Номер 2, страница 13 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 1. Внутренняя энергия. Параграф 2. Внутренняя энергия. Темы докладов - номер 2, страница 13.

Условие.

2. Закон сохранения энергии. Границы применимости.

Решение.

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии — это фундаментальный закон природы, утверждающий, что полная энергия изолированной физической системы сохраняется с течением времени. Энергия не может быть создана или уничтожена, она может только переходить из одной формы в другую или передаваться от одной части системы к другой.

Изолированная система — это система, которая не обменивается ни веществом, ни энергией с окружающей средой.

В различных разделах физики этот закон имеет свои формулировки:

• В классической механике закон сохранения энергии часто применяется для механической энергии. Если в системе действуют только консервативные силы (например, сила тяжести, сила упругоosti), то полная механическая энергия системы, являющаяся суммой кинетической ($E_к$) и потенциальной ($E_п$) энергий, остается постоянной:

  $E_{мех} = E_к + E_п = \frac{1}{2}mv^2 + E_п = \text{const}$

  Если в системе присутствуют неконсервативные силы (например, сила трения), то механическая энергия не сохраняется, переходя в другие формы, например, в тепловую.

• В термодинамике закон сохранения энергии является первым началом термодинамики. Он гласит, что изменение внутренней энергии системы ($\Delta U$) равно разности между количеством теплоты ($\text{Q}$), сообщенной системе, и работой ($\text{A}$), совершенной системой над внешними телами:

  $\Delta U = Q - A$

  Для изолированной системы, где $Q=0$ и $A=0$, внутренняя энергия сохраняется: $\Delta U = 0$.

• В теории относительности Альберт Эйнштейн установил эквивалентность массы и энергии, выраженную знаменитой формулой:

  $E = mc^2$

  Это означает, что масса является одной из форм энергии. Таким образом, закон сохранения энергии объединяется с законом сохранения массы в единый закон сохранения массы-энергии. В ядерных реакциях уменьшение массы системы приводит к выделению огромного количества энергии.

С точки зрения теоретической физики, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть инвариантности (неизменности) законов физики относительно сдвига во времени.

Ответ: Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия изолированной системы постоянна. Энергия не возникает из ниоткуда и не исчезает, а лишь преобразуется из одной формы в другую (например, из механической в тепловую) или перераспределяется между частями системы.

Границы применимости

Закон сохранения энергии считается универсальным и одним из самых фундаментальных в физике. На сегодняшний день не существует ни одного экспериментально подтвержденного случая его нарушения. Однако его применение и интерпретация имеют свои особенности в разных областях.

• Практическое ограничение: Главная сложность в применении закона на практике — создание или выделение идеально изолированной системы. В реальном мире всегда есть диссипативные процессы (трение, сопротивление воздуха, тепловое излучение), из-за которых энергия "утекает" из рассматриваемой системы в окружающую среду. В таких случаях закон сохранения энергии выполняется, только если включить в систему и саму окружающую среду. Так, закон сохранения механической энергии не выполняется при наличии трения, но закон сохранения полной энергии (с учетом выделившейся теплоты) остается в силе.

• Квантовая механика: В квантовом мире соотношение неопределенностей Гейзенберга для энергии и времени ($\Delta E \cdot \Delta t \ge \hbar/2$) допускает кратковременные флуктуации энергии. Могут рождаться и исчезать так называемые виртуальные частицы, которые "занимают" энергию на очень короткое время. Это не считается нарушением закона, так как в среднем за любой измеримый промежуток времени энергия строго сохраняется.

• Общая теория относительности и космология: Это область, где применимость закона в его простой форме становится нетривиальной. В расширяющейся Вселенной полная энергия не обязана сохраняться. Это связано с тем, что однородность времени, из которой следует закон сохранения энергии (по теореме Нётер), нарушается, так как сама метрика пространства-времени изменяется со временем. Например, фотоны при расширении Вселенной теряют энергию (космологическое красное смещение), и эта энергия не передается какому-либо другому объекту. Вопрос о сохранении полной энергии Вселенной (с учетом энергии гравитационного поля и темной энергии) является сложным и до сих пор обсуждается в теоретической физике.

Ответ: Закон сохранения энергии является универсальным и фундаментальным, и его нарушения не наблюдались. Границы его применимости скорее касаются правильного определения системы и учета всех форм энергии. В классической механике нужно учитывать переход механической энергии в тепловую. В квантовой механике закон выполняется в среднем, допуская кратковременные флуктуации. Наиболее серьезные вопросы к применимости закона возникают в космологии в контексте расширяющейся Вселенной, где из-за неоднородности времени понятие сохранения полной энергии становится неоднозначным.