Открытие закона сохранения и превращения энергии

Открытие закона сохранения и превращения энергии

В.И.Ленин указывал, что развитие познания совершается по спирали. Наступает время, когда наука возвращается к идеям, однажды уже высказанным. Но это возвращение совершается на новом, более высоком уровне, которому предшествовал длительный исторический опыт познания. Ленин указывал, что попытки сохранить господствующие идеи, продолжить движение науки по прямой приводят к окостенению познания, к реакции, к идеализму. Мысли Ленина о развили познания блестяще подтверждаются историей открытия закона сохранения энергии.

Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в XVII в. ф. Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества. Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Ломоносов.

Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными XIX столетия.

Успехи экспериментальной теплофизики, и прежде всего калориметрии, казалось, свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же XIX в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением —трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г.БенжаменТомпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла.

В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой. В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

Опыты по получению теплоты трением повторил Дэви. Он плавил лед трением двух кусков друг о друга. Дэви пришел к выводу, что следует оставить гипотезу о теплороде и рассматривать теплоту как колебательное движение частиц материи. Эта гипотеза была поддержана Юнгом. В 1837 г. немецкий аптекарь (с 1867 г. профессор фармакологии) Фридрих Мор (1806—1879) послал редактору журнала «Annalen der Physik» Поггендорфу статью «О природе теплоты». Тот ее не принял, сославшись на то, что статья не содержит новых экспериментальных исследований.

В ней Мор со всей определенностью указывал, что теплота является формой движения.

Мы видели, как фарадей в споре со сторонниками контактной теории в 1839—1840 гг. утверждал идею превращения сил с сохранением их постоянной количественной величины, фарадей по характеру мышления резко отличался от профессиональных ученых. Поэтому можно с полным основанием утверждать, что идея закона сохранения и превращения энергии вызревала не у специалистов-физиков. И не специалисты сыграли решающую роль в утверждении великого закона. Врач Майер, пивовар Джоуль, врач Гельмгольц — вот те три человека, за которыми история науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения энергии.

Майер. Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания (1840—1841) врач Майер пришел к своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в тропиках. Производя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию». Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т. е. артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме».

Во времена Майера было распространено учение о жизненной силе организма (витализм). Живой организм действует благодаря наличию в нем особой жизненной силы. Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и химических законов и обусловливались таинственной жизненной силой. Майер своим наблюдением показал, что организм управляется естественными физико-химическими законами, и прежде всего законом сохранения и превращения энергии. Вернувшись из путешествия, он тут же написал статью под заглавием «О количественном и качественном определении сил», которую направил 16 июня 1841 г. в журнал «Анналы…» Поггендорфу. Тот не напечатал статью и не вернул ее автору, она пролежала в его письменном столе 36 лет, где и была обнаружена после смерти Поггендорфа.

Поггендорф имел определенные основания отнестись сурово к работе Майера. Великая идея в ней выступает еще в неясной форме, статья содержит туманные и даже ошибочные утверждения. Вместе с тем в ней имеются гениальные высказывания, которые свидетельствуют о ясном понимании Майе-ром величия сделанного им открытия. Она начинается с общего утверждения, что «мы можем вывести все явления из некоторой первичной силы, действующей в направлении уничтожения существующих разностей и объединения всего сущего в однородную массу в одной математической точке». По Майеру, следовательно, все движения и изменения в мире порождаются «разностями», вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожаемы и восстанавливают разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные силы количественно неизменны, подобно веществам, логически обеспечивает нам продолжение существования разностей, а значит, и материального мира».

Эта формулировка, предложенная Майером, легко уязвима для критики. Не определено точно понятие «разность», неясно, что понимается под термином «сила». Это предчувствие закона, а не самый еще закон. Но из дальнейшего изложения понятно, что под силой он понимает причину движения, которое измеряется произведением массы на скорость. Но причины измеряются произведенным действием, следовательно, «это произведение МС точно выражает также самую силу V; мы положим V = МС». Ошибка Майера, пе репутавшего количество движения с «силой», под которой он в дальнейшем понимает «энергию движения», очевидна. Но замечательно, что, рассматривая соударение двух тел равной массы, движущихся навстречу друг другу с равными скоростями, Майер описывает исчезновение механического движения оператором 0 («нуль») и считает, что движение 2АС (A — масса тел, С — скорость) при абсолютно неупругом ударе не исчезло, а превратилось в другую форму, которую он обозначает символом 02АС, а несколько позднее 02МС. Майер считает, что этой формой движения является теплота, и пишет. «Нейтрализованное движение 02МС, поскольку движение не происходит действительно в противоположных направлениях, служит выражением для теплоты.

Движение, теплота, и как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собою явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».

Это вполне определенная и ясная формулировка закона сохранения и превращения силы, т. е. энергии. В первой половине цитаты Майер говорит о конкретном случае применения закона при неупругом ударе («поскольку движения не происходят действительно в противоположных направлениях»), исчезнувшее механическое движение переходит в тепло. То, о чем думали еще Декарт и особенно Ломоносов, высказано теперь Майером со всей категоричностью: «…Образовавшаяся теплота, — пишет он, — пропорциональна исчезнувшему движению». Однако в этой незаконченной работе Майер не дает количественной оценки механического эквивалента теплоты. Такая оценка появилась в следующей работе Майера—«Замечания о силах неживой природы», опубликованной в «Annalen der chemie und Pharmazie» за 1842 г.

Здесь Майер ставит своей задачей уточнить понятие «силы» и найти соотношение между ними. Поскольку, по мнению Майера, силы являются причинами, к ним применимо общефилософское положение: «.

..causa aequat effectum (причина равна действию)». Так как в цепи причин и действий ни один член не может стать нулем, то силы неразрушимы. Вместе с тем различные причины являются проявлением одной и той же сущности. «…Причины,—говорит Майер,—суть (количественно) неразрушимые и (качественно) способные к превращениям объекты». По Май-еру, в природе существуют два вида причин: материальные и силы. «Силы суть следовательно: неразрушимые, способные к превращениям, невесомые объекты».

К таким объектам относится «…пространственная разность весомых объектов», т. е. то, что теперь мы называем потенциальной энергией тяжелого тела в поле тяжести. Майер подчеркивает, что для этой силы, которую он называет силой падения, поднятие не менее необходимо, чем тяжесть тела, и падение тел нельзя приписывать только действию тяжести. Исчезновение силы падения сопровождается появлением живой силы, которую Майер измеряет произведением массы на квадрат скорости.

Закон сохранения живых сил в механике основан, по Майеру, «на общем законе неразрушимости причин».

Однако в «бесконечном числе случаев» сила падения не превращается в движение или поднятие груза, и Майер ставит вопрос: «Какую дальнейшую форму способна принять сила, которую мы познали как силу падения или движения?». Ответ на этот вопрос дает опыт, который показывает, что при трении получается теплота. «…Для исчезающего движения, —говорит Майер,— во многих случаях… не может быть найдено никакого другого действия, кроме тепла, а для возникшего тепла — никакой другой причины, кроме движения…» Майер иллюстрирует эту мысль весьма современным для его эпохи примером локомотива: «Локомотив с его поездом может быть сравнен с перегонным аппаратом: тепло, разведенное под котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колес в качестве тепла».

Народившая ся теплотехника, подсказавшая Карно тему его замечательного сочинения, подсказала и творцам закона сохранения и превращения энергии их великую идею. Образ локомотива, появившийся в первой печатной работе Майера, наглядно подтверждает это.

Далее, Майер ставит вопрос о том, «как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла», т. е. ставит вопрос о термическом эквиваленте работы. И спользуя соотношение между теплоемкостями газов при постоянном давлении и постоянном объеме, он приходит к выводу, «что опусканию единицы веса с высоты около 365 м соответствует нагревание равного веса воды от 0 до 1°». Таким образом, Майер указал совершенно правильный метод определения механического эквивалента теплоты и правильно оценил его порядок (так же как и Карно). История науки отметила эту заслугу Майера, присвоив уравнению ср — сV = R название «уравнение Майера».

Особенно замечательно, что Майер из своего результата сделал совершенно правильный вывод о несовершенстве паровых машин. «Если с этим результатом, — пишет он, — сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то увидим, что лишь очень малая часть разводимого под котлом тепла действительно. превращается в движение или поднятие груза…» И здесь Майер высказывает замечательный прогноз о необходимости искать «более выгодный путь получения движения иным способом, чем посредством использования химической разности между С и 0, а именно — посредством превращения в движение электричества, полученного химическим путем».

Современные электровозы, сменившие локомотивы, подтвердили правоту Майера. Но задача замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и тракторах электромоторами, питающимися удобными и экономичными химическими источниками, остается еще не решенной. Можно, подводя итоги, сказать, что, несмотря на двусмысленность термина «силы», неверную меру живой силы ( вместо ), эта работа Майера по праву считается основополагающей в истории закона сохранения и превращения энергии. Особенно важна идея Майера о качественном превращении сил (энергии) при их количественном сохранении. Майер подробно анализирует всевозможные формы превращения энергии в брошюре «Органическое движение в его связи с обменом вещества», вышедшей в Гейльбронне в 1845 г. Майер сначала думал опубликовать свою статью в тех же «Анналах химии и фармации», в которых была опубликована статья 1842 г., но редактор Либих, сославшись на перегрузку журнала химическими статьями, посоветовал переслать статью в «Анналы» Поггендорфа. Майер, понимая, что Поггендорф поступит с ней так же, как со статьей 1841 г., решил опубликовать статью брошюрой за свой счет.

Таким образом, первая статья Майера не была опубликована вообще, вторая увидела свет в не читаемом физиками химическом журнале, третья — в частной брошюре. Вполне понятно, что открытие Майера не дошло до физиков, и закон сохранения открывали независимо от него и другими путями другие авторы, прежде всего Джоуль и Гельмгольц. Закономерно также, что Майер оказался втянутым в тягостно отразившийся на нем спор о приоритете.

Вернемся к брошюре Майера. Она начинается с указания, что математика получила широкое применение в технике и естествознании, «являясь прочной осью естественнонаучного исследования». Однако в биологии ее влияние незначительно, «между математической физикой и физиологией живо чувствуется пропасть». Задача сочинения Майера—«установить метод, посредством которого оказалось бы возможным сблизить эти обе науки…»

Опять-таки можно поражаться прозорливости Майера и его смелости в выборе цели. Только в наши дни благодаря введению кибернетических методов началось сближение биологии, математики и техники, о котором думал Майер.

Задавшись целью применить идеи механики в физиологии, Майер начинает с выяснения понятия силы. И здесь он вновь повторяет мысль о невозможности возникновения движения из ничего «Ex nihilo nil fit» («из ничего ничего не бывает»), сила—причина движения, а причина движения является неразрушимым объектом. «Количественная неизменность данного есть верховный закон природы, распространяющийся равным образом как на силу, так и на материю», — провозглашает Майер. Эта формулировка поразительно напоминает формулировку «всеобщего закона» Ломоносова, распространяемого им «и на самые правила движения».

Заметим, что выдвижение Ломоносовым и Майером всеобщего закона сохранения в качестве «верховного закона природы» принято современной наукой, которая формулирует многочисленные конкретные законы сохранения в качестве основной опоры научного исследования.

Майер считает закон сохранения вещества прерогативой химии, закон сохранения силы — прерогативой физики. «То, что химия выполняет в отношении вещества, осуществляется физикой в отношении силы», —пишет Майер. Он говорит, что единственная задача физики — изучение силы в ее различных формах, исследование условий ее превращения. Таким образом, если химия, по Майеру, является наукой о превращении вещества, то физика является наукой о превращении силы, т. е. энергии.

В своей брошюре Майер перечисляет различные формы силы. Это, во-первых, «живая сила движения», т. е. кинетическая энергия движущихся масс. На второе место Майер ставит «силу падения», т. е. потенциальную энергию поднятого груза. «Величина силы падения измеряется произведением веса на данную высоту; величина движения — произведением движущейся массы на квадрат его скорости. Обе силы объединены также общим названием: «механический эффект».

Майер упорно опускает коэффициент 1/2 в выражении кинетической энергии, но он правильно объединяет потенциальную и кинетическую энергию как две формы механической энергии (механического эффекта).

Упомянув об исторической задаче человека: использовать для получения движения силы природы, — Майер характеризует современную ему техническую практику следующими словами: «Новому времени выпало на долю к силам старого мира — движущемуся воздуху и падающей воде — присоединить еще одну новую силу. Этой новой силой, на действия которой с удивлением смотрят люди нашего столетия, является тепло». И далее Майер утверждает: «Тепло есть сила: оно может быть превращено в механический эффект». На современном языке это утверждение Майера гласит: тепло есть энергия, оно может совершить механическую работу. Он подсчитывает работу локомотива, тянущего состав, и утверждает: «Действующая в локомотиве сила есть тепло».

Майер подробно подсчитывает механический эквивалент теплоты из разности теплоемкостей газа (этот подсчет нередко воспроизводится в школьных учебниках физики) и находит его, опираясь на измерения Делароша и Берара, а также Дюлонга, определивших отношение теплоемкостей для воздуха равным 367 кгс • м/ккал.()

Майер приводит данные по теплотворной способности углерода и обращает внимание на низкий коэффициент полезного действия тепловых машин, максимальное значение которого в современных ему машинах составляло 5—6%, а в локомотивах не достигало и одного процента.

Затем Майер переходит к электричеству. Он рассматривает электризацию трением, действие электрофора и указывает, что здесь «механический эффект превращается в электричество». Бегло остановившись на магнетизме, он делает вывод: затрата механического эффекта вызывает как электрическое, так и магнетическое напряжение. Здесь в анализе Майера недостает той законченности и ясности, какая обнаруживается у него при анализе взаимоотношения теплоты и механического движения. Электричество и магнетизм еще не были изучены столь подробно, как теплота, электрические измерения носили качественный характер, основные понятия не были четко разработаны. Нужно удивляться гениальной интуиции Майера, понявшего, что эти процессы подчиняются закону сохранения энергии.

В заключение своего анализа Майер останавливается на «химической силе». Интересно, что вопрос о химической энергии у него сочетается с вопросом об энергетике солнечной системы. Он указывает, что поток солнечной энергии (силы), являющийся и на нашу Землю, «есть та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей». Майер набрасывает картину того механизма, который обеспечивает жизнь на Земле, круговорот воды и воздуха под действием солнечных лучей и аккумулирования солнечной энергии для жизненных процессов.

«Природа, — пишет Майер, — поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения».

Так Майер раскрыл космическую роль растений и выдвинул перед наукой проблему фотосинтеза. Недаром строки его книги, посвященные анализу превращений солнечной энергии в живых организмах, вдохновили великого русского ученого К.А.Тимирязева, и он предпослал своей книге «Солнце, жизнь и хлорофилл» эпиграф из этой статьи Майера. Тимирязев подчеркивал в этой книге, что «рассматриваемый с точки зрения Майера процесс усвоения углерода приобретает новый и еще более широкий интерес».

Майер закончил развитие своих идей к 1848 г., когда в брошюре «Динамика неба в популярном изложении» он поставил и сделал попытку решить важнейшую проблему об источнике солнечной энергии. Майер понял, что химическая энергия недостаточна для восполнения огромных расходов энергии Солнца. Но из других источников энергии в его время была известна только механическая энергия. И Майер сделал вывод, что теплота Солнца восполняется бомбардировкой его метеоритами, падающими на него со всех сторон непрерывно из окружающего пространства. В работе 1851 г. «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер излагает сжато и популярно свои идеи о сохранении и превращении силы. Здесь он впервые защищает свой приоритет. Он признает, что открытие сделано им случайно (наблюдение на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылается на свою статью 1842 г., цитирует» ее, приводит значение механического эквивалента теплоты, разъясняет свои взгляды на силу, которую он рассматривает как то, что позднее назвали энергией. Майер указывает далее, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» • закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона». Но Май ер не склонен уступать свое право на приоритет и указывает, что из самих его работ видно, что он не гонится за эффектом. Это, однако, не означает отказа от прав на свою собственность.

Спокойный и достойный тон его заявлений о приоритете маскирует ту глубокую душевную травму, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды», по словам К. А. Тимирязева. Достаточно сказать, что в 1850 г. он пытался покончить жизнь самоубийством, выбросившись из окна, и остался на всю жизнь хромым. Его травили в газетах, обвиняли скромного и честного ученого в мании величия, подвергли принудительному «лечению» в психиатрической больнице. С негодованием писал К.А.Тимирязев о тех, кто преследовал Майера и искалечил его жизнь «за то только, что он был гениальным ученым в среде окружающей его жалкой посредственности».

Майер умер 20 марта 1878 г. Незадолго до смерти, в 1874 г. вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика тепла». В 1876 г. вышли его последние сочинения «О торричеллиевой пустоте» и «Об освобождении сил».

Джоуль. Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу.

Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 г. он опубликовал в «Philosophical Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

Задолго до Джоуля аналогичные исследования были начаты петербургским академиком Э.Х. Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г. под заглавием «О законах выделения тепла гальваническим током». Ленц упоминает о работе Джоуля, публикация которого опередила публикацию Ленца, но считает, что, хотя его результаты в «основном совпадают с результатами Джоуля», они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля.

Ленц тщательно продумал и разработал методику эксперимента, испытал и проверил тангенс-гальванометр, служивший у него измерителем тока, определил применяемую им единицу сопротивления (напомним, что закон Ома к этому времени еще не вошел во всеобщее употребление), а также единицы тока и электродвижущей силы, выразив последнюю через единицы тока и сопротивления.

Ленц тщательно изучил поведение сопротивлений, в частности исследовал вопросе существовании так называемого «переходного сопротивления» при переходе из твердого тела в жидкость. Это понятие вводилось некоторыми физиками в эпоху, когда закон Ома еще не был общепризнанным. Затем он перешел к основному эксперименту, результаты которого сформулировал в следующих двух положениях:

«1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.

2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».

Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля — Ленца.

Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими превращениями в батарее, т. е. стал прозревать энергетический смысл закона. Чтобы выяснить далее вопрос о происхождении «джоулева тепла» (как теперь называется теплота, выделяемая электрическим током), он стал исследовать теплоту, выделяемую индуцированным током. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в августе 1843 г., Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромаь нитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Рис. 41. Схема опыта Джоуля

Вращая электромагнит индукционной машины с помощью падающего груза, Джоуль определил соотношение между работой падающего груза и теплотой, выделяемой в цепи. Он нашел в качестве среднего результата из своих измерений, что «количество тепла, которое в состоянии нагреть один фунт воды на один градус Фаренгейта, может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут». Переводя единицы фунт и фут в килограммы и метры и градус Фаренгейта в градус Цельсия, найдем, что механический эквивалент тепла, вычисленный Джоулем, равен 460 кгс-м/ккал.

Этот вывод приводит Джоуля к другому, более общему выводу, который он обещает проверить в дальнейших экспериментах: «Могучие силы природы… неразрушимы,и… во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов» Таким образом, в работе 1843 г. Джоуль приходит к тем же выводам, к которым ранее пришел Майер.

Сообщение Джоуля было встречено собранием Британской Ассоциации с недоверием. Джоулю не было еще 25 лет, когда он выступил с этими новыми революционными воззрениями. Однако Джоуль продолжал свои исследования и в 1845 г. опубликовал работу «Об изменениях температуры, вызванных сгущением и разрежением воздуха». Как и в работе 1843 г., экспериментальная установка помещалась в сосуд с водой, служивший калориметром. Установка состояла из нагнетательного насоса и сосуда с воздухом, подвергающимся сжатию. Воздух сжимался до 22 атмосфер, и измерялась выделяемая при этом теплота.

Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. Он принял меры для обеспечения постоянства температуры поступающего воздуха, учел поправки на теплоту, производимую трением, и установил, что механический эквивалент тепла в этом опыте равен 795 футо-фунтов на килокалорию (436 кгс-м/ккал). Затем Джоуль поместил в сосуд с водой два одинаковых сосуда, соединенные трубкой. В одном из сосудов воздух был сжат до 22 атмосфер, а из другого выкачан. Когда между обоими сосудами устанавливалось сообщение, измеряли температуру водяного резервуара. Она, как определил Джоуль, оставалась неизменной. Из этого часто описываемого в курсах термодинамики опыта Джоуль сделал вывод, что теплота не может быть веществом, она состоит в движении частиц тела. Из многочисленных опытов по нагреванию воздуха сжатием Джоуль нашел механический эквивалент теплоты равным 798 футо-фунтам на килокалорию (438 кгc*м/ккал).

Во второй работе 1845 г. и в работе 1847 г. Джоуль описывает многочисленные опыты с перемешиванием воды в калориметре. В 1850 г. он произвел новые классические опыты, из которых нашел значение механического эквивалента равным 424 кгс*м/ккал.

За опытами Джоуля с большим интересом следил молодой шотландский физик Вильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Томсон еще в 1848 г. считал, что «превращение теплоты в механическую энергию, вероятно, невозможно и, безусловно, еще не открыто». Кажется странным, что современник паровых машин, паровозов и пароходов говорит о невозможности превращения теплоты в механическую энергию, но у Томсона, видимо, речь идет о другом. Он пишет: «Такой вывод можно сделать исходя из всего, что написано на эту тему. Противоположная точка зрения выдвигается Джоулем из Манчестера, поставившим целый ряд в высшей степени интересных опытов по выделению теплоты при трении жидкостей; некоторые хорошо известные явления в области электромагнетизма, по-видимому, в самом деле указывают на переход механической энергии в тепловую, но опыты, при которых имело бы место обратное преобразование, им не проводились».

