічної енергії залишиться незмінним. Якщо ж під час руху на тіло будуть діяти сили тертя або опору середовища, то вони зменшать його механічну енергію. При цьому деяка її частина перетвориться в тепло, однак таке явище виходить за рамки механіки. Але закон збереження енергії в цьому разі діятиме за умови врахування не тільки механічних, а й теплових процесів.

У термодинаміці закон збереження енергії встановлює співвідношення між внутрішньою енергією тіла, кількістю теплоти, переданою тілу, і виконаною роботою. Якщо тілу надати певну кількість теплоти, то одна її частина піде на виконання механічної роботи, а інша частина — на збільшення внутрішньої енергії тіла.

Загальний, універсальний характер законів збереження, що не вимагає аналізу деталей того чи іншого явища, зумовлює простоту цих законів і достовірність результатів, що одержані на їх основі. Підкреслимо, що деталі того чи іншого явища, особливості механізму взаємодії, часто нам не відомі або відомі наближено, їхній облік нерідко є досить складним. Досліджуючи те чи інше явище, фізик перш за все аналізує його на рівні законів збереження й лише після цього за необхідності починає вивчати деталі. Багато явищ досліджені в даний час лише на рівні законів збереження.

Підбиваємо підсумки

• Обмеженість застосування окремих законів фізики наштовхує на думку про існування ще більш загальних законів. Такими законами є закони збереження.

• Закони збереження у фізиці — це група законів, які стверджують, що за будь-яких змін у замкненій системі значення певних фізичних величин залишається незмінним.

• Закони збереження — є фундаментальними законами, оскільки вони не залежать від природи й характеру діючих сил.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. За яких умов виконуються закони збереження?
2. Яка роль законів збереження в поясненні фізичних явищ?
3. Назвіть відомі вам закони збереження.

Вчимося розв'язувати задачі

Задача 3. Поясніть, чому уламки, що утворюються в результаті поділу ядра урану, розлітаються у протилежних напрямках. Доведіть, що якщо одним з уламків буде ядро барію, то іншим — ядро криптона.