Томсон знал работу Карно, знал, что Карно стоял на точке зрения теплорода. Ему известно было также, что ни Джоуль, ни кто-либо другой не проводил опытов по превращению теплоты в работу без остатка. Так намечался подход к будущему второму началу термодинамики. Тем не менее Томсон уже тогда глубоко интересовался работами Джоуля и в пятидесятых годах XIX в. провел совместно с ним знаменитый эксперимент, приведший к открытию эффекта, носящего имя Джоуля —Томсона.

Джоуль продолжал свои эксперименты и в 60-х и в 70-х годах. В 1870 г. он вошел в состав комиссии по определению механического эквивалента теплоты. В состав этой комиссии входили В. Томсон, Максвелл и другие ученые. Но Джоуль не ограничился работой экспериментатора. Он решительно встал на точку зрения кинетической теории теплоты и стал одним из основоположников кинетической теории газов. Об этой работе Джоуля будет сказано позднее.

Как мы уже говорили, Майер считал Джоуля одним из открывателей закона сохранения и превращения энергии. Но тогда уже многие претендовали на приоритет в этом открытии. Датский инженер Людвиг Август Кольдинг доложил в 1843 г. в Королевском Копенгагенском обществе о результатах своих опытов по определению отношения между механической работой и теплотой, которое он нашел равным 350. Майер упоминает о Гольцмане, который в 1845 г. вычислил механический эквивалент теплоты тем же методом, что и Майер. Можно было бы назвать ряд других имен, в той или иной мере причастных к великому открытию. Все это лишний раз доказывает, что время для открытия закона назрело и что к его открытию приходили разными путями врачи, ижене-ры, заводчики. Вопреки воззрениям цеховых ученых это красноречиво говорит о том, что жизнь и ее запросы являются основными двигателями научного прогресса.

Джоуль умер 11 октября 1889 г., за пять лет до смерти третьего члена «триады» Германа Гельмгольца.

Гельмгольц. Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической науки.

Герман Людвиг фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 г. в семье потсдамского учителя гимназии, в городе, бывшем резиденцией прусских королей, в том самом Потсдаме, где спустя 124 года после его рождения состоялась Потсдамская конференция, зафиксировавшая разгром фашистской Германии.

Гельмгольц получил медицинское образование, и его диссертация, защищенная им в 1842 г., была посвящена строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.

С 1843 г. начался служебный путь Гельмгольца в качестве потсдамского военного врача. Эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятия наукой. В 1845 г. он едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам на звание врача и здесь усердно занимается в домашней физической лаборатории Густава Магнуса.

Другим учителем Гельмгольца в Берлине был известный физиолог Иоганн Мюллер. В журнале Мюллера Гельмгольц опубликовал в 1845 г. работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же, 1845 г. молодые ученые, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошел и Гельмгольц. С 1845 г. общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики» («Fortschritte der Physik»).

Научное развитие Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе «Fortschritte der Physik in Jahre 1845», вышедшем в Берлине в 1847 г., был напечатан обзор, выполненный Гельмгольцем по теории физиологических тепловых явлений. 23 июля 1847 г он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». Подобно Майеру, Гельмгольц от физиологии перешел к закону сохранения энергии. Так же, как и у Майера, Поггендорф не принял работу Гельмгольца, и она была опубликована отдельной брошюрой в 1847 г.

На чествовании Гельмгольца по случаю его 70-летия он произнес 2 ноября 1891 г. речь, в которой охарактеризовал свой научный путь. Он указал, что под влиянием Иоганна Мюллера заинтересовался вопросом о загадочной сущности жизненной силы. Сам Мюллер в этом вопросе колебался между метафизическим учением виталистов и естественнонаучным подходом. Размышляя над этой проблемой, Гельмгольц в последний год студенчества пришел к выводу, что теория жизненной силы «приписывает всякому живому телу свойства так называемого perpetuum mobile». Гельмгольц был знаком с проблемой perpetuum mobile со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты… разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я,— говорил Гельмгольц, — натолкнулся на вопрос: «Какие отношения должны существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» и далее: «Выполняются ли в действительности все эти отношения?» В моей книжке о сохранении силы я намеревался только дать критическую оценку и систематику фактов в интересах физиологов». Гельмгольц рассказывал, что авторитеты в то время не только не сочли его мысли известными, но, наоборот, «были склонны отвергать справедливость закона; среди той ревностной борьбы, какую они вели с натурфилософией Гегеля, и моя работа была сочтена за фантастическое умствование…». Однако в отличие от Майера Гельмгольц не был одинок, его поддержала научная молодежь, и прежде всего будущий знаменитый физиолог Дюбуа Реймон (1818—1896), и молодое Берлинское физическое общество. Что же касается отношения к работам Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.

Обратимся к самой работе Гельмгольца. В отличие от своих предшественников он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя (perpetuum mobile). Этот принцип принимал еще Леонардо да Винчи, ученые XVII в. (вспомним, что Стевин обосновал закон наклонной плоскости невозможностью вечного движения), и, наконец, в XVIII в. Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя. Гельмгольц считает принцип невозможности вечного двигателя тождественным принципу, что «все действия в природе можно свести на притягательные или отталкивательные силы». Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, ее надо наделить силами как притягательными, так и отталкива-тельными. «..Явления природы, — пишет Гельмгольц, — должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений».

Таким образом, мир, по Гельмгольцу, — это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую Силу». Этот принцип требует, чтобы «количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость».

При этом мерой произведенной работы Гельмгольц считает половину про изведения (mv)2. «Для лучшего согласования с употребительным в настоящее время способом измерения силы я предлагаю величину 1/2(mv)2 обозначить как количество живой силы, благодаря чему она будет тождественна по величине с величиной затраченной работы». Таков важный шаг, сделанный Гельмголь-цем, в развитии закона сохранения энергии. Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами». Гельмгольц выражает этот принцип математически формулой:

где Q и q — скорости в положениях R и г, Ф — «величина силы, которая действует по направлению r» и «считается положительной, если имеется притяжение, и отрицательной, если наблюдается отталкивание…».

Величину, выражаемую интегралом φdr, Гельмгольц называет «суммой напряженных сил между расстояниями R и г», и закон сохранения энергии получает следующую формулировку: «увеличение живой силы точки при ее движении под влиянием центральной силы равно сумме соответствующих изменению ее расстояния напряженных сил». Сегодня мы вместо «увеличение живой силы» говорим «приращение кинетической энергии» и вместо «сумма напряженных сил» — «убыль потенциальной энергии».

Переходя к системе точек, Гельмгольц устанавливает общее положение: «Всегда сумма существующих в системе напряженных сил и живых сил постоянна». «В этой наиболее общей форме, — пишет Гельмгольц, — мы можем наш закон назвать принципом сохранения силы».

Сформулировав этот принцип, Гельмгольц рассматривает его применения в различных частных случаях. Он указывает, что сохранение живых сил уже применялось в таких случаях, как движения, происходящие под влиянием силы всемирного тяготения, в явлениях передачи движений при посредстве несжимаемых твердых и жидких тел, в движениях вполне упругих твердых и жидких тел. Останавливаясь, в частности, на явлениях интерференции волн, распространяющихся в упругой среде, Гельмгольц показывает, что при интерференции «не имеется никакого уничтожения живой силы, а лишь только иное распределение ее».

Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасенной электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений».

Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Он указывает, что количество теплоты, выделяемое в металлическом проводнике с сопротивлением w в течение времени t, «равно, по Ленцу»,

и показывает, что это соответствует работе электрических сил. Гельмгольц разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, Гельмгольц, в частности, дает свой известный вы вод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана и опираясь на закон Ленца.

В своем сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не менее именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета Кенигсбергского университета, где он в 1849 г. получил должность экстраординарного профессора. Эту должность Гельмгольц занимал до 1855 г., когда он перешел профессором анатомии и физиологии в Бонн. Б 1858 г. Гельмгольц становится профессором физиологии в Гейдельберге. В Гейдельберге Гельмгольц много и успешно занимался физиологией зрения. Эти исследования существенно обогатили область знания и практическую медицину. Итогом этих исследований явилась знаменитая «физиологическая оптика» Гельмгольца, первый выпуск которой вышел в 1856, второй — в 1860, третий — в 1867 г.

Здесь же, в Гейдельберге, Гельмгольц проводил свои классические исследования по скорости распространения нервного возбуждения, по акустике. Его книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики» вышла в 1863 г. Наконец, в Гейдельберге вышли его классические работы по гидродинамике и основаниям геометрии.

С марта 1871 г. Гельмгольц становится профессором Берлинского университета. Он создает физический институт, в который приезжали работать физики всего мира, принимает активное участие в организации Государственного физико-технического института — центра немецкой метрологии, первым президентом которого он становится. Умер Гельмгольц 8 сентября 1894 г.

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII в.

Идя разными путями, они наряду со многими другими современниками настойчиво боролись за утверждение и признание закона вопреки противодействию цеховых ученых. Борьба была нелегкой и порой принимала трагический характер, но она окончилась полной победой. Наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.

Используются технологии uCoz

Закон сохранения механической энергии

Суммарная механическая энергия системы () — это энергия механического энергия и взаимодействия:

   

где — кинетическая энергия тела; — потенциальная энергия тела.

Закон сохранения энергии создан в результате обобщения эмпирических данных. Идея такого закона принадлежала М.В. Ломоносову, который представил закон сохранения материи и движения. Количественно закон сформулировали немецкий врач Ю. Майер и ученый — естествоиспытатель. Гельмгольц.

Формулировка закона сохранения механической энергии

Если в системе тел действуют исключительно силы, которые являются консервативными, то суммарная механическая энергия остается неизменной во времени. (Консервативными (потенциальными) называют силы, работа которых не зависит: от вида траектории, точки к которой приложены данные силы, закона, который описывает движение этого тела, и определено исключительно начальной и конечной точками траектории движения тела (материальной точки)).

Механические системы, в которых действуют исключительно консервативные силы, называют консервативными системами.

Еще одной формулировкой закона сохранения механической энергии считают следующую:

Для консервативных систем суммарная механическая энергия системы величина неизменная.

Математическая формулировка закона сохранения механической энергии имеет вид:

   

   

Значение закона сохранения механической энергии

Данный закон связан со свойством однородности времени. Что означает инвариантность законов физики относительно выбора начала временного отсчета.

В диссипативных системах механическая энергия уменьшается, так как происходит преобразование механической энергии в немеханические ее виды. Такой процесс называют рассеянием (диссипацией) энергии.

В консервативных системах полная механическая энергия постоянна. Происходят переходы кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Следовательно, закон сохранения механической энергии отражает не только сохранение энергии количественно, но указывает на качественную сторону взаимного превращения разных форм движения друг в друга.

Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы. Он выполняется и в макро и микро мире.

Примеры решения задач

Ломоносов и превращения энергии — Справочник химика 21

    Закон сохранения и превращения энергии известен давно (Г. Лейбниц, М. В. Ломоносов и др.). Это универсальный закон, применимый как к явлениям в макросистемах, так и к явлениям, происходящим с участием малого числа молекул. Он был установлен в механике для взаимных переходов кинетической и потенциальной энергии, а впоследствии использован в теории электричества при анализе взаимных переходов электрической и магнитной энергии. В обоих случаях не учитывался теплообмен и рассматривались однотипные формы переходов энергии. [c.26]
    Таким образом, в отличие от закона сохранения и превращения энергии, который Ломоносов высказал и впервые в истории науки применял в своих исследованиях, но не доказал количественными измерениями, закон сохранения веса вещества был доказан им строго количественно. [c.75]

    В такой формулировке открытый Ломоносовым закон действительно является всеобщим естественным законом, так как включает в себя и закон сохранения массы, и закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии в отличие от закона сохранения массы Ломоносов не подтвердил опытом. Закон сохранения и превращения энергии был экспериментально обоснован и утвержден в науке только сто лет спустя в 1841—1845 гг. трудами немецкого физика и врача Р. Майера, в 1843 г.— трудами английского физика Дж. Джоуля, в 1847 г.— трудами немецкого физика и физиолога Г. Гельмгольца и сформулирован так  [c.9]

    М. В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Спустя полтора столетия М. Планк отметил, что закон сохранения энергии лежит в основе представлений о физическом и материальном единстве мира. Понятие энергии наряду с понятиями пространства и времени является наиболее общим в естествознании. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. Его можно рассматривать как закон сохранения материи и присущих ей мер энергии — меры движения и массы —меры ее инертности. Как и энергия, масса системы при всех происходящих в ней превращениях не изменяется. [c.13]

    Одним из первых химических явлений, с которым человечество познакомилось на заре своего существования, было горение. Вна-ч-але оно использовалось для варки пищи и обогрева жилища. Лишь через многие тысячелетия человек научился использовать его для превращения химической анергии горючих веществ в механическую, электрическую и другие формы энергии. Представления об этом явлении менялись у человека по мере накопления им все новых и новых фактов. Впервые правильное представление о процессе горения высказал гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765 гг.), заложивший основы отечественной науки и установивший ряд важнейших законов современной химии и физики. Он провел большое количество опытов с прокаливанием свинца и олова в открытых и запаянных сосудах. Во всех опытах М. В. Ломоносов производил взвешивание вещества до прокаливания и после него. Он убедился, что металлы при прокаливании увеличиваются в весе за счет соединения их с воздухом (в то время кислород был неизвестен). В этих опытах он впервые установил основной закон химии — закон сохранения массы вещества. [c.5]

    Физическая химия начинается работами великого русского ученого М. В. Ломоносова. Открытием законов сохранения массы и энергии он заложил прочные основы физико-химической науки. В сравнительно далекое от нас время он прекрасно понимал связь между физическими и химическими явлениями. Ломоносов на основании известных ему сведений составил курс лекций по физической химии и читал его студентам Академии наук. Физическую химию он определял как науку, призванную дать физическое объяснение химическим превращениям. [c.5]

    Принципиальное расхождение Ломоносова с его предшественниками по вопросу о причине растворения веществ еще больше подчеркивает химическую сущность его атомистики. Вместо механической схемы Гассенди, Бойля и др. Ломоносов выдвинул другую схему, в.которой видную роль играют взаимодействие корпускул н их качественные особенности, а не величина и форма пор растворителя и растворенных частиц. Его схема растворения солей содержит идею о гидратации и указывает на превращение тепловой энергии в механическую работу растворения. [c.20]

    Развитие химии позволило сформулировать закон сохранения массы вещества. Сущность этого закона заключается в том, что общая масса химических веществ, вступающих во взаимодействие, равна массе образующихся при этом новых веществ. М. В. Ломоносов, распространяя этот закон на движение материи, смог подойти к формулировке закона сохранения и превращения не только материи, но и движения (энергии). Опыты М. В. Ломоносова по прокаливанию металлов подтвердили это положение. [c.9]

    Основоположником физической химии является великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов, который открыл законы сохранения массы и энергии веществ. В 1752 г. М. В. Ломоносов впервые основал курс физической химии и читал его студентам Академии наук. Физическая химия определялась как наука, объясняющая физическую сущность химических превращений. [c.6]

    Джоуль, как и М. В. Ломоносов, считает, что живая сила механического движения превращается в живую силу частиц нагретого тела. Но Джоуль, как и Бернулли, указывает на превращение живой силы механического движения в потенциальную энергию частиц тела (Джоуль говорил о притяжении частиц при их взаимном удалении). Теплота должна поэтому являться или живой силой, или притяжением через пространство. В первом случае мы можем представить, что частицы нагретого тела находятся, полностью или частично, в состоянии движения. Во втором случае мы можем предположить, что частицы взаимно удаляются при нагревании, так что они притягивают друг друга через пространство. Я склонен думать, что оправдаются обе эти гипотезы. В некоторых случаях, особенно в случае свободной теплоты, т. е. такой, которая обнаруживается термометром, теплота будет являться живой силой частиц тела, в которых теплота возбуждается. В других же случаях, особенно в случае скрытой теплоты, явления состоят в отделении частицы от частицы, что заставляет нх притягиваться одна к другой через большее пространство (1847 г.) [9]. [c.104]

    Как уже было отмечено выше, Ломоносов был первым химиком, который строил и физику, и химию на основе молекулярной и атомной теории. Он открыл два основных закона современного естествознания — закон сохранения веса и закон сохранения энергии. Он был первым химиком, правильно объяснившим процессы превращения металлов в их окиси.  [c.30]

    М. В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. С философской точки зрения его можно рассматривать как закон сохранения материи и присущих ей мер  [c.14]

    Закон сохранения и превращения энергии. Убедившись при помощи своих весов, что охлаждение и нагревание тел, иначе говоря, прибыль и убыль тепла не вызывают изменения их веса (массы), Ломоносов отверг господствовавший в его время взгляд на теплоту как на разновидность материи и объявил ее особой формой движения — внешним проявлением коловращательного движения невидимых элементарных частичек материи. Эта идея является основой механической теории теплоты, объяснившей нагревание тел при их механической обработке переходом движения (кинетической энергии) тела — инструмента в движение (тепловую энергию) невидимых частиц обрабатываемого тела (и инстру мента). [c. 17]

    Хотя еще в XVIII столетии М. В. Ломоносов предложил энергетическую концепцию тепла и сформулировал в общем виде закон сохранения и превращения энергии, эти взгляды Ломоносова, правда, разделяемые его современниками (Д. Бернулли, Эйлер и др.), не могли сыграть существенную роль в развитии теории тепловых двигателей. Объяснялось это тем, что во времена Ломоносова отсутствовала возможность установления каких бы то ни было количественных связей для процессов преобразования энергии в тепловых машинах, так как единица измерения количества теплоты еще не была установлена. [c.8]

    Отвергая существование невесомых флюидов, Ломоносов под материей понимал то, что мы называем теперь веществом, и мерилом количества вещества считал вес его. В 1756 г. опытами по обжиганию металлов в запаянных стеклянных сосудах он экспериментально подтвердил неизменность веса вещества при химических реакциях и, следовательно, справедливость закона сохранения материи. Закон Ломоносова в части, относящейся к сохранению материи, формулируется теперь в применении к химическим процессам так вес всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу всех продуктов реакций (закон сохранения веса). Количественная оценка движения была найдена в понятии энергии, которая определяется как мера движения при переходе одних ее форм в другие. Мысль Ломоносова о сохранении двилсения высказывалась и ранее, но не в столь общей форме, а лишь в применении к простому перемещению тел, (Декарт). Эта мысль через сто лет была существенно дополнена Р. Майером, доказавшим эквивалентность возникающих и исчезающих форм движения материи, выралсенную через меру двил е-ния — энергию. Энергия не творится и не исчезает. Любая форма энергии способна превращаться в эквивалентное количество любой другой формы. Такова формулировка закона сохранения и превращения энергии. [c.16]

    М. В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. С философской точки зрения его можно рассматривать как закон сохранения материи и присущих ей мер энергии — меры движения и массы — меры ее инертности. Как и энергия, масса системм при всех происходящих в ней превращениях не изменяется. [c.11]

    С глубокой древности и до середины XVIII века химия изучала качественную сторону превращения материи. В 1748 г. М. В. Ломоносов, первый открывший законы сохранения массы и энергии, применил весовой метод к изучению процессов окисления, и химия вступила в современный нам период количественных исследований. [c.235]

    Физическая химия применяет законы термодинамики, статистики, классической и квантовой механики для исследования химических явлений. Непосредственные контакты между химией и физикой долгое время оставались неопределенными и ограничивались развитием атомистики древних (П. Гассенди, 1592—1655) и использованием атомистических представлений прирешении физических задач (Бернулли, 1700—1780). М. В. Ломоносов был, по-ви-димому, первым, кто оценил необычайные возможности физики в раскрытии природы химических явлений. По крайней мере именно он был автором первого курса физической химии (1752), прочитанного им студентам Академии наук и названного Введение в истинную физическую химию . В дальнейшем методы этой науки развивались и совершенствовались медленно, так как ее прогресс зависел от успехов и химии, и физики. Лишь в 1887 г. в Лейпциге была учреждена кафедра физической химии, ставшая впоследствии крупным центром физико-химических исследований. Период между этими датами можно охарактеризовать как время напряженных поисков общих физических принципов, которые могли бы стать фундаментом для создания методов исследования химических процессов. В начале XIX в. С. Карно, отправляясь от неверной теории теплорода, сделал правильное заключение о работе тепловых машин доля теплоты, превращенной в работу, будет тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Глубокий смысл этого вывода был понят лишь в сере- дине прошлого века Р. Клаузиусом и В. Томсоном. С именами этих ученых и связано открытие важнейшего закона природы, I который называют вторым началом термодинамики. Клаузиус показал, что в изолированной системе сумма выделенной теплоты и совершенной работы является функцией состояния. Клаузиус называл ее эргалом в настоящее время для этой функции при- j нято название внутренняя энергия. Несколько лет спустя Клау- ] зиус открывает другую функцию состояния — энтропию эта функ- А ция позволяет предвидеть принципиальную возможность того или 4 иного процесса.  [c.4]

---

Первое начало термодинамики— закон сохранения и превращения энергии

Первое начало термодинамики — закон сохранения и превращения энергии. 2.2. Внутренняя энергия и энтальпия. 2.3. Аналитическое выражение первого начала термодинамики. 2. 4 Теплоемкость.  [c.6]

Методологическое значение первого начала термодинамики—закона сохранения и превращения энергии  [c.45]

Термодинамика возникла из потребностей теплотехники . Развитие производительных сил стимулировало ее создание. Широкое применение в начале XIX в. паровой машины поставило перед наукой задачу теоретического изучения работы тепловых машин с целью повышения их коэффициента полезного действия. Это исследование было проведено в 1824 г. французским физиком, инженером Сади Карно, доказавшим теоремы, определяющие наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин. Эти теоремы позволили впоследствии сформулировать один из основных законов термодинамики — второе начало. В 40-х годах XIX в. в результате исследований Майера и Джоуля был установлен механический эквивалент теплоты и на этой основе открыт закон сохранения и превращения энергии, называемый в термодинамике ее первым началом. Энгельс назвал его великим основным законом движения , устанавливающим основные положения материализма. Закон сохранения и превращения энергии имеет как количественную, так и качественную стороны. Количественная сторона закона сохранения и превращения энергии состоит в утверждении, что энергия системы является однозначной функцией ее состояния и при любых процессах в изолированной системе сохраняется, превращаясь лишь в строго определенном количественном соотношении эквивалентности из  [c. 10]

Первое начало термодинамики выражает количественную сторону закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам.  [c.12]

Первое начало термодинамики является математическим выражением количественной стороны закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам. Оно было установлено в результате экспериментальных и теоретических исследований в области физики и химии, завершающим этапом которых явилось открытие эквивалентности теплоты и работы, т. е. обнаружение того, что превращение теплоты в работу И работы в теплоту осуществляется всегда в одном и том же строго постоянном количественном соотношении.  [c.36]

Установление принципа эквивалентности было последним этапом в формировании количественной стороны закона сохранения и превращения энергии, вследствие чего дата установления этого принципа обычно отождествляется с датой открытия первого начала термодинамики.  [c.30]

Всеобщий закон сохранения и превращения энергии трансформируется в термодинамике в первое начало или первый закон термодинамики . Его положения будут рассмотрены в главе IV.  [c.26]

Главнейшими началами термодинамики являются первое начало термодинамики, выражающее всеобщий закон природы — закон сохранения и превращения энергии,  [c.5]

Все рассуждения и выводы, изложенные в предыдущих главах, прямо или косвенно основывались на законе сохранения и превращения энергии. С точки зрения этого закона принципиально возможен любой процесс, не противоречащий первому началу термодинамики. Так, например, если внешняя работа не затрачивается, то при теплообмене между двумя телами, по закону сохранения и превращения энергии, теплота, отданная одним телом, равна приобретенной другим. На вопрос, какое из этих двух тел отдает теплоту, а какое получает, т. е. в каком направлении протекает процесс, первое начало термодинамики ответа не дает.  [c.103]

Закон сохранения и превращения энергии, который в применении к термодинамическим явлениям носит название первого начала термодинамики, как известно, отвергает возможность осуществления вечного двигателя, т. е. установки, которая из ничего создавала бы энергию. В отличие от этого второе начало термодинамики опровергает возможность осуществления вечного двигателя второго рода, т. е. машины непрерывного действия, которая, используя получаемую теплоту от какого-либо источника, нацело преобразует ее в работу. Отметим, что последнее не противоречит первому началу термодинамики.  [c.104]

Уравнение Бернулли по формулам (14.19) и (14.20), так же как уравнение первого начала термодинамики, выражает закон сохранения и превращения энергии в потоке. Но в отличие от первого начала уравнение Бернулли выражает закон сохранения только через механические величины. Поэтому, если в процессе преобразования энергии вследствие трения происходит потеря кинетической энергии или технической работы, а в общем случае их алгебраической суммы [d (ш /2) + б/г], это должно быть учтено дополнительным членом б/ р. При этом вместо (14.19) и (14.20) получим  [c.202]

Первое начало термодинамики представляет собой приложение к тепловым явлениям всеобщего закона природы — закона сохранения и превращения энергии.  [c.7]

Первый закон, или первое начало термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона природы — закон сохранения и превращения энергии и материи. Первый закон термодинамики был открыт и сформулирован Г. Гессом, Р. Майером, Д. Джоулем, и Г. Гельмгольцем в 40-х годах XIX столетия. Основные идеи этого закона были высказаны М. В. Ломоносовым еще в 1748 г.  [c.24]

Вывод дифференциального уравнения распространения тепла основан на применении закона сохранения и превращения энергии. Для тепловых процессов этот закон выражается в виде первого начала термодинамики, которое для единицы объема движущейся среды можно записать в виде уравнения  [c.16]

Закон сохранения и превращения энергии, приведенный к форме, удобной для термодинамического анализа, носит название первого закона (первого начала) термодинамики.  [c.94]

Это утверждение составляет сущность первого начала термодинамики, которое является частным выражением закона сохранения и превращения энергии-  [c.25]

Система термодинамики, разработанная Клаузиусом, долгое время считалась классической. Характерной особенностью этой системы является то, что она опирается на два основных начала первое начало — закон сохранения и превращения энергии (применительно к тепловым и механическим явлениям) и второе начало — закон возрастания энтропии, который по своему существу является принципом односторонности в развитии природы. Это построение термодинамики сохранилось и по настоящее время.  [c.15]

Таким образом, первое начало термодинамики представляет собой характерную для термодинамики форму выражения закона сохранения и превращения энергии в виде положения, что изменение внутренней энергии системы равно сумме количеств воздействия. В случае термомеханической системы изменение внутренней энергии равно сумме количества теплоты и работы.  [c.30]

Неправильно думать, что первое и второе начала термодинамики представляют собой два независимых, взаимно несвязанных принципа. Уже Ф. Энгельс со всей очевидностью показал, что второе начало, понимаемое как универсальный принцип, несовместимо с законом сохранения и превращения энергии, противоречит ему, так как, не требуя изменения энергии в количественном от-нощении, оно утверждает качественное вырождение энерги , потерю энергией основного ее свойства — способности к превращениям.  [c.139]

Первое начало термодинамики представляет собой математическую формулировку количественной стороны закона сохранения и превращения энергии. Этот закон постулируется как результат теоретических и экспериментальных исследований.  [c.262]

Первый закон термодинамики (или первое начало термодинамики) есть не что иное, как закон сохранения и превращения энергии. Он справедлив для всех без исключения тел, участвующих в любых явлениях и процессах, и является, следовательно, универсальным законом природы.  [c.7]

Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии. Оно утверждает, что определенному количеству теплоты соответствует вполне определенное количество работы Q=AW, где А — тепловой эквивалент работы.  [c.35]

К числу основных законов термодинамики относится прежде всего первое начало термодинамики, которое представляет собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии. Этот закон носит всеобщий характер и используется всюду, где возникает не-  [c.5]

Термодинамика — дедуктивная наука. Она основывается на этих законах, главным образом на законе сохранения и превращения энергии (первое начало), на законе об энтропии (второе начало) и на целом ряде других положений, вытекающих из опыта.  [c.10]

Первое начало термодинамики является математическим выражением количественной стороны закона сохранения и превращения энергии. Оно было установлено в результате экспериментальных и теоретических исследований в естествознании.  [c.21]

В основе термодинамического подхода, наиболее общего к исследованию процессов, лежат законы сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) и принцип увеличения энтропии при необратимых процессах (второе начало термодинамики). Абстрагируясь от физической структуры материалов и процессов, протекающих в трибосистеме, термодинамика оперирует энергетическими показателями и критериями, базирующимися на этих показателях.  [c.151]

Закон Гесса, как это ясно из предыдущего, является следствием первого начала термодинамики и представляет собой выражение этого начала для превращений энергии в химических реакциях. Исторически закон Гесса был открыт до того, как был сформулирован закон сохранения энергии.  [c.487]

Первое начало термодинамики представляет собой частную форму приложения к тепловым процессам всеобщего закона природы — закона превращения и сохранения энергии. Аналитическое выражение первого начала термодинамики для бесконечно малого процесса имеет вид  [c.11]

В течение да сячелетий естествоиспытатели и изобретатели безуспешно пытались сконструировать машину, которая могла бы неограни-ченно совершать работу без потребления энергии от,внешнего источника, — перпетуум мобиле (вечный двигатель). Чтобы остановить поток многочисленных предложений и проектов, Французская Академия наук еще в конце ХУШ века приняла решение рассматривать изобретения перпетуум мобиле только тогда, когда вместе с проектом будет представлена действующая модель. Этой модели, естественно, никому не удалось создать. Однако еще и сегодня существуют фантазеры, придумывающие все новые и новые неосуществимые конструкции. Обычно изобретатели относят свои неудачи за счет каких-то мелких ошибок или недостатков, но эти «мелочи» оказьшаются принципиально неустранимыми. Неудачи привели ученых к вьгаоду, что перпетуум мобиле противоречит некоторому всеобщему закону природы. Этот закон есть закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики). Он утверждает, что энергия не может ни возникать из ничего, ни уничтожаться отдельные виды энергии могут лишь переходить друг в друга. Таким образом, перпетуум мобиле (первого рода) противоречит закону сохранения и превращения энергии, поэтому его создание невозможно.  [c.59]

После крушения теории теплорода теплота окончательно рассматривается как энергия движения составляющих тело материальных частиц (атомов, молекул). Но между теплотой и механической энергией вскоре обнаружились принципиальные отличия. Например, при торможении автомобиля его тормозные колодки нагреваются, но обратный процесс абсолютно невозможен — сколько бы мы ни нагревали колодки, автомобиль все равно останется на месте. Закон сохранения и превращения энергии, раскрывая количественную сторону превращений энергии, ничего не говорит о принцигшальных качественных отличиях между ее различными формами. Можно указать на другие принципиальные особенности тепловых явлений. Одним из самых очевидных наблюдений является то, что при различных видах работы часть энергии выделяется в виде теплоты. В природе существует тенденция к необратимому превращению различных видов энергии в теплоту, поскольку обратное превращение тепла в работу, за исключением изотермических процессов, невозможно. Другой, не менее очевидной особенностью тепловых явлений является то, что нагретые тела всегда стремятся прийти в равновесие с окружающей средой. Но и в этих процессах передачи теплоты существует односторонность, которую Р. Клаузиус сформулировал в качестве тепловой аксиомы Теплота не может сама собой переходить от тела холодного к телу горячему . Значение этого положения оказалось настолько важным, что его стали рассматривать как одну из формулировок второго начала термодинамики. Л. Больцман писал Наряду с общим принципом (законом сохранения и превра]цения энергии. — О. С.) механическая теория тепла установила второй, малоутешительным образом ограничивающий первый, так называемый второй закон механической теории тепла. Это положение формулируется следующим образом работа может без всяких ограничений превращаться в теплоту обратное превращение тепла в работу или совсем невозможно, или возможно лишь отчасти. Если и в этой формулировке второй принцип является неприятным дополнением к первому, то благодаря своим последствиям он становится гораздо фатальнее .  [c.79]

Исторически термодинамика возникла из потребностей теплотехники. Развитие производительных сил стимулиров.ало ее создание. Широкое применение в начале XIX в. паровой машины поставило перед наукой задачу теоретического изучения работы тепловых машин с целью повышения их коэффициента полезного действия. Это исследование было проведено в 1824 г. в первом сочинении по термодинамике французским физиком и инженером Сади Карно, доказавшим теоремы, определяющие наибольший коэффициент полезного действия тепловых машин. Эти теоремы позволили впоследствии сформулировать один из основных законов термодинамики — второе начало. В 40-х годах XIX в. в результате исследований Майера и Джоуля был установлен механический эквивалент теплоты и на этой основе открыт закон сохранения и превращения энергии, называемый в термодинамике ее первым началом. Энгельс назвал его великим основным законом движения .  [c.9]

Будучи феноменологической теорией, термодинамика исходит из понятий, данных опытом, и базируется на нескольких экспериментально установленных законах. К числу ее основных законов относятся первое начало термодинамики, представляющее собой частную форму всеобщего закона природы — закона сохранения и превращения энергии — применительно к теплорым явлениям, и второе начало термодинамики, характеризующее направление протекающих в природе макроскопических процессов.  [c.7]

К числу основных законов термодинамики относится прежде всего первое начало термодинамики, представляющее собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии. Этот закон утверждает, что невозможен процесс возникновения или исчезновения энергии, что энергия изолированной системы при всех изменениях этой системы сохраняет постоянную величину. Этот закон носит всеобщий характер используется всюду, где возникает необходимость в определении, например, теплоты или работы. Из этого закона, в частности, следует вывод о невозможности построения вечного двигателя (Perpetuum mobile) первого рода, который был бы в состоянии производить работу без получения энергии извне.  [c.5]

Первое начало термодинамики — математическое выражение закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам в его наиболее общей форме. Открытию закона сохранения и превращения энергии предшествовали многочисленные экспериментальные и теоретические исследования в области физики и химии, развитие тепловых двигателей в XVIII и XIX столетиях, установление принципа, исключающего построение вечного двигателя первого рода (1775 г.), открытие закона Г. И. Гесса (1840) и, наконец, принципа эквивалентности (1842—1850 гг.) как завершающего этапа в открытии закона сохранения и превращения энергии.  [c.29]

Первое начало термодинамики есть ие что itnoe, как специфическое выражение закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы эта специфика заключается в том, что в системе наряду с совершением работы и получением теплоты изменяется внутренняя энергия.  [c.39]

Однако работ, в которых бы формулировались и исследовались общие принципы классификации, известно мало (см., например, [34, 35]). И вместе с тем множество трудов посвящено непосредственно разработке классификаций наук, форм движения, видов взаимодействий, физических явлений, а в последнее время — элементарных частиц. Классификации же видов энергии ни философы, ни физики, ни инженеры внимания не уделяли, если не считать произвольных перечислений видов энергии, приводимых с начала XIX в. Гровом, Ренкиным, Майером, Гельмгольцем, Планком и авторами многочисленных учебников но физике, начиная с Хвольсона и кончая Фейнманом. Даже само понятие классификация видов энергии употребляется очень редко. В качестве примеров таких работ можно назвать Лекции по термодинамике К. А. Путилова, изданные впервые в 1939 г. [36], и монографию О законе сохранения и превращения энергии Р. Г. Геворкяна, изданную в 1960 г. [37]. Однако в первой книге нет обоснования приводимых перечислений видов энергии для различных наук, а во второй книге при наличии обоснований и даже закона сохранения вида энергии нет… классификации.  [c.22]

Важнейшее значение для Ф. и всего естествознания имело открытие закона сохранения энергии, связавшего воедино все явления природы. В сер. 19 в. опытным путём была доказана эквивалентность кол-ва теплоты и работы и, т. о., установлено, что теплота представляет собой не какую-то гипотетич. сохраняющуюся субстанцию — теплород, а особую форму энергии. В 40-х гг. 19 в. Р. Ю. Майер (R. J. Meyer), Дж. Джоуль (J. Joule) и Г. Гельмгольц (Н. L. Helmholtz) независимо друг от друга открыли закон сохранения и превращения энергии. Закон сохранения энергии стал осн. законом термодинамики — теории тепловых явлений, в к-рой не учитывается молекулярное строение тел этот закон получил название первого начала термодинамики.  [c.312]

Первое начало термодинамики представляет собой приложение к термодинамическим системам закона сохранения и превращения энергии, являющегося наиболее общим универсальным законом природы, применимым ко всем явлениям и ироцеюсам.  [c.24]

Переходя к постановке в учебниках отдельных положений термодинамики, можно сказать, что в них большое внимание стало уделяться начала.м термодинамики и их значению как основам научного мировоззрения. Первый закон термодинамики в большинстве учебников трактуется как частный случай общего абсолютного закона природы — закона сохранения и превращения энергии, имеющего неограниченную применимость, устанавливающего общность и взаимо-преврашаемость различных форм двилявлення природы рассматривать как переход одних форм движения материи в другие, как закон, отрицающий возможность создания вечного двигателя первого рода, т. е. такого двигателя, который без затраты ка-кой-либо энергии. мог бы производить работу.  [c.286]

В заключение заметим следующее. Из того обстоятельства, что первое начало термодинамики есть не что иное, как закон сохранения энергии в применении к тепловым процессам, не следует, что это есть формулировка частного случая закона сохранения энергии. В действительности формулировка закона сохранения энергии в термодинамике является самой широкой, так как отображает изменение любого вида энергии (тепловой, механической, электромагнитной, химической и т. д.). Термодинамику определяют иногда как учение о взаимной связи, существующей во всех явлениях природы между теплотой и другими видами энергии. В этом определении теплота занимает особое положение, так как все виды энергии могут быть полностью превращены в тепловую, иными словами, всегда возможно построить такую периодически действующую машину, которая в каждом цикле превращала бы механическую или электромагнитную энергию в тепловую в то же время невозможно согласно второму началу термодинамики, к изучению которого мы перехрдим, построить такую периодически действующую машину, в каждом цикле которой происходило бы полное превращение взятой от теплового резервуара теплоты в механическую или электромагнитную энергию.  [c.35]

---

Закон сохранения энергии

Закон сохранения массы: сумма массы вещества системы и массы эквивалентной энергии, полученной или отданной той же системой, постоянна. Первоначальная формулировка этого закона — масса (вес) веществ до химической реакции равна массе (весу) веществ после химической реакции, а более расширительно — масса поступающего в систему вещества минус масса выходящего из системы вещества равна массе накапливаемого в системе вещества. Если накопления или убывания вещества в системе не наблюдается, она находится в устойчивом, гомеостатическом состоянии. Близкий к этому закон сохранения энергии, или первый принцип (закон, начало) термодинамики, гласит: любые изменения в изолированной системе оставляют ее общую энергию постоянной; или: при всех макроскопических процессах энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую.[ …]

Энергию определяют как способность производить работу. Свойства энергии описываются следующими законами. Первый закон термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается заново. Свет, например, есть одна из форм энергии, так как его можно превратить в работу, тепло или потенциальную энергию пищи в зависимости от ситуации, но энергия при этом не пропадает. Второй закон термодинамики, или закон энтропии, формулируется по-разному, в частности таким образом: процессы, связанные с превращениями энергии, могут происходить самопроизвольно только при условии, что энергия переходит из концентрированной формы в рассеянную (деградирует). К примеру, тепло горячего предмета самопроизвольно стремится рассеяться в более холодной среде. Второй закон термодинамики можно сформулировать и так: поскольку некоторая часть энергии всегда рассеивается в виде недоступной для использования тепловой энергии, эффективность самопроизвольного превращения кинетической энергии (например, света) в потенциальную (например, энергию химических соединений протоплазмы) всегда меньше 100%. Энтропия (от греч. entropía — поворот, превращение) — мера количества связанной энергии, которая становится недоступной для использования. Этот термин также используется как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии.[ …]

СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ. Положение, что полная энергия изолированной системы остается постоянной. См. закон сохранения энергии.[ …]

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. Положение о том, что полная энергия изолированной системы остается постоянной, хотя возможен переход энергии из одной формы в другую в эквивалентных количествах. Уравнение первого начала термодинамики является частной формулировкой 3. С. Э. См. еще уравнение энергии.[ …]

Первый закон (закон сохранения энергии) гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, потенциальную энергию пищи), но не может быть создана или уничтожена.[ …]

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии: энергия не создается и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Энергия Солнца превращается в энергию органического вещества путем фотосинтеза. Экология рассматривает связь между солнечным светом и экологическими системами, в которых происходит превращение энергии света.[ …]

Основной закон термодинамики — первое начало — есть математическое выражение закона сохранения энергии; он гласит: невозможно возникновение или уничтожение энергии, а возможен лишь переход одних видов энергии в другие. Л. Т. Матвеев приводит прекрасную формулировку этого закона, высказанную более 250 лет назад М. В. Ломоносовым: «Все перемены, в натуре случающиеся, также суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».[ …]

Свойства энергии описываются I и 2 законами термодинамики,т.е. законами сохранения энергии и законом энтропии (от греч. энтропия — поворот,превращение).Энтропия- мера количества связан но энергии, которая становится недоступной для использования. Этот термин также используется как мера изменения упорядоченности, которая происходит при деградации энергии в биологических си стемях.[ …]

Таким образом, по закону сохранения энергии имеем: Котр + Ка + Кщ> = 1.[ …]

В соответствии с первым законом термодинамики (законом сохранения энергии) энергия на протяжении химических и физических процессов не создается, не исчезает, а просто переходит из одной формы в другую, пригодную в той или иной мере для выполнения работы, т. е. использование энергии для выполнения какой-либо работы или переход энергии из одной формы в другую не сопровождается изменением (уменьшением или увеличением) общего количества энергии. Имея в виду глобальные категории, можно сказать, что вопреки любым физическим или химическим изменениям во Вселенной, количество энергии в ней останется неизменным.[ …]

При этом считаем, что выполняется закон сохранения энергии, т. е. н/=д. Осуществить такой проект, когда система 2 работает бесконечно долго, забирая в каждом цикле из резервуара порцию теплоты д, невозможно (рис. 7.1). При выполнении закона сохранения и превращения энергии (из тепловой в механическую) такой процесс нельзя осуществить, потому что резервуар «поглощает» за цикл количество теплоты (—9), что соответствует уменьшению энтропии на величину Д5= —ц Т. Бесконечный отбор порции тепловой энергии д из системы /1 приводит к уменьшению степени беспорядка в системе за счет отнятия от теплового резервуара энергии, что невозможно.[ …]

Этот результат является следствием закона сохранения энергии и означает, что интеграл от средней интенсивности произвольного пучка (с убывающей, как было указано выше, быстрее 1/Л2 начальной интенсивностью) в любом сечении сохраняется при распространении 1.[ …]

Уравнения Максвелла. Волновые уравнения.[ …]

Сумму коэффициентов рассеяния и поглощения в соответствии с законом сохранения энергии определим как коэффициент ослабления а = ап + Ор. [ …]

То, что окружающий мир теряет при поглощении рецептором небольшого количества энергии, приобретают живые клетки. Количество энергии может быть очень небольшим (например, всего несколько квантов), но тем не менее закон сохранения энергии будет действовать. Но когда наблюдатель приобретает информацию, окружающий мир не теряет ее. Такого явления, как сохранения информации, не существует. Ее количество неограниченно. Информация, содержащаяся в объемлющем свете, в колебаниях, в механических и химических воздействиях, неисчерпаема.[ …]

Всем нам известен закон сохранения энергии, из которого следует, что энергия не создается и не уничтожается, а только переходит из одного состояния в другое. Это — главный физический закон. Второй по значимости, пожалуй, принцип минимума энергии, согласно которому всякое вещество строится так, и всякий процесс осуществляется таким образом, чтобы при этом была затрачена минимальная энергия. Молекула Н2 имеет меньшую энергию, чем два свободных атома водорода, молекула Н20 — меньшую, чем два атома водорода и один атом кислорода. Отсюда многообразие веществ в окружающем нас мире. Иными словами, есть фундаментальный закон, повинуясь которому атомы-буквы складываются в молекулы-слова.[ …]

Ядерная физика тесно связана с родственными с ней атомной физикой и физикой высоких энергий (физикой элементарных частиц, табл. 10.1). Необходимо отметить, что во всех видах радиоактивных превращений выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, массы, электронного, барионного и лептонного заряда.[ …]

Очевидно, в жизни экологических систем действуют общие термодинамические принципы и законы сохранения энергии, вещества, информации. Наиболее существенны из них, видимо, следующие, формулировки которых приближены к экологическим нуждам.[ …]

Химические превращения в природе и все биологические процессы в экосистемах подчиняются законам термодинамики. Согласно первому закону, называемому законом сохранения энергии, для любого химического процесса общая энергия в замкнутой системе всегда остается постоянной. [ …]

Понятие силы в естествознании играло огромную роль в XVII, XVIII и в первой половине XIX столетия. Целый ряд основных законов, основанных на эмпирических наблюдениях, связан с этими представлениями о природных силах, В наш век научного атомизма все эти силы могут быть сведены к проявлению быстрого движения, с космической скоростью 1) материальных — атомы, электроны и 2) энергетических частиц — фотоны 80. Те жизненные силы, которые принимались в биологии, не являются силами ни того, ни другого рода. Они не могут быть отнесены к энергетическим проявлениям, которые научно связаны с законом сохранения энергии, так как они ему не подчинены . С другой стороны, они тем менее могут быть отнесены к проявлению движения материальных частиц. Таким образом, они остаются вне тех сил, с которыми имеет дело натуралист, если они существуют.[ …]

Рассмотрим пристальней энергетическую сторону вопроса. Осуществление любого процесса, естественно, возможно лишь при соблюдении закона сохранения энергии; самопроизвольные же процессы протекают только с убылью свободной энергии данной системы. Необходимо полнее оценить, с одной стороны, количество энергии, затрачиваемой на магнитную обработку воды, с другой — изменение при этом энергии системы.[ …]

В экосистемах как самоподдерживающих системах, обходящихся своими внутренними ресурсами, энергетические процессы подчиняются общим принципам превращения энергии. Таких принципов несколько. Основной из них — закон сохранения энергии, который применительно к экосистемам можно формулировать следующим образом: энергия, поступающая в систему, либо накапливается в ней, либо выносится из нее.[ …]

За много десятилетий, прошедших после опубликования обширных исследований Эри по каналовой теории приливов, почему-то не обращала на себя внимание одна черта, свойственная уравнению (83): нарушение закона сохранения энергии, заложенное в самой форме правой части этого уравнения. Действительно, по мере нарастания пути х, проходимого приливной волной на мелководье, растет амплитуда второго обертона и, следовательно, увеличивается энергия этого дополнительного колебания, налагающегося на основное, а между тем амплитуда основного колебания остается прежней и ни из какого внешнего источника дополнительная энергия не поступает. [ …]

Объем Вселенной увеличивался, а плотность фактически не менялась, она уменьшалась чрезвычайно медленно. В результате масса материи во Вселенной возрастала, причем с новой массой рождалось новое тяготение этой массы. Рождающаяся отрицательная энергия гравитации компенсировала положительную энергию материи, и в сумме закон сохранения энергии соблюдался.[ …]

Так как любые перемещения электронов или ионов сопровождаются возникновением ЭМП, то фактически все жизненные процессы дублируются на электромагнитном уровне, причем со специфическими для них характеристиками частоты и интенсивности ЭМП. По закону сохранения энергии и вещества и их взаимопревращения, в соответствии со вторым законом термодинамики возможно обращение любых процессов при избытке определенных компонентов. Весьма вероятно, что внешние влияния на электронные потоки будут вызывать обращение тех или иных физиологических реакций, с которыми они связаны, а именно ускорять или тормозить транспорт веществ, способствовать синтезу •определенного типа молекул, в том числе ДНК, и т. д. В настоящее вРемя многие физиотерапевтические процедуры активно исполь-Зу!°т этот путь влияния на организм (например, упомянутая выше электротерапия), хотя теория в данном случае мало разработана и Фактически имеет место лишь эмпирическое накопление материала.[ …]

Для того, чтобы разорвать связь между катионами и анионами в одном моле, например, ЫаС1 надо затратить 800 кДж. Поскольку в начале нашего века сомневаться в справедливости и непреложности закона сохранения энергии уже не приходилось,. оставалось предположить лишь одно: энергия, потребная на разрыв связи, черпается из энергии теплового движения молекул воды. Образно говоря, молекулы ЫаС1 отбирают необходимые им 800 кДж у молекул воды. Но это неизбежно должно привести к уменьшению энергии (скорости движения) молекул воды, то есть к понижению температуры раствора по сравнению с температурой исходного растворителя.[ …]

Идея соизмерения производственных и природных потенциалов на энергетической основе относится к наиболее фундаментальным научным принципам современной экологии и в той или иной форме была неоднократно аргументирована. Примечательно, что она возникла одновременно с открытием закона сохранения энергии, так как уже Г. Гельмгольцу было ясно, что и в «живых машинах», созданных природой, и в машинах, созданных человеком специально для превращения одной формы энергии в другую, концентрация этих процессов преобразования энергии несравненно больше, чем в неживой природе.[ …]

На рис. 140, как и в табл. 9, не приведены данные для обертонов 7-го и с 9-го по 15-й включительно. При суммировании, разумеется, учитывались квадраты коэффициентов и для этих пропущенных обертонов. Сумма более высоких обертонов отбрасывалась, и это тоже вело к некоторой погрешности, небольшой по сравнению с единицей. При отсутствии погрешностей сумма квадратов амплитуд всех обертонов равнялась бы в точности единице в полном соответствии с законом сохранения энергии всей системы волн: основной волны и ее обертонов. В этом обстоятельстве заключено существенное различие между нашим анализом и чисто формальными построениями Дж. Эри [11] и Г. Джеффриса [12] — авторов, игнорировавших как закон сохранения энергии, так и нарастание весьма высоких обертонов.[ …]

Если бы парниковые газы отсутствовали, то температура Земли была бы более чем на 30 °С ниже. Согласно этой оценке, средняя температура Земли составляет около 255 К, что значительно ниже реальных средних температур 285-290 К. Наличие атмосферы с поглощающими инфракрасное излучение парниковыми газами существенно меняет температурный баланс. Земля излучает в атмосферу 115% ИК излучением плюс 29% энергии скрытым и явным теплом, что составляет 144% от величины энергии падающего на Землю высокочастотного солнечного излучения. Как уже отмечалось выше, противоречия с законом сохранения энергии здесь нет, просто между поверхностью Земли и атмосферой вследствие парникового эффекта возникают встречные потоки энергии, которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли. Атмосфера излучает в ИК диапазоне 170% (67% — безоблачная атмосфера и 103% — облака) энергии от первичного солнечного излучения. Оценки температуры эквивалентных равновесно излучающих «серых» тел дают соответственно Т и 280 К для поверхности Земли иТ« 290 К для атмосферы. Данные оценки близки к реальным средним температурам, однако более точный анализ должен учитывать многие факторы, в частности, неравновесность излучения, процессы переноса излучения, тепла, импульса и т.д.[ …]

На рис. 14.5 условно изображены два сорта излучения, одно — приходящее от Солнца, с максимумом по интенсивности в оптическом диапазоне, другое — уходящее от Земли. Уходящее излучение содержит как коротковолновое излучение, рассеянное и отраженное атмосферой и поверхностью Земли, так и длинноволновое, связанное с излучением самой планеты. Если взять за 100% излучение, которое приходит от Солнца, то примерно 31% от него отражается и рассеивается атмосферой сразу: 17% облаками, 6% поверхностью земли и 8% безоблачной атмосферой. Назад уходит примерно 31%, а 69% этого коротковолнового излучения поглощается атмосферой (4% поглощается облаками, а 22% — безоблачной атмосферой) и 43% Землей. В установившемся стационарном режиме атмосфера излучает во внешнее пространство те же 69% низкочастотного ИК излучения. Причем атмосфера излучает низкочастотное ИК излучение и вниз, в Землю (67 + 34 = 101%), а Земля излучает в атмосферу 115% ИК излучения + 29% энергии скрытым теплом и турбулентными потоками, что составляет 144% по энергии от падающего излучения. Хотя поток энергии от поверхности Земли превышает 100%, никакого противоречия с законом сохранения энергии здесь нет, поскольку Земля получает 43% по энергии высокочастотным излучением и 101% (67 + 34 = 101%) низкочастотным ИК излучением от атмосферы, что составляет те же 144%. Таким образом, между поверхностью Земли и атмосферой благодаря парниковому эффекту возникают встречные потоки энергии, которые дополнительно нагревают атмосферу и поверхность Земли.[ …]

Неконсервативная сила — Energy Education

Рисунок 1. Сначала бейсбольный мяч деформируется под действием нормальной силы. Затем мяч отскакивает от биты и возвращается к своей сферической форме. В этом процессе атомы летучей мыши, мяча и воздуха будут вибрировать быстрее, теряя часть своей энергии. ^[1]

Сила оказывает решающее влияние на движение. Некоторые силы заметно изменяют скорость или направление движения. Другие силы преобразуют макроскопическое движение в микроскопическое. Неконсервативная сила — это классификация, данная любой силе, работа которой зависит от выбранного пути, потому что микроскопические эффекты зависят от макроскопических явлений.Короче говоря, неконсервативная сила преобразует макроскопическое движение в микроскопическое.

Пример неконсервативных сил в бейсбольном матче:

• Нормальная сила: При столкновении бейсбольного мяча с битой (макроскопическое движение) будет издаваться звук (микроскопическое движение), см. рис. 1.
• Сопротивление воздуха: После того, как бейсболист ударит по бейсбольному мячу, мяч начнет двигаться по воздуху (макроскопическое движение). Мяч передаст кинетическую энергию молекулам воздуха и заставит их вибрировать быстрее. Это создает тепло (микроскопическое движение). Это то же самое, что механический эквивалент тепла, который преобразует движение жидкости в тепло. Чем больше сопротивление воздуха, тем быстрее мяч будет рассеивать кинетическую энергию в тепловую.
• Трение: Когда игрок скользит к основанию (макроскопическое движение), трение передает энергию земле и штанам игрока. Это заставляет атомы в земле вибрировать больше (микроскопическое движение) и даже может вызывать пластическую деформацию (например, растяжение или разрыв штанов), что может привести к дальнейшим потерям кинетической энергии.

Все реальные системы имеют некоторые неконсервативные силы, связанные с ними. Например, когда Луна вращается вокруг Земли, она создает приливные силы, которые слегка нагревают океаны (микроскопическое движение молекул в океане). Однако это небольшой эффект по сравнению с энергией в системе.

Согласно второму закону термодинамики, все системы со временем теряют механическую энергию. Важно отметить, что неконсервативные силы не уничтожают энергию, а просто переводят ее в менее полезную (менее упорядоченную) форму.

PhET: Сила трения

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию PhET. Он исследует, как трение превращает макроскопическое движение в микроскопическое.

Чтобы узнать больше о консервативных и неконсервативных силах, см. гиперфизику.

Для дальнейшего чтения

Ссылки

6.2: Природа и виды энергии

Цели обучения

• Дайте определение энергии, различайте виды энергии и описывайте характер энергетических изменений, сопровождающих химические и физические изменения
• Различать родственные свойства тепла, тепловой энергии и температуры
• Дайте определение и различайте удельную теплоемкость и теплоемкость, а также опишите физические последствия обоих
• Выполнение расчетов с учетом тепла, удельной теплоемкости и изменения температуры

Энергия — одно из самых фундаментальных и универсальных понятий физической науки, но его чрезвычайно трудно определить так, чтобы оно было понятно большинству людей. Возможно, это отражает тот факт, что энергия — не «вещь», существующая сама по себе, а скорее атрибут материи (а также электромагнитного излучения), который может проявляться по-разному. Его можно наблюдать и измерять только косвенно, через его воздействие на материю, которая приобретает, теряет или обладает им. Энергию можно определить как способность выделять тепло или выполнять работу. Один тип работы (\(w\)) — это процесс, в результате которого материя движется против противодействующей силы. Например, мы совершаем работу, когда накачиваем велосипедную шину, — мы перемещаем материю (воздух в насосе) против противодействующей силы воздуха, уже находящегося в шине.

История энергетики — «Живая сила» против «мертвой силы»

Концепция, которую мы называем энергией, развивалась очень медленно; потребовалось более ста лет только для того, чтобы люди договорились об определениях многих терминов, которые мы используем для описания энергии и взаимопревращений между ее различными формами. Но даже сейчас большинству людей трудно объяснить, что это такое; так или иначе, определение, которое мы все выучили в элементарной науке («способность выполнять работу»), кажется менее чем адекватным для передачи его значения.

Хотя термин «энергия» не использовался в науке до 1802 года, уже давно предполагалось, что определенные свойства, связанные с движением объектов, проявляют устойчивость, которая включена в современную концепцию «сохранения энергии». Рене Декарт (1596-1650) ясно сформулировал это: В XVII веке великий математик Готфрид Лейбниц (1646-1716) предложил различие между vis viva («жизненная сила») и vis mortua («мертвая сила»). ), которая позже стала известна как кинетическая энергия (1829 г.) и потенциальная энергия (1853 г.).{–2}:\]

Типы энергии

Энергия может быть охарактеризована через ее наблюдаемые свойства. Все типы можно условно разделить на два основных типа: потенциальную и кинетическую энергию. Тем не менее, есть дополнительные ароматы обоих, которые обычно обсуждаются при изучении химии.

Кинетическая энергия

Какой бы ни была энергия, в основном она бывает двух видов. Кинетическая энергия связана с движением объекта, и ее непосредственные последствия являются частью повседневного опыта каждого; чем быстрее мяч вы ловите рукой, и чем он тяжелее, тем больше вы его чувствуете.2 \\[4pt] &= 1.980\, J \end{align*}\]

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это энергия, которой тело обладает в силу своего местоположения, состава или состояния. Однако это еще не все: на тело должна действовать некая «возвращающая сила», стремящаяся переместить его в место с более низкой потенциальной энергией. Подумайте о стреле, на которую действует сила натянутой тетивы; чем сильнее стрела притянута к тетиве, тем больше у нее потенциальной энергии.В более общем смысле восстанавливающая сила исходит из того, что мы называем силовым полем — гравитационным, электростатическим или магнитным полем. Мы наблюдаем последствия гравитацииa l потенциальной энергии все время, например, когда ходим, но редко задумываемся об этом.

Если объект массой \(m\) поднять над полом на высоту \(h\), его потенциальная энергия увеличится на \(mgh\), где \(g\) — константа пропорциональности, известная как ускорение свободного падения ; его значение на поверхности земли равно 9.{–2} \\[4pt] &= 16,8\, J \end{align*}\]

Точно так же потенциальная энергия частицы, имеющей электрический заряд \(q\), зависит от ее положения в электростатическом поле. Это будет электрическая потенциальная энергия. и имеет функциональную форму, отличную от гравитационной энергии (уравнение \ref{PE}).

Химическая энергия

Электростатическая потенциальная энергия играет важную роль в химии; потенциальные энергии электронов в силовом поле, создаваемом атомными ядрами, лежат в основе химического поведения атомов и молекул.«Химическая энергия» обычно относится к энергии, запасенной в химических связях молекул. Эти связи образуются, когда электроны способны реагировать на силовые поля, создаваемые двумя или более атомными ядрами, поэтому их можно рассматривать как проявления электростатической потенциальной энергии. В экзотермической химической реакции электроны и ядра реагентов перегруппировываются в продукты, обладающие меньшей энергией, и эта разница выделяется в окружающую среду в виде тепла.

Тепловая энергия

Кинетическая энергия связана с движением, но двумя разными способами. Для макроскопического объекта, такого как книга или мяч, или сгусток текущей воды, это просто задается уравнением \ref{KE}. Но, как мы упоминали выше, когда предмет падает на пол или когда экзотермическая химическая реакция нагревает окружающее вещество, кинетическая энергия рассеивается на молекулярные единицы в окружающей среде. Эта «микроскопическая» форма кинетической энергии, в отличие от летящей пули, совершенно случайна по видам движений и направлению.Мы называем это «термализованной» кинетической энергией или, чаще, просто тепловой энергией . Мы наблюдаем последствия этого как повышение температуры окружающей среды. Температура тела есть прямая мера количества содержащейся в нем тепловой энергии.

После того, как кинетическая энергия термализована, только часть ее может быть преобразована обратно в потенциальную энергию. Остаток просто рассеивается и растворяется в окружающей среде и фактически теряется. Если подытожить, то:

• Потенциальная энергия может быть полностью преобразована в кинетическую энергию..
• Потенциальная энергия также может быть преобразована с различной степенью эффективности в электрическую энергию.
• Кинетическая энергия макроскопических объектов может передаваться между объектами (за исключением эффектов трения).

Взаимное преобразование энергий

Как и материя, энергия бывает разных типов. Энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но вся энергия, имевшаяся до того, как произошло изменение, всегда существует в той или иной форме после того, как изменение завершено.Это наблюдение выражено в законе сохранения энергии:

закон сохранения энергии

При химическом или физическом изменении энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, хотя может измениться по форме.

Когда одно вещество превращается в другое, всегда происходит связанное с этим преобразование одной формы энергии в другую. Тепло обычно выделяется или поглощается, но иногда преобразование включает свет, электрическую энергию или какую-либо другую форму энергии.Например, химическая энергия (разновидность потенциальной энергии) хранится в молекулах, из которых состоит бензин. Когда бензин сгорает в цилиндрах двигателя автомобиля, быстро расширяющиеся газообразные продукты этой химической реакции генерируют механическую энергию (разновидность кинетической энергии), когда они перемещают поршни цилиндров. Как вы узнаете позже, закон сохранения энергии также является одной из версий первого закона термодинамики.

Переходы между потенциальной и кинетической энергией являются настолько интимной частью нашей повседневной жизни, что мы почти не задумываемся о них.Это происходит при ходьбе, когда тело движется вверх и вниз. Наше тело использует химическую энергию глюкозы, чтобы сохранять тепло и двигать мышцами. Фактически сама жизнь зависит от преобразования химической энергии в другие формы. Поэтому, когда вы поднимаетесь в гору, ваша кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, которая снова превращается в кинетическую энергию, когда вы спускаетесь с другой стороны. И откуда берется та кинетическая энергия, которую вы затрачиваете при подъеме в гору? Путем преобразования некоторой химической потенциальной энергии в хлопьях для завтрака.

Вода в верхней части водопада или плотины обладает потенциальной энергией из-за своего положения; когда он течет вниз через генераторы, он обладает кинетической энергией, которую можно использовать для выполнения работы и производства электроэнергии на гидроэлектростанции (рис. \(\PageIndex{1}\)). Батарея обладает потенциальной энергией, потому что содержащиеся в ней химические вещества могут производить электричество, которое может совершать работу.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): (a) Вода, расположенная выше, например, на вершине водопада Виктория, имеет более высокую потенциальную энергию, чем вода, расположенная ниже. Когда вода падает, часть ее потенциальной энергии преобразуется в кинетическую энергию. (b) Если вода течет через генераторы на дне плотины, такой как показанная здесь плотина Гувера, ее кинетическая энергия преобразуется в электрическую энергию. (кредит a: модификация работы Стива Джурветсона; кредит b: модификация работы «curimedia»/Wikimedia commons).

• При падении книги ее потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию. Когда он ударяется об пол, эта трансформация завершена.Что тогда происходит с энергией? Кинетическая энергия, которая в момент удара раньше находилась исключительно в движущейся книге, теперь разделяется между книгой и полом в виде хаотичных тепловых движений молекулярных единиц, из которых они состоят; мы можем наблюдать этот эффект как повышение температуры.
• Большая часть потенциальной энергии падающей воды может быть уловлена ​​водяным колесом или другим устройством, преобразующим кинетическую энергию выходящей воды в кинетическую энергию. Выходная мощность гидроэлектростанции прямо пропорциональна ее высоте над уровнем турбин генератора в долине внизу. В этот момент кинетическая энергия выходящей воды передается кинетической энергии турбины, большая часть которой (до 90% в крупнейших установках) затем преобразуется в электрическую энергию.
• Будет ли температура воды на дне водопада выше, чем наверху? Сам Джеймс Джоуль предсказывал, что так и будет. Было подсчитано, что при Ниагарском водопаде полное преобразование потенциальной энергии 1 кг воды наверху в кинетическую энергию при попадании воды в бассейн на глубине 58 метров приведет к повышению температуры примерно на 0.14°С. (Но есть много сложностей. Например, часть воды распадается на крошечные капли при падении, и вода довольно быстро испаряется из капель, производя охлаждающий эффект.)
• Химическая энергия также может быть преобразована, по крайней мере частично, в электрическую энергию: это то, что происходит в батарее. Если сильно экзотермическая реакция также производит газообразные продукты, последние могут расширяться так быстро, что результатом будет взрыв — чистое преобразование химической энергии в кинетическую энергию (включая звук).

Что такое ноль Энергии и имеет ли это значение?

Сначала вы можете подумать, что книга, лежащая на столе, имеет нулевую кинетическую энергию, поскольку она не движется. Но если подумать, сама земля движется; она вращается вокруг своей оси, обращается вокруг Солнца, а само Солнце удаляется от других звезд в общем расширении Вселенной. Поскольку эти движения обычно нас не интересуют, мы можем принять произвольную шкалу, в которой измеряется скорость книги относительно стола; на этой так называемой лабораторной системе координат кинетическую энергию книги можно считать равной нулю.

То же самое мы делаем с потенциальной энергией. Если книга лежит на столе, ее потенциальная энергия относительно поверхности стола будет равна нулю. Если мы примем это как наш ноль потенциальной энергии, а затем столкнем книгу со стола, ее потенциальная энергия будет отрицательной после того, как она упадет на пол.

Резюме

Энергия — это способность совершать работу (приложение силы для перемещения материи). Кинетическая энергия (КЭ) – это энергия движения; потенциальная энергия — это энергия, обусловленная относительным положением, составом или состоянием.При переходе энергии из одной формы в другую энергия не создается и не уничтожается (закон сохранения энергии или первый закон термодинамики). Материя обладает тепловой энергией за счет КЭ ее молекул и температуры, соответствующей средней КЭ ее молекул. Тепло — это энергия, которая передается между объектами при разных температурах; она течет от высокой к низкой температуре. Химические и физические процессы могут поглощать тепло (эндотермические) или выделять тепло (экзотермические). Единицей энергии, тепла и работы в системе СИ является джоуль (Дж).

Авторы и авторство

Сохранение энергии — Энциклопедия Нового Света

Эта статья о законе сохранения энергии в физике.

В физике закон сохранения энергии утверждает, что общее количество энергии в изолированной системе остается постоянным. На основании этого закона ученые пришли к выводу, что в изолированной системе энергия не создается и не уничтожается, но может менять форму.Например, потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию, а кинетическая энергия может стать тепловой энергией.

Понимая этот закон, инженеры могут проектировать машины, которые могут использовать энергию для производства работы. Например, тепловая энергия (или тепло, выделяемое при сжигании топлива) может использоваться для привода турбины, которая, в свою очередь, может использоваться для выработки электроэнергии. Кроме того, на основании этого закона можно сделать вывод, что вечные двигатели могут работать только в том случае, если они не отдают энергию в окружающую среду, а устройства, производящие больше энергии, чем в них вложено, невозможны.Однако с формулировкой Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности ученые теперь рассматривают сохранение энергии как часть более крупного закона, а именно сохранения «массы-энергии». {2}}

сохранялось до тех пор, пока массы не взаимодействовали.Он назвал это количество vis viva или жизненной силой системы. Принцип представляет собой точную формулировку приблизительного сохранения кинетической энергии в ситуациях, когда нет трения. Многие физики того времени считали, что закон сохранения импульса, сохраняющийся даже в системах с трением, определяемый импульсом:

∑imivi{\displaystyle \,\!\sum _{i}m_{i}v_{i}}

был сохранен vis viva .Позже было показано, что при соответствующих условиях обе величины сохраняются одновременно, например, при упругих столкновениях.

Главным образом инженеры, такие как Джон Смитон, Питер Юарт, Карл Хоцманн, Гюстав-Адольф Хирн и Марк Сеген, возражали против того, что одного сохранения импульса недостаточно для практических расчетов, и использовали принцип Лейбница. Этот принцип также отстаивали некоторые химики, такие как Уильям Хайд Волластон. Такие академики, как Джон Плейфер, поспешили указать, что кинетическая энергия явно не сохраняется. Это очевидно для современного анализа, основанного на втором законе термодинамики, но в восемнадцатом и девятнадцатом веках судьба потерянной энергии была еще неизвестна. Постепенно возникло подозрение, что теплота, неизбежно генерируемая движением при трении, была другой формой vis viva . В 1783 году Антуан Лавуазье и Пьер-Симон Лаплас рассмотрели две конкурирующие теории vis viva и теорию калорийности. ^[1] Наблюдения графа Румфорда в 1798 г. за выделением тепла во время сверления пушек добавили веса мнению 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 универсальная константа преобразования между кинетической энергией и теплотой).{2}}

, который можно понимать как нахождение точного значения константы преобразования кинетической энергии в работу, в значительной степени является результатом работы Гаспара-Гюстава Кориолиса и Жана-Виктора Понселе в период 1819–1839 гг. Первый назвал 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, , опубликованной в Zeitschrift für Physik в 1837 г., Карл Фридрих Мор дал одно из первых общих утверждений доктрины сохранения энергии в следующих словах: «Помимо 54 известных химических элемента в физическом мире есть только один агент, и он называется Kraft [энергия или работа].В зависимости от обстоятельств оно может проявляться как движение, химическое сродство, сцепление, электричество, свет и магнетизм; и из любой из этих форм она может быть преобразована в любую из других».

Ключевым этапом в развитии современного принципа сохранения стала демонстрация механического эквивалента тепла . Калорическая теория утверждала, что теплота не может быть ни создана, ни уничтожена, но сохранение энергии влечет за собой противоположный принцип, согласно которому теплота и механическая работа взаимозаменяемы.

Принцип механической эквивалентности был впервые сформулирован в его современной форме немецким хирургом Юлиусом Робертом фон Майером. ^[2] Майер пришел к такому выводу во время путешествия в Голландскую Ост-Индию, где он обнаружил, что кровь его пациентов была более ярко-красной, потому что они потребляли меньше кислорода и, следовательно, меньше энергии для поддержания температуры тела в более жаркие дни. климат. Он обнаружил, что и теплота, и механическая работа являются формами энергии, а позже, улучшив свои познания в физике, вычислил количественную связь между ними.

Прибор Джоуля для измерения механического эквивалента теплоты. Нисходящий груз, прикрепленный к веревке, заставляет вращаться весло, погруженное в воду.

Между тем, в 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. В самом известном из них, ныне называемом «аппаратом Джоуля», опускающийся груз, прикрепленный к струне, заставлял вращаться лопасть, погруженную в воду. Он показал, что гравитационная потенциальная энергия, теряемая весом при спуске, равна тепловой энергии (теплу), приобретаемой водой при трении о весло.

В период 1840–1843 гг. аналогичные работы выполнял инженер Людвиг А. Колдинг, хотя они были мало известны за пределами его родной Дании.

Работа Джоуля и Майера страдала от сопротивления и пренебрежения, но именно работа Джоуля, возможно, несправедливо, в конце концов получила более широкое признание.

В 1844 году Уильям Роберт Гроув постулировал взаимосвязь между механикой, теплом, светом, электричеством и магнетизмом, рассматривая их все как проявления единой «силы» ( энергия в современных терминах).Гроув опубликовал свои теории в своей книге «Корреляция физических сил ». ^[3] В 1847 году, опираясь на более ранние работы Джоуля, Сади Карно и Эмиля Клапейрона, Герман фон Гельмгольц пришел к выводам, сходным с выводами Гроува, и опубликовал свои теории в своей книге Über die Erhaltung der Kraft ( On the Conservation Силы, 1847). Общее современное признание этого принципа проистекает из этой публикации.

В 1877 году Питер Гатри Тейт утверждал, что этот принцип был создан сэром Исааком Ньютоном на основе творческого прочтения предложений 40 и 41 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica .Сейчас это обычно рассматривается как не более чем пример истории вигов.

Первый закон термодинамики

Энтропия есть функция количества теплоты, показывающая возможность превращения этого тепла в работу.

Для термодинамической системы с фиксированным числом частиц первый закон термодинамики можно сформулировать так:

δQ = dU + δW {\ displaystyle \ delta Q = \ mathrm {d} U + \ delta W \,} или эквивалентно, dU = δQ−δW {\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta Q- \ delta W \,},

, где δQ {\ displaystyle \ delta Q} — количество энергии, добавляемой в систему в процессе нагрева, δ W {\ displaystyle \ delta W} — количество энергии, теряемой системой из-за работе, совершаемой системой над окружающей средой, и представляет собой увеличение внутренней энергии системы.

Значения δ перед терминами теплоты и работы используются для обозначения того, что они описывают приращение энергии, которое следует интерпретировать несколько иначе, чем приращение внутренней энергии. Работа и тепло — это процессы, которые добавляют или вычитают энергию, в то время как внутренняя энергия представляет собой особую форму энергии, связанную с системой. Таким образом, термин «тепловая энергия» для δQ {\ displaystyle \ delta Q} означает «количество энергии, добавленное в результате нагрева», а не относится к конкретной форме энергии.Точно так же термин «рабочая энергия» для δW {\ displaystyle \ delta W} означает «то количество энергии, которое теряется в результате работы». Наиболее важным результатом этого различения является тот факт, что можно ясно указать количество внутренней энергии, которой обладает термодинамическая система, но нельзя сказать, сколько энергии поступило в систему или вышло из нее в результате ее нагревания или охлаждения. , ни в результате работы, выполняемой системой или системой. Проще говоря, это означает, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую.

Для простой сжимаемой системы работа, выполненная системой, может быть записана

δW = PdV {\ displaystyle \ delta W = P \, \ mathrm {d} V},

, где P {\ displaystyle P} — давление, а dV {\ displaystyle dV} — небольшое изменение объема системы, каждая из которых является системной переменной. Тепловая энергия может быть записана

δQ = TdS {\ displaystyle \ delta Q = T \, \ mathrm {d} S},

, где T {\ displaystyle T} — температура, а dS {\ displaystyle \ mathrm {d} S} небольшое изменение энтропии системы.{N} p_ {i} {\ dot {q}} _ {i} -L = const} и pi = ∂L ∂q˙i {\ displaystyle p_ {i} = {\ frac {\ partial L} {\ частичное {\dot {q}}_{i}}}}

, где L — функция Лагранжа. Чтобы эта конкретная форма была действительной, должно выполняться следующее:

• Система склерономная (ни кинетическая, ни потенциальная энергия не являются явной функцией времени)
• Кинетическая энергия представляет собой квадратичную форму относительно скоростей
• Потенциальная энергия не зависит от скорости

Теорема Нётер

Закон сохранения энергии является общей чертой многих физических теорий. С математической точки зрения это понимается как следствие теоремы Нётер, которая утверждает, что каждой симметрии физической теории соответствует сохраняющаяся величина; если симметрия теории инвариантна во времени, то сохраняющаяся величина называется «энергией». Закон сохранения энергии является следствием сдвиговой симметрии времени; сохранение энергии подразумевается эмпирическим фактом, что законы физики не меняются с течением времени. Философски это можно сформулировать так: «ничто не зависит от времени как такового.» Другими словами, если теория инвариантна относительно непрерывной симметрии переноса времени, то ее энергия (которая является канонической величиной, сопряженной времени) сохраняется. И наоборот, теории, не инвариантные относительно сдвигов во времени (например, системы с зависящей от времени потенциальной энергией), не обнаруживают сохранения энергии, если только не считать, что они обмениваются энергией с другой, внешней системой, так что теория расширенной системы становится снова инвариантен во времени. Поскольку любая меняющаяся во времени теория может быть встроена в инвариантную во времени метатеорию, сохранение энергии всегда можно восстановить путем подходящего переопределения того, что такое энергия.Таким образом, сохранение энергии для конечных систем справедливо во всех современных физических теориях, таких как специальная и общая теория относительности и квантовая теория (включая квантовую электродинамику).

Относительность

С формулировкой специальной теории относительности Альбертом Эйнштейном энергия была предложена как один компонент 4-вектора энергии-импульса. Каждая из четырех составляющих (одна из энергии и три из импульса) этого вектора отдельно сохраняется в любой заданной инерциальной системе отсчета.Также сохраняется длина вектора (норма Минковского), которая является массой покоя. Релятивистская энергия одиночной массивной частицы содержит член, связанный с ее массой покоя, в дополнение к ее кинетической энергии движения. В пределе нулевой кинетической энергии (или, что то же самое, в системе покоя массивной частицы или в системе центра импульса для объектов или систем) полная энергия частицы или объекта (включая внутреннюю кинетическую энергию в системах) связана к его массе покоя через известное уравнение E=mc2{\displaystyle E=mc^{2}}. Таким образом, в специальной теории относительности было показано, что правило сохранения энергии является частным случаем более общего правила, которое также называют сохранением массы и энергии, сохранением массы-энергии, сохранением энергии. -импульс, сохранение инвариантной массы, или сейчас обычно просто называют сохранением энергии.

В общей теории относительности сохранение энергии-импульса выражается с помощью псевдотензора энергии-импульса напряжения.

Квантовая теория

В квантовой механике энергия определяется как пропорциональная производной по времени волновой функции. Отсутствие коммутации оператора производной по времени с самим оператором времени математически приводит к принципу неопределенности для времени и энергии: чем больше период времени, тем точнее можно определить энергию (энергия и время становятся сопряженной парой Фурье).

Однако существует глубокое противоречие между исторической оценкой квантовой теорией плотности энергии вакуума во Вселенной и энергией вакуума, предсказанной космологической постоянной. Расчетная разница плотности энергии составляет порядка 10 ¹²⁰ раз. Складывается консенсус в отношении того, что полученная квантовой механикой плотность энергии поля в нулевой точке не сохраняет полную энергию Вселенной и не соответствует нашему пониманию расширения Вселенной. За кулисами в физике предпринимаются интенсивные усилия, чтобы решить эту дилемму и привести ее в соответствие с расширяющейся Вселенной.

См. также

• Теория хаоса
• Термодинамика
• Принцип неопределенности
• Закон сохранения
• Сохранение массы
• Энергетический баланс подземных вод
• Законы термодинамики
• Теорема Нётер
• Основы энергетики
• Преобразование энергии
• Качество энергии

Примечания

1. ↑ А.Л. Лавуазье и П.С. Лаплас, Мемуары о тепле, Académie Royale des Sciences (1780): 4-355.
2. ↑ Дж. Р. фон Майер, Замечания о силах неорганической природы, Annalen der Chemie und Pharmacie 43 (1842): 233.
3. ↑ В. Р. Гроув, Корреляция физических сил, 6-е изд. (Лондон, Великобритания: Longmans, Green, 1874 г.).

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Браун, Т.М. 1965. Информационное письмо EEC-1 об эволюции энергетических концепций от Галилея до Гельмгольца. Американский журнал физики . 33: 759–765.
• Кардуэлл, Д.С.Л. 1971. От Ватта до Клаузиуса: рост термодинамики в раннеиндустриальную эпоху . Лондон, Великобритания: Хайнеманн. ISBN 0435541501.
• Colding, LA 1864. К истории принципа сохранения энергии. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 27: 56–64.
• Гольдштейн, Мартин и Ф. Инге Ф. 1993. Холодильник и Вселенная .Кембридж, Массачусетс: Гарвардский ун-т. Нажмите. ISBN 9780674753242.
• Guillen, M. 1999. Пять уравнений, которые изменили мир . Лондон, Великобритания: Абакус. ISBN 034
  46.
• Хиберт, Э.Н. 1981. Исторические корни принципа сохранения энергии . Мэдисон, Висконсин: Паб Ayer Co. ISBN 0405138806.
• Кремер, Герберт и Чарльз Киттель. 1980. Теплофизика, 2-е изд. Сан-Франциско, Калифорния: W.H. Компания Фримен. ISBN 0716710889.
• Кун, Т.С. 1957. «Энергосбережение как пример одновременного открытия». В М. Клагетт (ред.), Критические проблемы истории науки . Мэдисон, Висконсин: Издательство Висконсинского университета.
• Ланцош, Корнелиус. 1970. Вариационные принципы механики . Торонто, Калифорния: University of Toronto Press. ISBN 0802017436.
• Мах, Э. 1872. История и корни принципов сохранения энергии . Анн-Арбор, Мичиган: University Microfilms International.
• Нолан, Питер Дж. 1996. Основы физики колледжа, 2-е изд. Дубьюк, Айова: Издательство Уильяма К. Брауна. ISBN 9780697121455.
• Окстоби, Дэвид В. и Норман Х. Нахтриб. 1996. Принципы современной химии, 3-е изд. Форт-Уэрт, Техас. Издательство Saunders College. ISBN 9780030059049.
• Папино, Д. 2002. Размышление о сознании . Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780199271153.
• Пуанкаре, Х. 1905. Наука и гипотеза . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: репринт Дувра, 1952. ISBN 0486602214.
• Сартон, Г. 1929. Открытие закона сохранения энергии. Исида 13: 18–49.
• Серуэй, Рэймонд А. и Джон В. Джуэтт. 2004. Физика для ученых и инженеров, 6-е изд. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул. ISBN 0534408427.
• Smith, C. 1998. Наука об энергии: культурная история физики энергии в викторианской Британии . Лондон, Великобритания: Хайнеманн.ISBN 0485114313.
• Стенгер, Виктор Дж. 2000. Вневременная реальность . Амхерст, Нью-Йорк: Книги Прометея. ISBN 9781573928595.
• Типлер, Пол. 2004. Физика для ученых и инженеров: механика, колебания и волны, термодинамика, 5-е изд. Сан-Франциско, Калифорния: W.H. Фриман. ISBN 0716708094.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света писатели и редакторы переписали и дополнили статью Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно осуществляться в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Энергия и материя: различия в дискурсе физических и биологических наук могут сбивать с толку студентов, изучающих биологию | БиоНаука

Аннотация

Специалисты по биологии часто проходят вводные курсы по биологии, химии и физике в течение первых двух лет учебы в колледже. Различные, а иногда и противоречивые рассуждения и объяснения материи и энергии в этих курсах могут способствовать путанице и появлению альтернативных концепций (отличающихся от научного консенсуса) у изучающих биологию.Важная область исследований биологического образования — альтернативные концепции студентов — породила длинный список альтернативных концепций, связанных с пониманием учащимися потоков материи и энергии через биологические системы посредством таких процессов, как фотосинтез и клеточное дыхание. Синтезируя исследовательскую литературу и проводя интервью с преподавателями естественных наук, мы выявили сходства и различия в дискурсе материи и энергии и преподавании в этих различных научных дисциплинах. Это исследование может помочь преподавателям биологии распознать и оценить способы, которыми преподаватели представляют концепции, связанные с энергией и материей, в своих курсах и изменить свой дискурс и методы преподавания, чтобы способствовать обучению и минимизировать путаницу среди своих студентов.

Цитата Айры Гласс (см. ниже) отражает распространенное наивное представление о том, что материя и энергия — синонимы. Хотя на субатомном уровне это утверждение верно (т. е. E = mc ² ), студенты-биологи, формулирующие эту идею, не мыслят субатомно; на самом деле они верят в то, что энергия «превращается» в материю во время таких процессов, как фотосинтез и дыхание (Hartley et al.2011). Этот пример показывает, как учащиеся вводных курсов физики, химии и биологии могут совершенно по-разному воспринимать дискурс (как преподаватели объясняют понятия) о материи и энергии. В настоящей статье мы исследуем такие различия в дискурсе между физиками, химиками и биологами на вводном уровне колледжа, чтобы помочь преподавателям биологии начать объединять концептуальные представления студентов о материи и энергии в этих научных курсах.

«Материя и энергия — разные версии друг друга.И хотя вы можете преобразовать одно в другое, их нельзя создать или уничтожить».

— Айра Гласс, ведущая This American Life , 31 мая 2002 г.

Материя и энергия являются основными понятиями в учебных программах по естественным наукам в средней школе и колледже (College Board 2009, AAAS 2011). Совет колледжей (2009) определил материю и энергию как объединяющую концепцию, которая должна помочь старшеклассникам наладить связи между научными дисциплинами. На уровне колледжа «Видение и изменения в бакалавриате по биологии» (AAAS 2011) определяет движение и преобразование энергии и материи как ключевую концепцию, лежащую в основе биологической грамотности.Такое многократное знакомство с материей и энергией в физических и биологических науках должно укрепить понимание студентами-биологами того и другого. Тем не менее, исследования показывают, что многие студенты-биологи дают объяснения, предполагающие, что материя или энергия могут исчезнуть, предполагая, что материя может стать энергией и наоборот, и которые не учитывают должным образом атомы в процессе трансформации (Wilson et al. 2006, Hartley et al. 2011).

Понимание того, как материя и энергия преобразуются в биологических системах, имеет решающее значение для понимания основного содержания, изучаемого на вводных курсах биологии (таблица 1).Поэтому мы предлагаем, чтобы преподаватели биологии учитывали всю среду обучения, с которой сталкиваются учащиеся, которые могут одновременно изучать вводную биологию, физику и химию. Помощь начинающим преподавателям биологии в понимании различных дискурсов и приложений материи и энергии в научных дисциплинах может улучшить их способность обращаться к представлениям учащихся о материи и энергии, что в конечном итоге приведет к улучшению обучения учащихся.

Таблица 1.

Структура типичного вводного учебного плана по биологии, посвященная сохранению материи и энергии.

.	Материя .		Энергия .
Тема .	Концепция .	Терминология .	Концепция .	Терминология .
Фотосинтез	Вещество превращается из углекислого газа и воды в глюкозу.	Цикл Кальвина, реакции света и темноты, рост растений, чистая первичная продукция	Энергия преобразуется из энергии света в химическую энергию.	Трансмембранные протонные насосы, рост растений, энергия, хранящаяся в биомассе растений
Трансформация	Молекулы транспортируются через живые организмы, расщепляются и превращаются в другие молекулы в процессе роста и распределения биомассы.	Анаболизм, катаболизм, потребление или поедание, распределение и рост биомассы, травоядность, хищничество, связывание	Энергия передается по мере преобразования материи из одного химического вещества в другое.	Пути биосинтеза, рост, биосинтез, поток энергии через пищевые сети, энергетическая пирамида
Окисление	Вещество окисляется до углекислого газа и воды во время дыхания.	Цикл Кребса, гликолиз, гетеротрофное дыхание, автотрофное дыхание, разложение и распад, чистое дыхание экосистемы	Энергия передается по мере того, как материя расщепляется на более простые молекулы, а часть энергии преобразуется и выделяется в виде тепла.	Электронотранспортная цепь, дыхание, движение, регулирование температуры, разложение и распад, потепление атмосферы

.	Материя .		Энергия .
Тема .	Концепция .	Терминология .	Концепция .	Терминология .
Фотосинтез	Вещество превращается из углекислого газа и воды в глюкозу.	Цикл Кальвина, реакции света и темноты, рост растений, чистая первичная продукция	Энергия преобразуется из энергии света в химическую энергию.	Трансмембранные протонные насосы, рост растений, энергия, хранящаяся в биомассе растений
Трансформация	Молекулы транспортируются через живые организмы, расщепляются и превращаются в другие молекулы в процессе роста и распределения биомассы.	Анаболизм, катаболизм, потребление или поедание, распределение и рост биомассы, травоядность, хищничество, связывание	Энергия передается по мере преобразования материи из одного химического вещества в другое.	Пути биосинтеза, рост, биосинтез, поток энергии через пищевые сети, энергетическая пирамида
Окисление	Вещество окисляется до углекислого газа и воды во время дыхания.	Цикл Кребса, гликолиз, гетеротрофное дыхание, автотрофное дыхание, разложение и распад, чистое дыхание экосистемы	Энергия передается по мере того, как материя расщепляется на более простые молекулы, а часть энергии преобразуется и выделяется в виде тепла.	Цепь переноса электронов, дыхание, движение, регулирование температуры, разложение и распад, потепление атмосферы

.	Материя .		Энергия .
Тема .	Концепция .	Терминология .	Концепция .	Терминология .
Фотосинтез	Вещество превращается из углекислого газа и воды в глюкозу.	Цикл Кальвина, реакции света и темноты, рост растений, чистая первичная продукция	Энергия преобразуется из энергии света в химическую энергию.	Трансмембранные протонные насосы, рост растений, энергия, хранящаяся в биомассе растений
Трансформация	Молекулы транспортируются через живые организмы, расщепляются и превращаются в другие молекулы в процессе роста и распределения биомассы.	Анаболизм, катаболизм, потребление или поедание, распределение и рост биомассы, травоядность, хищничество, связывание	Энергия передается по мере преобразования материи из одного химического вещества в другое.	Пути биосинтеза, рост, биосинтез, поток энергии через пищевые сети, энергетическая пирамида
Окисление	Вещество окисляется до углекислого газа и воды во время дыхания.	Цикл Кребса, гликолиз, гетеротрофное дыхание, автотрофное дыхание, разложение и распад, чистое дыхание экосистемы	Энергия передается по мере того, как материя расщепляется на более простые молекулы, а часть энергии преобразуется и выделяется в виде тепла.	Электронотранспортная цепь, дыхание, движение, регулирование температуры, разложение и распад, потепление атмосферы

.	Материя .		Энергия .
Тема .	Концепция .	Терминология .	Концепция .	Терминология .
Фотосинтез	Вещество превращается из углекислого газа и воды в глюкозу.	Цикл Кальвина, реакции света и темноты, рост растений, чистая первичная продукция	Энергия преобразуется из энергии света в химическую энергию.	Трансмембранные протонные насосы, рост растений, энергия, хранящаяся в биомассе растений
Трансформация	Молекулы транспортируются через живые организмы, расщепляются и превращаются в другие молекулы в процессе роста и распределения биомассы.	Анаболизм, катаболизм, потребление или поедание, распределение и рост биомассы, травоядность, хищничество, связывание	Энергия передается по мере преобразования материи из одного химического вещества в другое.	Пути биосинтеза, рост, биосинтез, поток энергии через пищевые сети, энергетическая пирамида
Окисление	Вещество окисляется до углекислого газа и воды во время дыхания.	Цикл Кребса, гликолиз, гетеротрофное дыхание, автотрофное дыхание, разложение и распад, чистое дыхание экосистемы	Энергия передается по мере того, как материя расщепляется на более простые молекулы, а часть энергии преобразуется и выделяется в виде тепла.	Цепь переноса электронов, дыхание, движение, регулирование температуры, разложение и распад, потепление атмосферы

Наша цель в этой статье — сравнить, как вводные учебники по биологии, химии и физике определяют и контекстуализируют материю и энергию; предоставить полезный компактный синтез исследований студенческих представлений о материи и энергии; и сравнить и сопоставить контексты и дискурсы, используемые преподавателями, которые преподают вводную биологию, химию и физику.

Методика обзора текста, обзора литературы и интервью с преподавателями

Учебники содержат контекст, определения и объяснения понятий дисциплины. Для достижения нашей первой цели мы просмотрели популярные учебники по биологии, химии и физике для колледжей (таблица 2), сосредоточившись на определениях энергии и материи в их глоссариях или текстах и ​​на концепциях, связанных с энергией и материей в их указателях.

Таблица 2.

Определения в учебнике и термин-указатель использования материи и энергии.

.	Физика .	Химия .	Биология .
Определение материи	Определения не найдены в глоссарии или вводных главах. a , b , c	Все, что занимает пространство и имеет массу. d Материал вселенной. e	Все, что занимает место и имеет массу. f , g Состоит из атомов. г
Определение энергии	Понятие энергии росло и менялось со временем, и нелегко определить в общем, что такое энергия . a Термин энергия настолько широк, что трудно дать четкое определение.Технически энергия — это скалярная величина, связанная с состоянием (или состоянием) одного или нескольких объектов… Энергия — это число, которое мы связываем с системой из одного или нескольких объектов. c	Способность выполнять работу. d , e Для создания теплового потока. e	Способность выполнять работу. f , g , h , i Вызвать изменения. f , i , j Для создания теплового потока. h Связан с системой (химической или физической). i
Термины и понятия индекса, относящиеся к энергии	Потенциальная энергия, кинетическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия, сохранение энергии, относительность, хранение, транспорт	Химическая энергия, электрическая энергия, теплота, внутренняя энергия, кинетическая энергия, потенциальная энергия, тепловая энергия, энергия связи, теплота, сохранение энергии, передача энергии, внутренняя энергия	Химическая энергия, теплота, кинетическая энергия, тепловая энергия, элементы, бюджеты, катаболические пути, свободная энергия, энергия течение в экосистемах, законы термодинамики, переработка энергии, оцепенение, перенос энергии между трофическими уровнями	Состояние вещества: твердое, жидкое, газообразное; квантовая природа	Элементы, соединения

.	Физика .	Химия .	Биология .
Определение материи	Определения не найдены в глоссарии или вводных главах. a , b , c	Все, что занимает пространство и имеет массу. d Материал вселенной. e	Все, что занимает место и имеет массу. f , g Состоит из атомов. г
Определение энергии	Понятие энергии росло и менялось со временем, и нелегко определить в общем, что такое энергия . a Термин энергия настолько широк, что трудно дать четкое определение. Технически энергия — это скалярная величина, связанная с состоянием (или состоянием) одного или нескольких объектов… Энергия — это число, которое мы связываем с системой из одного или нескольких объектов. c	Способность выполнять работу. d , e Для создания теплового потока. e	Способность выполнять работу. f , g , h , i Вызвать изменения. f , i , j Для создания теплового потока. h Связан с системой (химической или физической). i
Термины и понятия индекса, относящиеся к энергии	Потенциальная энергия, кинетическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия, сохранение энергии, относительность, хранение, транспорт	Химическая энергия, электрическая энергия, теплота, внутренняя энергия, кинетическая энергия, потенциальная энергия, тепловая энергия, энергия связи, теплота, сохранение энергии, передача энергии, внутренняя энергия	Химическая энергия, теплота, кинетическая энергия, тепловая энергия, элементы, бюджеты, катаболические пути, свободная энергия, энергия течение в экосистемах, законы термодинамики, переработка энергии, оцепенение, перенос энергии между трофическими уровнями	Состояние вещества: твердое, жидкое, газообразное; квантовая природа	Элементы, соединения

Таблица 2.

Определения в учебнике и термин-указатель использования материи и энергии.

.	Физика .	Химия .	Биология .
Определение материи	Определения не найдены в глоссарии или вводных главах. a , b , c	Все, что занимает пространство и имеет массу. d Материал вселенной. e	Все, что занимает место и имеет массу. f , g Состоит из атомов. г
Определение энергии	Понятие энергии росло и менялось со временем, и нелегко определить в общем, что такое энергия . a Термин энергия настолько широк, что трудно дать четкое определение. Технически энергия — это скалярная величина, связанная с состоянием (или состоянием) одного или нескольких объектов… Энергия — это число, которое мы связываем с системой из одного или нескольких объектов. c	Способность выполнять работу. d , e Для создания теплового потока. e	Способность выполнять работу. f , g , h , i Вызвать изменения. f , i , j Для создания теплового потока. h Связан с системой (химической или физической). i
Термины и понятия индекса, относящиеся к энергии	Потенциальная энергия, кинетическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия, сохранение энергии, относительность, хранение, транспорт	Химическая энергия, электрическая энергия, теплота, внутренняя энергия, кинетическая энергия, потенциальная энергия, тепловая энергия, энергия связи, теплота, сохранение энергии, передача энергии, внутренняя энергия	Химическая энергия, теплота, кинетическая энергия, тепловая энергия, элементы, бюджеты, катаболические пути, свободная энергия, энергия течение в экосистемах, законы термодинамики, переработка энергии, оцепенение, перенос энергии между трофическими уровнями	Состояние вещества: твердое, жидкое, газообразное; квантовая природа	Элементы, соединения

.	Физика .	Химия .	Биология .
Определение материи	Определения не найдены в глоссарии или вводных главах. a , b , c	Все, что занимает пространство и имеет массу. d Материал вселенной. e	Все, что занимает место и имеет массу. f , g Состоит из атомов. г
Определение энергии	Понятие энергии росло и менялось со временем, и нелегко определить в общем, что такое энергия . a Термин энергия настолько широк, что трудно дать четкое определение. Технически энергия — это скалярная величина, связанная с состоянием (или состоянием) одного или нескольких объектов… Энергия — это число, которое мы связываем с системой из одного или нескольких объектов. c	Способность выполнять работу. d , e Для создания теплового потока. e	Способность выполнять работу. f , g , h , i Вызвать изменения. f , i , j Для создания теплового потока. h Связан с системой (химической или физической). i
Термины и понятия индекса, относящиеся к энергии	Потенциальная энергия, кинетическая энергия, механическая энергия, тепловая энергия, сохранение энергии, относительность, хранение, транспорт	Химическая энергия, электрическая энергия, теплота, внутренняя энергия, кинетическая энергия, потенциальная энергия, тепловая энергия, энергия связи, теплота, сохранение энергии, передача энергии, внутренняя энергия	Химическая энергия, теплота, кинетическая энергия, тепловая энергия, элементы, бюджеты, катаболические пути, свободная энергия, энергия течение в экосистемах, законы термодинамики, переработка энергии, оцепенение, перенос энергии между трофическими уровнями	Состояние вещества: твердое, жидкое, газообразное; квантовая природа	Элементы, соединения

Затем мы рассмотрели опубликованные исследования по биологии, химии и физике в области образования, касающиеся представлений учащихся о материи и энергии. Учитывая глубину этой области исследований (около 4000 опубликованных статей с 1969 г.), мы не представляем исчерпывающий обзор. Скорее, мы детализируем общие темы, касающиеся студенческих концепций энергии и материи, которые возникли в результате нашего широкого чтения литературы.

Наконец, чтобы лучше понять дискурс в классе об энергии и материи, трое из нас (каждый биолог) провели 30–60-минутные полуструктурированные интервью с одним или двумя преподавателями химии и физики колледжа ( n = 5 химиков и n = 4 физика) в наших учреждениях, чтобы раскрыть язык, контексты и шкалу, обычно используемые в их объяснениях явлений, связанных с материей и энергией (см. дополнительный материал, доступный онлайн по адресу http://dx.doi.org/10.1525/bio.2012.62.5.10 , вопросы для интервью). Некоторые вопросы для интервью были взяты из исследования, предназначенного для демонстрации альтернативных представлений студентов-биологов об энергии и материи (Hartley et al. 2011), в то время как другие были основаны на нашем обзоре литературы. Мы записывали и расшифровывали интервью, а затем каждый автор независимо читал стенограммы, чтобы найти общие темы среди ответов преподавателей, уделяя особое внимание сходствам и различиям в дискурсе, используемом преподавателями различных дисциплин.Затем мы обсудили темы, возникшие в результате нашего прочтения стенограмм, согласовали наши интерпретации и вернулись к стенограммам, чтобы убедиться, что все данные соответствуют этим темам. Хотя этот ограниченный набор интервью не может представить всех преподавателей физических наук, он выявил несколько различий в том, как преподаватели естественных наук преподают энергию и материю на вводном уровне.

Наши результаты разделены на три раздела: анализ учебника, обобщение исследований концепций учащихся и результаты интервью.

Определения и представления энергии и материи во вводных учебниках по физике, химии и биологии

Трактовки материи в учебниках заметно отличались от трактовки энергии. Из 10 изученных нами учебников 8 определили энергию , и все они включали энергию в указатель. Только четыре учебника определили материю , а пять включили материю в индекс (таблица 2).

Шесть учебников (пять по биологии, один по химии) описывают энергию как «способность выполнять работу» (таблица 2).Три учебника по биологии содержали идею о том, что энергия может способствовать изменению или вызывать его, а два (один по биологии и один по химии) описывали энергию в связи с движением тепла. Мы видим здесь несколько проблем. Во-первых, некоторые слова (например, мощность , работа , теплота ) лексически неоднозначны (Лемке, 1990), то есть они имеют общеупотребительные разговорные значения, которые могут запутать студентов или противоречить научным значениям. Кроме того, абстрактные термины, такие как работа , могут сбить учащихся с толку.Например, поймут ли учащиеся начального уровня работу, выполняемую при сохранении градиента концентрации через клеточную мембрану или при конденсации аминокислот с образованием белков (Wood-Robinson 1985)?

Контексты, в которых энергия появлялась в указателях учебников, были разными. Во всех учебниках рассматривались различные формы энергии (например, потенциальная, кинетическая, химическая, тепловая; таблица 2). В указателях учебников по биологии явное внимание уделялось движению (например, потоку энергии или переносу через экосистемы) и преобразованиям энергии (например,г., законы превращения). Напротив, подобного дискурса не было видно в указателях учебников физики и химии. Более того, только в двух индексах биологии перечислялись закон сохранения энергии или законы термодинамики , в то время как во всех учебниках по физике и химии они были. Поэтому на основании показателей учебника можно сделать вывод, что сохранение энергии — маловажное понятие в биологии. Вместо этого мы предполагаем, что сохранение энергии является явной темой в текстах по физике и химии, но более неявно обсуждается в биологии.

Материя была кратко определена в четырех учебниках (два учебника по биологии и два учебника по химии) как материал Вселенной или все, что занимает пространство или имеет массу (таблица 2). В одном учебнике по биологии 90 108 материи 90 109 состоят из атомов. В целом, эти определения являются широкими, лишенными контекста и опираются на существующее научное понимание учащихся. В результате такие абстракции могут привести к запоминанию, а не к решению задач. Кроме того, как и в случае энергии , многочисленные лексически неоднозначные термины (например,г., материал , пространство , масса ) может затруднить понимание учащимся.

Контекст, в котором преподается понятие материи, было трудно различить из выбранных учебников. Материя фигурировала в пяти указателях учебников как форм или состояний материи (т. Нам это показалось любопытным, поскольку студенты, изучающие химию и физику, узнают об атомах и молекулах — обо всех формах материи.Возможно, авторы и редакторы учебников рассматривали вопрос как общий зонтичный термин, который им не нужно было определять. Это проблематично, потому что закон сохранения массы или материи является объединяющим научным принципом, который учащиеся должны уметь применять к биологии, физике и химии. Им это может показаться трудным, если они, например, не признают, что атомы и молекулы являются обоими типами материи.

Обычные студенческие альтернативные представления об энергии и материи

Существует множество исследований студенческих представлений об энергии и материи в биологии, химии и физике.Следующее краткое изложение этой работы предназначено для того, чтобы помочь преподавателям лучше оценить распространенные альтернативные концепции и, следовательно, более эффективно преподавать энергию и материю в биологическом контексте.

Энергия

Представления учащихся об энергии широки и различаются по своей сложности. Во-первых, энергия часто используется в повседневном дискурсе ненаучным образом (Brook 1986, Millar 2005, Mohan et al. 2009), что приводит к тому, что этот термин является лексически неоднозначным.Некоторые студенты говорят, что у них «много энергии», приравнивая этот термин к силе и полагая, что энергия связана с физической подготовкой и силой (Brook, 1986). Вторая распространенная идея заключается в том, что энергия — это валюта, которую можно купить или продать (Cachelin et al. 2010). Учащиеся также думают, что энергия может быть израсходована или потеряна (Hartley et al. 2011), и могут обосновать это примерами разряженных аккумуляторов и пустых топливных баков (Ross 1993). В качестве последнего примера учащиеся часто рассматривают энергию как нечто, что позволяет организмам выполнять определенную функцию, а объекты либо нуждаются в энергии, либо обладают ею (Mohan et al.2009).

Эти общие и расплывчатые идеи ограничивают способность учащихся понимать преобразование и сохранение энергии во время процессов биологического преобразования, таких как дыхание и фотосинтез (Андерсон и др., 1986). Многие вообще не применяют закон сохранения энергии и предполагают, что энергия может быть «израсходована» (Kesidou and Duit 1993, Hartley et al. 2011). Другие не учитывают деградацию энергии или преобразование энергии или объединяют материю и энергию, предполагая, что они могут преобразовываться друг в друга (Wilson et al. 2006, Хартли и др. 2011). Например, многие студенты-биологи колледжей не признают энергию в форме, которая не является биологически полезной (например, тепло как продукт клеточного дыхания), и поэтому неправильно понимают деградацию энергии (Hartley et al. 2011). Другая широко распространенная альтернативная концепция заключается в том, что энергия хранится в связях веществ и высвобождается, когда эти связи разрываются, подобно жидкости, вытекающей из разбитой трубы или яйца (Ross 1993). На самом деле энергия должна поставляться для разрыва связей, а не высвобождаться при их разрыве.Неправильное понимание природы и роли энергии может привести к упрощенным одномерным объяснениям биологических систем.

Материя

Преподаватели биологии могут многое узнать об альтернативных представлениях учащихся о материи из исследований в области химии, физики и биологии. Например, во многих исследованиях выявляются альтернативные представления студентов о газах, в том числе о том, что газы могут исчезать, что они невесомы или имеют малый вес (т. г., Цетин и др. 2009). Эти идеи имеют значение для обучения биологии, потому что сохранение материи имеет фундаментальное значение для понимания учащимися многих метаболических процессов. Например, Хартли и его коллеги (2011) процитировали рассказ студента колледжа о фотосинтезе: «[двуокись углерода] действительно увеличивает вес, но не сильно, [потому что] газ [не имеет] большой массы [и] не занимает много вес.» Учащиеся, которые игнорируют или неправильно понимают сохранение вещества для газообразных реагентов и продуктов, могут не понять, как клеточное дыхание приводит к потере углекислого газа организмами или что атмосфера является источником углерода при фотосинтезе.

Химическое образование выявило множество альтернативных представлений о дисперсной природе материи. Например, Ададан и его коллеги (2009) попросили студентов-химиков нарисовать твердые тела, жидкости и газы на субмикроскопическом уровне; более половины рисовали твердые тела сплошными и однородными (без частиц), в отличие от жидкостей (крупные частицы) и газов (мелкие частицы). Такие представления могут ограничивать понимание учащимися молекулярного движения и превращений в биологических системах.Эти идеи существуют из-за проблем с интерпретацией того, что мы можем и чего не можем видеть. Хотя преподаватели интуитивно делают концептуальные сдвиги между наблюдаемыми и микроскопическими явлениями (Maskiewicz 2006), студенты изо всех сил пытаются понять взаимодействия между атомами и молекулами, которые невидимы, а затем применить эти идеи к повседневным макроскопическим явлениям. Даже некоторые студенты-химики старших курсов придерживаются наивных представлений о размерах атомов (Хайдар, 1997). Третий уровень понимания — символическое представление атомов и молекул в уравнениях и моделях — также бросает вызов концептуальному пониманию учащимися материи (Gabel 1999).

Наконец, во многих исследованиях описывается применение учащимися способности действовать в природных явлениях: События происходят, потому что они «необходимы» или вызваны внешней силой (например, Tamir and Zohar 1991). Родственная идея состоит в том, что вещи имеют естественный и предопределенный способ существования. Такие идеи очевидны в описаниях, что «вода вызывает растворение соли», вода существует потому, что водороду «нужен электрон на его внешней оболочке, а кислороду нужно два» и «когда вы соедините две вещи, они всегда будут реагировать» (Табер). и Гарсия-Франко, 2010 г.).Приписывание агентности может помешать учащимся думать о процессах и механизмах. Если растения фотосинтезируют, а животные дышат по «необходимости», учащиеся могут не найти причин думать об основных механизмах.

Результаты интервью с преподавателями

Интервью с преподавателями, которые преподают вводную химию или физику, выявили различия в дискурсе и контекстах, касающихся материи и энергии. Как и ожидалось, ученые-физики, как и биологи, опираются в своих курсах на законы сохранения материи и энергии.Тем не менее, мы выявили три явных различия в том, как обсуждались и применялись материя и энергия: границы, которые преподаватели проводили вокруг систем, то, как преподаватели прослеживали материю и энергию внутри систем, и различие между материей и энергией.

Нанесение границ вокруг систем

На вводных курсах по биологии живые системы изучаются в различных масштабах — субатомном, атомарном, молекулярном, субклеточном, клеточном, организменном, экосистемном и глобальном — и связанные темы вполне могут быть представлены на разных этапах курса.Например, то, что учащиеся узнают о фиксации углерода и цикле Кальвина, может стать основой для их понимания функций растений и метаболизма всей экосистемы. Однако учащимся трудно определить подходящий масштаб, на котором можно рассуждать о биологическом процессе (Maskiewicz 2006, Wilson et al. 2006, Hartley et al. 2011). Напротив, преподаватели естественных наук легко отслеживают материю и энергию в различных масштабах. Например, экологи, рассматривающие вопросы динамики углерода в экосистемах, обычно думают об углероде в элементарной и молекулярной форме, в клетках, в организмах и в экосистеме в целом.Мы предполагаем, что автоматический характер этого рассуждения может объяснить, почему преподаватели могут не осознавать, что это проблема для их студентов.

Границы, которые биологи рассматривают в отношении энергии и материи, определяются конкретными системами (например, телом, экосистемой), с которыми мы имеем дело. Биологи могли бы проследить «поток» энергии в растительную клетку в виде ассимилированной лучистой энергии (и, следовательно, биологически полезной) и энергии, покидающей клетку в виде органических соединений (также полезной).Энергия, не используемая для выполнения метаболической работы, может не учитываться. Хотя учителя биологии признают, что неучтенная энергия не «потеряна», удивительное количество студентов, изучающих биологию начального уровня, считают, что энергия действительно может быть «потеряна» (Hartley et al. 2011), в отличие от того, что она не потеряна, а биологически недоступна.

В отличие от этого, физики могут быть более точными в отношении сохранения энергии, возможно, потому, что область их внимания простирается от субатомного масштаба до Вселенной.Действительно, трое из четырех опрошенных нами физиков четко определили границы системы при обсуждении энергии. Физик 1 сказал, что «энергия сохраняется, и тогда, я думаю, нужно подумать о том, каковы границы вашей системы?» Обсуждая энергию, физик 2 сказал, что уделяет пристальное внимание тому, «каковы ваши границы, что входит и что уходит». Физик 3 ответил аналогичным образом на вопрос интервью о круговороте материи и энергии в тропическом лесу (вставка 1, цитата 1).

Вставка 1. Ответы на интервью относительно представлений учащихся о материи и энергии

Проведение границ вокруг систем

Цитата 1

Физик 3: «[В тропическом лесу] физик может говорить о… границах этой системы. Так что, если это закрытая система, если это тропический лес… вся энергия там рециркулируется внутри системы».

Цитата 2

Химик 1: «Граница означает весь тропический лес… вы говорите об экосистеме?… Когда [так в оригинале] мы даем ученикам задачи, индивидуальные задачи для решения, и мы фактически заставляем их вычислять, как система отдает много тепла.Когда мы говорим о системе , это что-то очень маленькое».

Цитата 3

Химик 3: «Можно сравнить энергию реагентов и продуктов, и тогда, если что-то — скажем, реагенты имеют более высокую энергию, а затем продукты с более низкой энергией, вот это изменение и так что это, возможно, выделяется как тепло».

Цитата 4

Химик 3: «Когда мы говорим об энергии или материи, мы не используем слово переработанное . Мы говорим больше в общем контексте, так что энергия, знаете ли, не создается и не уничтожается, она сохраняется, переходит из одной формы в другую…На самом деле, по большому счету, когда мы говорим, что «энергия сохраняется», это действительно похоже на вселенную».

Отслеживание материи и энергии в системе

Цитата 5

Физик 3: «Я думаю об энергии с точки зрения переноса…. На уровне того, о чем мы чаще всего говорим в физике, энергия, содержащаяся в сущности, передается какой-либо другой сущности или состоянию. Тепловая энергия. Теплопередача. У вас должен быть градиент для передачи энергии».

Цитата 6

Физик 2: «И в системе, если энергия уходит или каким-то образом исчезает, [мы говорим]: «О, давайте проследим, куда ушла эта энергия», и тогда мы определим это как некую другую форму». энергии.

Цитата 7

Физик 3: «Поэтому я бы, наверное, сказал, что глюкоза обладает энергией, а АТФ [аденозинтрифосфат] имеет энергию. И что-то между ними произошло [что] передало эту энергию. И меня… на самом деле не волнует механизм… Все, что меня беспокоит, когда я думаю об энергии, это то, что энергия здесь передавалась энергии там. Вероятно, это было не на 100%. Никогда ничего не бывает на 100%. Итак, что-то произошло, но это поток энергии».

Цитата 8

Химик 2: «Итак, одно из самых больших заблуждений в химии состоит в том, что при разрыве связей выделяется энергия.Это так неправильно. Энергия вырывается наружу, когда вы формируете связи. Неправильный! Вы разрываете связи в глюкозе, вкладываете энергию, но затем при образовании углекислого газа и воды вы теряете энергию, высвобождается энергия… Это формирование более стабильной системы, передающей энергию. Таким образом, энергия глюкозы высвобождается при образовании углекислого газа и воды… Это просто разница в энергии между углекислым газом и водой и [между] глюкозой и кислородом. Реакции связаны молекулярным образом.

Цитата 9

Химик 3: «Ученые часто говорят, что энергия хранится в химических связях или в химическом соединении, что может звучать так, как будто разрыв связей в соединении высвобождает энергию. Например, в биологии мы часто слышим, что энергия хранится в глюкозе или в АТФ. Однако разрыв химической связи всегда требует энергии. Когда ученые говорят, что в соединении хранится энергия или что соединение богато энергией, это означает, что соединение может вступать в реакцию, в которой слабые связи разрываются и образуются сильные связи, высвобождая энергию.Энергию всегда высвобождает образование химических связей». (Tro 2010, стр. 388–389)

Цитата 10

Химик 2: «Когда вы переходите от АТФ к АДФ [аденозиндифосфату], и вы отрываете фосфат… Так что я думаю, что это черный ящик, просто АТФ идет на АДФ, а затем вы получаете фосфат, а затем вы получаете энергию… но… P для нас — это фосфор, а не фосфат».

Объединение материи и энергии

Цитата 11

Физик 3: «Поскольку E = mc ² , то сейчас мы говорим о какой-то особой ситуации в физике.Так что я не думаю, что это обязательно применимо к повседневной жизни. Итак, несмотря на то, что между материей и энергией существует эквивалентность, в биологическом контексте материя не может стать энергией».

Цитата 12

Физик 1: «В контексте химии и биологии материя и энергия — две разные вещи… [но это не] верно, когда вы имеете дело с ядерными процессами или процессами физики высоких энергий, физикой элементарных частиц. ”

Четверо из пяти опрошенных нами химиков также явно определили границы системы, но здесь границы определялись химическими реакциями на молекулярном уровне.Отвечая на вопрос о тропических лесах, химик 1 объяснила, что в тропических лесах ее шкала интереса находится на уровне химических реакций в этой системе (вставка 1, цитата 2). Интересно, что при обсуждении энергии все опрошенные химики упомянули, что границы охватывают вселенную: например, химик 2 сказал: «Но мы говорим о том, что тепло, работа и энергия теряются, а система получает и теряет их, Вселенная обретает его и теряет вокруг себя». Тем не менее, проблемы и задачи, с которыми учащиеся сталкиваются при рассмотрении энергии, относятся к масштабу химической реакции (вставка 1, цитата 3).Таким образом, все пять химиков конкретно ссылались на очень большие и очень малые масштабы и на передачу энергии через эти масштабы и системы отсчета, и они тщательно определяли формы энергии (например, тепловая, химическая), которые они описывали. Опять же, эта небольшая выборка не может представлять всех химиков; скорее, эти инструкторы показывают, что значит для инструкторов тщательно описывать и определять термины и системные границы, связанные с энергией и материей.

Наконец, вопрос интервью, посвященный повторному использованию углерода в сравнении с «потерей» энергии в экосистеме, привел к длительным и временами запутанным обсуждениям терминов переработка и потерянный .Говоря о тропическом лесу, биолог не считает энергию переработанной, потому что после преобразования энергии в тепло живые системы больше не могут использовать ее для метаболических процессов. Напротив, физики приравняли отслеживание энергии к рециркуляции энергии. Трое химиков заявили, что они вообще не будут использовать термин переработанный при обсуждении энергии или материи (вставка 1, цитата 4). Термин , переработанный , кажется, подразумевает разные значения для этих дисциплин, потому что ученые сосредотачиваются на разных аспектах системы.Это показывает, как учащиеся могут быть сбиты с толку использованием слов на уроках биологии и физики.

Отслеживание материи и энергии в системе

В соответствии с приведенными выше цитатами мы обнаружили, что все четыре физика, опрошенных нами, подчеркивали движение энергии в систему и из нее, в то время как пятеро химиков придавали большее значение движению энергии внутри системы. Напротив, биологи, как правило, сосредоточивались на процессах, которые облегчают передачу энергии в живых системах.Таким образом, студентов, изучающих вводную химию, биологию и физику, можно попросить объяснить детали энергии систем с различной степенью специфичности.

Физики, с которыми мы беседовали, обычно фокусировались на движении энергии, говоря об энергии как о движении от чего-то или к чему-то (вставка 1, цитаты 5 и 6). Кроме того, все четыре физика проследили вход и выход энергии из системы; детали преобразования энергии внутри системы были менее важны. Например, когда его спросили, как глюкоза в винограде обеспечивает энергию для движения пальца, физик 3 объяснил, что конкретные механизмы для него не важны (вставка 1, цитата 7).

Напротив, все пять химиков в первую очередь интересовались механизмами и отслеживанием энергии реагентов и продуктов на протяжении всего их превращения. Химик 3 сказал: «Ваши реагенты по сравнению с вашими продуктами будут иметь некоторый уровень потенциальной энергии… если реагенты имеют более высокую потенциальную энергию, а… [] продукты имеют более низкую потенциальную энергию, происходит высвобождение энергии». На курсах биологии студентов редко просят учитывать энергию количественно или явно отслеживать энергию, и химики стремились осветить некоторые из ошибок биологов в этом вопросе, особенно в отношении концепции химической реакции. облигации (вставка 1, цитата 8).Идея о том, что определенные химические связи хранят большое количество энергии, например, фосфатные связи в АТФ (аденозинтрифосфат), подвергалась критике в течение почти 30 лет (Wood-Robinson 1985), но все еще сохраняется в курсах биологии. Все пять химиков также подвергли критике неверное представление о том, что «разрыв связей высвобождает энергию» (например, дыхание высвобождает энергию, содержащуюся в высокоэнергетических связях органических молекул). Химик 1 предположил, что дискурс и отсутствие практики учета энергии в биологии могут увековечить эту концепцию, тогда как химик 3 поделился выдержкой из текста, иллюстрирующей этот момент (вставка 1, цитата 9).

Из наших интервью стало ясно, что отслеживание материи в системе так же важно для химиков, как и отслеживание энергии. Преподаватели химии прямо требовали от студентов количественно отслеживать атомы и молекулы. Один из опрошенных предположил, что склонность биологов к черному ящику (или неспособности объяснить подробно) ферментативным реакциям биологических процессов вполне может сбить студентов с толку в отношении трассировки (вставка 1, цитата 10). Аргумент химика 2 состоит в том, что P в химии представляет собой атом фосфора, а не фосфатную группу.Таким образом, биологи могут сбивать с толку студентов, которые учатся следить за атомами через биологические механизмы и в различных организационных масштабах.

Объединение материи и энергии

Наш последний вывод из интервью возвращает нас к цитате Айры Гласс. С биологической точки зрения материя и энергия различны; материя проходит через клетки, организмы и экосистемы, тогда как энергия может течь через эти системы и деградировать. Однако каждый из нас сталкивался со студентами-биологами начального уровня, которые говорили нам, что материя и энергия взаимозаменяемы, ссылаясь на E = mc ² .Первоначально мы предполагали, что эта вера зародилась на уроках физики, но интервью с физиками привели нас к другой гипотезе: что учащиеся получают представление о E = mc ² из популярных средств массовой информации, таких как This American Life , или из повседневные разговоры. С точки зрения физика, хотя материя может быть создана из энергии в небольшом масштабе (например, в физике элементарных частиц), материя и энергия не взаимозаменяемы на клеточном или организменном уровне (вставка 1, цитаты 11 и 12).Замешательство студентов в конечном итоге возникает из-за непонимания ими физики высоких энергий и критической важности масштаба в данном конкретном случае.

Обучающие вмешательства

Как преподаватели биологии могут помочь учащимся начального уровня сориентироваться в таких различиях в рассуждениях и концепциях энергии и материи? Преподаватели естественных наук предложили несколько предложений, чтобы способствовать научному пониманию учащимися материи и энергии и их применению этого понимания.

Энергия как абстрактное понятие очень трудно преподавать и изучать, что приводит к спорам о том, как следует преподавать энергию в младших классах колледжа (Millar 2005). Например, Kesidou и Duit (1993) рекомендовали вместе обучать концепциям деградации энергии (энергия становится менее пригодной для использования) и энергосбережению . Наш обзор учебника предполагает, что деградации энергии уделяется меньше внимания, чем энергосбережению. Соломон (1985, стр. 169) рекомендовал добавить «в конце такое же количество энергии, как и в начале» к фразе «энергия никогда не может быть создана или уничтожена.Здесь фраза «такой же, как» предназначена для того, чтобы побудить учащихся учитывать энергию. Конечно, обучение студентов рутинному учету энергии было бы полезно. Также ведутся споры о качественном или количественном введении энергии (Duit 1987, Millar 2005). Уоррен (1982) утверждал, что энергия должна быть представлена ​​с самого начала как абстрактное математическое понятие, потому что качественное рассмотрение делает энергию похожей на невидимую, неосязаемую субстанцию, которая может перетекать с места на место. Другие рассматривают качественную обработку как полезный способ упростить сложную идею (Millar 2005).

Многочисленные исследования предвзятых представлений студентов о материи привели к большому количеству исследований возможных вмешательств. Визуализация — просьба к учащимся представить свое понимание визуально — была плодотворной областью исследований. Например, Harrison and Treagust (1996) изучали студенческие наброски атомов, которые включали такие модели, как солнечные системы, одиночные и множественные орбиты, а также электронные облака, размеры которых различались на порядки. Это исследование привело к рекомендации, чтобы преподаватели предоставляли студентам возможность рисовать свои концепции.Использование компьютеров, чтобы помочь учащимся лучше визуализировать микроскопические явления, является захватывающей областью исследований в области химии (например, Cetin 2009). Наконец, существует большое количество литературы по концептуальным перечням в физических науках — наборы вопросов, основанные на исследованиях, предназначенные для выявления альтернативных концепций студентов. Например, Бирк и Курц (1999) использовали двухуровневый диагностический тест (каждый вопрос с несколькими вариантами ответов требовал краткого объяснения) по ковалентной связи и структуре и показали, что даже некоторым аспирантам было трудно связать различные типы символических представлений молекулы (такие как молекулярные формулы и формы) друг к другу, например. Утвержденные концептуальные перечни, подобные этому, являются полезными инструментами, помогающими преподавателям распознавать особенно проблемные аспекты понимания учащимися энергии и материи и оценивать подходы, такие как активное обучение, которые предназначены для улучшения понимания (D’Avanzo 2008).

Важные уроки и возможности для преподавателей

В целом мы обнаружили как сходства, так и различия в отношении контекстов и дискурсивных практик между тремя дисциплинами в отношении материи и энергии.Преподаватели всех трех дисциплин применяли законы термодинамики, чтобы ограничить представления о том, что возможно и что невозможно, но вопрос о том, являются ли законы термодинамики явной частью курса, различался между ними. Мы обнаружили, что используемый язык или дискурс и обсуждаемые системные границы в разных дисциплинах принципиально различались. Например, на уроке химии от учащегося может неявно требоваться провести границы вокруг молекулярной реакции, тогда как в физике границей может быть вся вселенная, а в биологии границей может быть тело организма или экосистема. Четкое понимание границ системы оказывает прямое влияние на то, как далеко учащиеся решат проследить материю и энергию и считают ли они, что материя и энергия сохраняются. Различия в дискурсе и границах между дисциплинами редко объясняются студентам.

Мы также обнаружили, что многие из рассмотренных нами учебников по естествознанию не были организованы таким образом, чтобы они соответствовали или облегчали преподавание основных понятий биологической грамотности, которая включает понимание путей и преобразований материи и энергии.Действительно, хотя учебники представляют собой ценные сборники фундаментальных знаний в какой-либо области, они обычно не освещают взаимосвязь между биологией, химией и физикой. Например, простой и лаконичный характер определений материи и энергии из учебников способствует механическому запоминанию, но мало способствует системному подходу к размышлениям о решениях научных проблем.

Наши выводы позволяют извлечь несколько важных уроков и открыть возможности для преподавателей биологии. Во-первых, мы должны признать, что учащиеся приходят в наши классы с широким спектром альтернативных идей об энергии и материи, которых мы, возможно, не ожидали. Преподаватели биологии могут способствовать обучению студентов, точно объясняя понятия, связанные с материей или энергией. При этом мы должны осознавать, что язык, который является лексически неоднозначным, несет в себе множественные и часто противоречивые значения для наших студентов. Такой язык вместо того, чтобы прояснять сложные понятия, может еще больше запутать.Учителя могут также объяснить учащимся, как биологи учитывают и описывают энергию и материю, в отличие от того, как это делают физики и химики. В качестве последнего предложения преподаватели часто используют аналогии и метафоры в качестве инструментов для объяснения сложных или абстрактных понятий с намерением помочь учащимся понять их, сопоставляя сложные идеи со знакомым аналогом (Дуит, 1991). Однако такой подход может привести к искажениям и недоразумениям. Например, Venville и Treagust (1997) объяснили, как биологические аналогии могут быть обоюдоострым мечом: полезным в одних случаях или приводящим к альтернативным концепциям студентов в других случаях.

Исследования показывают, что учащиеся не передают предварительные знания между дисциплинами или даже между масштабами в рамках одной и той же дисциплины (например, от одной клетки ко всему организму; Maskiewicz 2006). Поскольку шкала, на которой мы рассуждаем, определяет наш дискурс (т. е. то, что мы прямо говорим нашим студентам и что мы не говорим), мы предполагаем, что проблемы со скалярным мышлением являются основной причиной ошибочных рассуждений некоторых студентов о материи и энергии. Студент, проходящий курсы по трем дисциплинам, может изучать энергию, например, в масштабах от субатомного до вселенной и всего, что между ними.Поэтому мы считаем, что повышение осведомленности преподавателей о различиях в том, как биологи, химики и физики рассуждают о материи и энергии, может помочь учащимся использовать и интегрировать предыдущие знания, что приведет к лучшему пониманию.

Наши собственные научные концепции мира природы часто очевидны для нас: мы понимаем, где проходят границы системы, мы можем идентифицировать компоненты, составляющие систему, мы понимаем, как эти компоненты взаимодействуют, и мы можем рассуждать в масштабах времени и космос (Бен-Цви Ассараф и Орион, 2010). Короче говоря, биологи являются экспертами в области системного мышления. Иногда мы можем забывать, что студенты только начинают думать и рассуждать о системах. Системное мышление далеко не тривиально для изучения и преподавания (Hmelo-Silver and Azevedo 2006), но текущие призывы к реформированию вводной биологии явно включают системное мышление в качестве основной концепции биологической грамотности (AAAS 2011), и поэтому мы должны обучать наших студенты должны думать об энергии и материи с системной точки зрения.

Наконец, мы задаемся вопросом, каков правильный подход к изучению материи и энергии во вводном курсе биологии.В ответ мы призываем преподавателей биологии общаться с преподавателями физики и химии, которые преподают вводные курсы, чтобы можно было определить общие контексты и поделиться ими со студентами. Такие курсы, как «Интегрированная наука» в Принстоне и учебная программа «Объединение дисциплин с аутентичным исследованием и дискурсом» в Мичиганском государственном университете признают важность работы преподавателей вне дисциплинарных границ для развития у студентов способности передавать идеи между курсами. Хотя мы понимаем, что интегрированные учебные программы не осуществимы в каждом университете, простое обсуждение наших курсов и выявление общих контекстов может способствовать более комплексному пониманию материи и энергии для наших студентов.

Благодарности

Этот проект был поддержан каталитическим мини-грантом, предоставленным авторам в рамках гранта сети координации исследований Национального научного фонда (DBI-0840911) и включен в файл Institutional Review Board No.SM11111 в Государственном университете Северной Дакоты. На этот проект также повлияла премия Национального научного фонда Отделения бакалавриата. 0

2, 0

6 и 0127388. Мы благодарим анонимных преподавателей, которые согласились дать интервью для этого исследования.

Приведенные ссылки

[AAAS] Американская ассоциация развития науки

.

2011

.

Видение и изменения в бакалавриате биологического образования: призыв к действию

.

АААС

.

.

2009

.

Влияние многопредставительного обучения на концептуальное понимание учащимися средней школы природы частиц материи

.

Международный журнал научного образования

31

:

1743

–

1775

.

.

1986

.

Влияние инструкций на представления неспециалистов колледжа о дыхании и фотосинтезе

.

Серия исследований №. 164

.

Институт исследований в области преподавания Мичиганского государственного университета

.

.

2010

.

Четыре тематических исследования, шесть лет спустя: развитие навыков системного мышления в младших классах средней школы и их поддержание в течение долгого времени

.

Journal of Research in Science Teaching

47

:

1253

–

1280

.

.

1999

.

Влияние опыта на сохранение и устранение неправильных представлений о молекулярной структуре и связи

.

Журнал химического образования

76

:

124

–

128

.

.

1986

.

Детское понимание представлений об энергии: Обзор литературы

. Страницы

33

–

45

в , изд.

Энергетика имеет значение

.

Центр изучения математики и естественных наук

.

.

2008

.

Биология

, 1-е изд.

Макгроу-Хилл

.

.

2010

.

Языковые фолы в преподавании экологии: почему традиционные метафоры подрывают грамотность в области охраны природы

.

Биология сохранения

24

:

669

–

674

.

.

2007

.

Биология

, 8-е изд.

Пирсон

.

.

2009

.

Содействие концептуальному изменению концепций газов

.

Журнал науки, образования и технологий

18

:

130

–

137

.

Совет колледжа

.

2009

.

Наука: стандарты Совета колледжей для успешного обучения в колледже

.

Совет колледжа

.

.

2008

.

Инвентаризация концепций биологии: обзор, статус и последующие шаги

.

BioScience

58

:

1079

–

1085

.

.

1987

.

Должна ли энергия изображаться как нечто квазиматериальное?

Международный научно-образовательный журнал

9

:

139

–

145

.

.

1991

.

О роли аналогий и метафор в обучении науке

.

Научное образование

75

:

649

–

672

.

.

2011

.

Биологические науки

, 4-е изд.

Пирсон

.

.

1999

.

Улучшение преподавания и обучения с помощью исследований в области химического образования: взгляд в будущее

.

Журнал химического образования

76

:

548

–

554

.

.

1997

.

Представления будущих учителей химии о сохранении материи и связанных с ними понятиях

.

Journal of Research in Science Teaching

34

:

181

–

197

.

ред.

2011

.

Основы физики

, 9-е изд.

Вили

.

.

1996

.

Умственные модели атомов и молекул учащихся средней школы: значение для преподавания химии

.

Научное образование

80

:

509

–

534

.

.

2011

.

Понимание студентами колледжей углеродного цикла: противопоставление основанных на принципах и неформальных рассуждений

.

BioScience

61

:

65

–

75

.

.

2006

.

Понимание сложных систем: некоторые основные проблемы

.

Journal of the Learning Sciences

15

:

53

–

61

.

.

1993

.

Представление студентов о втором законе термодинамики: интерпретационное исследование

.

Journal of Research in Science Teaching

30

:

85

–

106

.

.

2008

.

Физика для ученых и инженеров: стратегический подход

, 2-е изд.

Пирсон

.

.

1990

.

Говорящая наука: язык, обучение и ценности

.

Аблекс

.

.

2006

.

Применение инструкций на основе DNR к изучению и преподаванию экологии

. Документ, представленный на ежегодной конференции

Национальной ассоциации исследований в области преподавания естественных наук; 3–6 апреля 2006 г., Сан-Франциско, Калифорния,

.

.

2005

.

Учение об Энергии

.

Факультет педагогических исследований Йоркского университета

.

Исследовательская работа №. 2005/11

.

.

2009

.

Разработка многолетней программы обучения круговороту углерода в социально-экологических системах

.

Journal of Research in Science Teaching

46

:

675

–

698

.

.

2008

.

Биология

, 8-е изд.

Макгроу Хилл

.

.

1993

.

В еде и топливе нет энергии, но они имеют топливную ценность

.

School Science Review

75

:

39

–

47

.

.

2011

.

Жизнь: Биология

, 9-е изд.

Издательство Saunders College

.

.

1999

.

Колледж физики

, 5-е изд.

Издательство Saunders College

.

.

1985

.

Обучение сохранению энергии

.

Физическое образование

20

:

165

–

170

.

.

2010

.

Процессы обучения в химии: использование когнитивных ресурсов для изучения структуры частиц вещества

.

Журнал учебных наук

19

:

99

–

142

.

.

1991

.

Антропоморфизм и телеология в рассуждениях о биологических явлениях

.

Научное образование

75

:

57

–

67

.

.

2010

.

Основы химии: молекулярный подход

.

Пирсон

.

.

1997

.

Аналогии в биологическом образовании: спорный вопрос

.

Американский учитель биологии

59

:

282

–

287

.

.

1982

.

Природа энергии

.

European Journal of Science Education

4

:

295

–

297

.

.

2006

.

Оценка способности учащихся отслеживать материю в динамических системах в клеточной биологии

.

CBE Life Science Education

5

:

323

–

331

.

.

1985

.

Энергия — точка зрения биолога

. Страницы

53

–

57

в , изд.

Энергетика имеет значение

.

Центр изучения математики и естественных наук Университета Лидса

.

.

2007

.

Химия

, 7-е изд.

Хоутон Миффлин

.

Примечания автора

© 2012 Американский институт биологических наук

Эпистемологические основы энергетической модели Фрейда

Front Psychol. 2018; 9: 1861.

Jessica Tran

¹

¹ Agalma Foundation, Женева, Швейцария

²

² Департамент психоаналитических исследований, Париж 7 Дитерот Университет, Париж, Франция

³ Институт медицинских гуманитарных наук, Университет Де Лозанна, Лозанна, Швейцария

Пьер Маджистретти

¹ Фонд Агальма, Женева, Швейцария

⁴ Кафедра психиатрии, медицинский факультет, Институт мозга и разума, Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанне, Лозанна, Швейцария

7 ⁵ Отдел биологических и экологических наук и инженерии Университета науки и технологии им. короля Абдуллы, Тувал, Саудовская Аравия

François Ansermet

¹ Фонд Агалмы, Женева, Швейцария

⁶ Факультет психиатрии Медицина, Женевский университет, Женева, Швейцария

^{1 900 03 Фонд Агальма, Женева, Швейцария}

² Кафедра психоаналитических исследований, Париж 7 Университет Дидро, Париж, Франция

³ Гуманитарный медицинский институт, Лозаннский университет, Лозанна, Швейцария

3 Факультет психиатрии , Медицинский факультет, Институт мозга и разума, Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанне, Лозанна, Швейцария

⁵ Отдел биологических и экологических наук и инженерии, Университет науки и технологии имени короля Абдуллы, Тувал, Саудовская Аравия

⁶ Кафедра психиатрии, Медицинский факультет, Женевский университет, Женева, Швейцария

Под редакцией: Джима Хопкинса, Университетский колледж Лондона, Соединенное Королевство

Рецензент: Майкл Б. Бухгольц, Международный психоаналитический университет Берлина, Германия; Claudio Colace, Azienda Sanitaria Locale di Viterbo, Italy

Эта статья была отправлена ​​в Psychoanalysis and Neuropsychoanalysis, раздел журнала Frontiers in Psychology

Поступила в редакцию 28 июня 2018 г.; Принято 11 сентября 2018 г.

Copyright © 2018 Tran The, Magistretti and Ansermet.

Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY). Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания оригинального автора(ов) и владельца(ей) авторских прав и при условии цитирования оригинальной публикации в этом журнале в соответствии с общепринятой академической практикой.Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

Целью этой статьи является прояснение эпистемологических основ модели энергетики Фрейда, начиная с исторического обзора научного контекста XIX века, в котором исследования Фрейда заложили свои корни. Помимо физиологических и анатомических отсылок Проекта по научной психологии (Freud, 1895a), физиология, на которую ссылается Фрейд, на самом деле в первую очередь опирается на эпистемологическую модель, полученную из физики.В то время как за Рейном автономия физиологии по отношению к физике была далека от завершения, в качестве контрапункта во Франции революция в физиологии, инициированная Клодом Бернаром, утвердилась независимо от физики. Напротив, в научном ландшафте Фрейда всецело доминирует физика, возведенная в ранг идеальной науки. Влияние Гельмгольца, врача и физика, оказало определяющее влияние на образование Фрейда. Открытия в физике того времени, в частности формулировка принципа «сохранения силы» — первого принципа термодинамики, — составят точки отсчета, на основе которых Фрейд разработает свою энергетическую модель, а затем идею экономии в его метапсихология.Таким образом, мы можем проследить как исторический, так и эпистемологический путь, который привел Фрейда от концепции, основанной на физике, и, в частности, на термодинамической энергии, к идее нервной энергии, которая составляет основу концепции «количества», сформулированной как «первая фундаментальная идея» в проекте по научной психологии (Фрейд, 1895а). Это понятие будет впоследствии развиваться и приведет Фрейда к введению понятия «психической энергии», на этот раз в чисто метапсихологическом смысле.

Ключевые слова: энергия, Фрейд, термодинамика, эпистемология, Гельмгольц, физика его первые формулировки по модели энергетики. В 1895 году Фрейд в «Проекте научной психологии» предложил первый принцип функционирования психики, «принцип нейрональной инерции» (Freud, 1895a, p.296). Фрейд определил это как тенденцию нейронов полностью избавляться от количества возбуждения (эндогенного или экзогенного), прорывающегося в психический аппарат. Таким образом, основная функция этого аппарата должна состоять в том, чтобы уменьшить количество свободной энергии до минимально возможного уровня — в идеале до «уровня = нуля». Эта фундаментальная гипотеза всего экономического измерения фрейдистской метапсихологии, которая позже будет уточнена в определениях принципа удовольствия и влечения к смерти, недавно была представлена ​​в перспективе благодаря нейробиологической работе Карла Фристона и его коллег. Действительно, Фристон и его коллеги рассматривают функционирование головного мозга с точки зрения байесовского подхода, цель которого состоит в том, чтобы избежать слишком больших вариаций количества свободной энергии, исходящей от наших сенсорных восприятий (как внутренних, так и внешних) на основе предсказания сенсорных данных. Это предлагает неожиданную точку диалога между психоанализом и нейробиологией, сосредоточенную на энергетической концепции мозговой функции.

В то время как энергетическая концепция психической функции, предложенная Фрейдом, может предложить плодотворные темы для обсуждения с нейробиологией, важно вернуться к эпистемологическим корням фрейдистской энергетики, чтобы точно определить их теоретическое происхождение.Первые аргументы Проекта для научной психологии (Фрейд, 1895а) действительно, кажется, соответствуют биологической, даже нейробиологической модели. В своем тексте Фрейд вводит «теорию нейронов». Эта теория составляет одну из «двух фундаментальных концепций», на которых он основывает свою работу, наряду с концепцией «количеств», понимаемых с точки зрения энергии. Однако краткий экскурс в историю эпистемологических истоков его концепции нервной энергии позволит нам понять, что это не совсем биологическая модель.Напротив, это парадигма, радикально связанная с физикой, вдохновленная работами по сохранению силы и находящаяся под сильным влиянием школы Гельмгольца. Это путешествие, следуя истокам физикализма фрейдистской энергетики, послужит, таким образом, основой для модельного диалога между психоанализом и нейронауками, в котором могут быть приняты во внимание разнородные эпистемологические корни этих двух дисциплин.

Физикалистская парадигма Berliner Physikalische Gesellschaft

Во Франции, начиная с 1860-х годов, «революция в физиологии» (Prochiantz, 1990), которую осуществил Клод Бернар, совершила радикальный эпистемологический скачок, установив физиологию как самостоятельную дисциплину.Это было автономно по отношению к физике-химии (хотя Клод Бернар всегда будет постулировать строгую физико-химическую детерминированность жизненных явлений). Бернар действительно заявлял о существовании неоспоримой сингулярности витального аспекта среди всех других физико-химических аспектов, в то же время резко критикуя любую виталистскую позицию. По его словам, внутри органического «механизм особенный […], агент специфичен, хотя результат одинаков.Ни одно химическое явление не происходит внутри тела так же, как вне его» (Бернард, 1885, с. 219). Именно в этой своеобразности жизненного механизма укоренилась концепция гомеостаза, которая позже была теоретизирована Кэнноном, а затем возведена в ранг физиологического механизма, занимающего центральное место во всей биологии.

Фрейд предпринял то же время, что и последние концептуализации Бернара ( Leçon sur les phénomènes de la vie опубликованы в 1878 году, в год смерти Клода Бернара), но в совершенно ином географическом и научном контексте. его медицинские исследования на Венском факультете осенью 1873 г. (Jones, 1953).По ту сторону Рейна автономия физиологии по отношению к физике была далека от реализации, и, напротив, именно в рамках эпистемологической парадигмы, решительно противоположной парадигме французской биологии, проходила научная подготовка Фрейда. В конце третьего года обучения Фрейд присоединился к Эрнесту Брюкке, которого он считал «моделью» (Freud, 1925d, стр. 9), в своей лаборатории физиологии. Помимо уважения и восхищения, которые Фрейд испытывал к этому бесспорному мастеру (Jones, 1953), это родство свидетельствовало о принадлежности к целой научной парадигме, наследником которой Фрейд сделает себя.Как подчеркивает Джонс, институт Брюке был тесно связан со школой Гельмгольца. История этого научного движения началась в 1840-х годах с дружбы между разными физиологами, обученными теориям Иоганнеса Мюллера об энергии, характерной для нервов (Assoun, 1981). Дюбуа-Реймон, Брюке, Гельмгольц и Людвиг выступили врачами, проникнутыми настоящим «духом крестоносцев» (Jones, 1953), которые, как сообщал Дюбуа-Реймон, «дали торжественную клятву претворить в жизнь эту истину». : «В организме не действуют никакие другие силы, кроме обычных физико-химических.”» (Джонс, 1953, стр. 40). Хотя все они имели медицинское образование, их научные идеи полностью подчинялись физике. Эта небольшая группа, увеличенная за счет добавления новых членов, молодых студентов-физиков и физиологов, объединившихся против витализма, стала в 1845 г. Берлинским физическим обществом Berliner Physikalische Gesellschaft (Jones, 1953). Менее чем через 30 лет они будут доминировать в немецком научном ландшафте, став самыми влиятельными профессорами медицины и физиологии своего времени и, в свою очередь, подготовив целое поколение студентов, к которым принадлежали Фрейд и Вундт.Большинство этих профессоров можно приравнять к тому, что Поль-Лоран Асун называет фигурой «врача-врача», главными представителями которого будут Фехнер, Гельмгольц или Лотце: «Все они приходят в физику через медицину или через физиология» (Ассун, 1981, стр. 59). Для некоторых из них психология станет завершающим этапом пути. Именно эту научную практику, отличающуюся разнообразием и отсутствием специализации, Фрейд унаследовал за годы обучения в Институте Брюкке.Однако именно физика составляет для всех родственных дисциплин эпистемологическую модель par excellence . Можно заметить, что немецкая школа физиологии позиционировала себя в движении, которое было полной противоположностью бернардианской физиологии: там, где во Франции прозвучал призыв к определенной независимости физиологии как отдельной науки, автономной от физики, берлинские практикующие врачи напротив, стремился бы подчинить физиологию физике, сделав ее продолжением последней.Таким образом, Брюке выступает как один из парадигматических представителей этого течения:

«Что такое физиология в глазах Брюке? Это не бессмысленный вопрос, поскольку было бы ошибкой проецировать на это слово понятие, сформированное в параллельной традиции, во Франции, Клодом Бернаром. Физиология для Брюкке, лидера Берлинского физического общества около 1845 года, является продолжением физики. Его объектом являются специфические физико-химические системы, организмы […]. Физиолог есть не кто иной, как физик организмов» (Ассун, 1981, с.101–102).

Влияние Гельмгольца

Таким образом, именно физиологии, радикально подчиненной физике, главенствующей господствующей науке, которой должны быть возвращены все явления природы, в том числе относящиеся к живым организмам, Фрейд сделал себе наследником. Именно в рамках этой ориентации он обучался в Институте Брюке. Однако необходимо подчеркнуть доминирующее влияние Гельмгольца, который, без сомнения, был самым выдающимся из всех ученых Берлинского физического общества.Фрейд считал его одним из своих «кумиров» (Jones, 1953) и всегда сожалел, что не имел возможности встретиться с ним лично. Гельмгольц, идеальное воплощение фигуры «врача-врача», доминировал на немецкой университетской сцене в то время, когда он становился образцом и центром европейской науки. По его словам: «все явления природы должны быть возвращены к движению материальных частиц, наделенных инвариантными движущими силами, зависящими только от их пространственного положения» (Пригожин, Стенгерс, 1979, с.148). Тем самым он сделал себя сторонником понимания природы, основанного на механических идеях, и большинство физиологов могущественной немецкой школы (Либих, Людвиг, Мюллер, Дюбуа-Реймон, Вирхов, Брюке) воспримут его концепцию согласно что «физико-химическое функционирование живого организма подчиняется тем же законам, что и неживая материя, и должно изучаться в тех же условиях» (Пригожин, Стенгерс, 1979, с. 148).

Чтобы понять влияние этой физикалистской модели на Германию XIX века, важно подчеркнуть, что она возникла как реакция на влияние шеллинговской Натурфилософии. Романтическая философия, выступавшая за пантеистический монизм, близкий к мистицизму (Джонс, 1953). Эта философия рассматривала природу как уникальный фундаментальный великий организм, объединенный общими законами, единым принципом причинности и без остатка (Пригожин, Стенгерс, 1979). В то время как эта идеалистическая концепция природы была распространена по всей Европе, немецкая Naturphilosophie характеризовалась стремлением к тому, что Шеллинг назвал «спекулятивной физикой». — Реймонд испытывает настоящее отвращение к тому, что позиционирует себя физикализм Берлинского физического общества (Meulders, 2001).В юности Фрейд соблазнился этими идеями, прежде чем окончательно обратился к взглядам физикалистской науки. Согласно Эрнесту Джонсу, именно под влиянием Гёте Фрейд пережил короткий период натурфилософии , прежде чем увлекся конкурирующей физической физиологией. В «Толкование сновидений » (Фрейд, 1900а) Фрейд упоминает, что однажды бурная философская дискуссия со студентом, сторонником натурфилософии, едва не привела его к дуэли.Джонс так комментирует это реактивное движение:

«Физическая физиология — хотя и не сама по себе — ниспровергла эту философию и заняла ее место. Как и раньше, завоеватель интроецировал эмоциональность жертвы. «Единство науки», «наука», «физические силы» не просто направляли идеи или гипотезы научных усилий: они становились почти объектами поклонения. Они были больше, чем методы исследования — они стали мировоззрением . » (Джонс, 1953, с.43)

Этот очень сильный физикалистский научный идеал, почти возведенный в статус религиозного убеждения, кажется тогда яростной реакцией на любые виталистические взгляды. Радикальный характер этой эпистемологической модели, в которой философия оказывается полностью подчиненной физической науке, заметно контрастирует с бернардианской точкой зрения, которая, согласно Кангилему, представляет собой третий путь между витализмом и редукционизмом (Кангилем, 1994). Таким образом, как указывает Ален Прохьянц, вплоть до Клода Бернара «отношение биологии к физике было разделено между полной ассимиляцией в физикалистском редукционизме и радикальным разделением в рамках французского витализма или немецкой натурфилософии» (Prochiantz, 1990, с.35). Таким образом, бернардианцы отвергли как механизм, так и витализм, чтобы составить третью позицию, приспособив технику биологических экспериментов к сингулярности объекта изучения, живого.

Если радикальный физикализм немецкой школы физиологии следует понимать сквозь призму этой оппозиции господствующей позиции натурфилософии (позиции, чье влияние на научную спекуляцию было гораздо сильнее за Рейном), то ее следует также в контексте открытия в физике закона сохранения энергии.Гельмгольц был одним из первых теоретиков сохранения энергии. Мы можем вместе с Пригожиным и Стенгерсом отметить тот парадоксальный факт, что философское прошлое Германии наполнило ученых, вопреки им, «идеей, далекой от строго позитивистского знания, которое они исповедовали на практике: идеей, что природа , целиком и без остатка объединена общим законом, единым принципом причинности» (Пригожин, Стенгерс, 1979, с. 175). Что-то вроде возвращения подавленной натурфилософии , против которой они себя позиционировали.

Принцип сохранения силы

Объединение физиологии и физики произошло из этого предполагаемого универсального принципа сохранения энергии, согласно которому «сумма сил остается постоянной во всех изолированных системах» (Ассун, 1981, с. 102). Если Гельмгольц был одним из первых теоретиков принципа сохранения силы, то считается, что именно Майер ввел фундаментальное различие между силой и материей. Таким образом, неудивительно, ввиду преемственности, существовавшей между физиологией и физикой, которой она подчинена, что одно из важнейших открытий физики XIX века, принцип сохранения энергии, введенный Майером в 1852 г., имело бы существенное значение. последствия для развития физиологии, психологии и, в конечном счете, психоанализа (Assoun, 1981).Однако вполне вероятно, что для этих двух фигур «врача-физика», которыми являются Гемгольц и Майер, чья смешанная практика коррелировала с пористой природой границ между связанными дисциплинами в немецком научном контексте, изначально это были исследования живых организмов. организмы, передавшие им интуицию этого принципа. Их экспериментальная и теоретическая научная практика была в действительности настолько взаимосвязана, перемещаясь между изучением живых организмов и неживой, что трудно установить физическое или физиологическое превосходство наблюдения сохранения силы (которое впоследствии будет переформулировано как принцип сохранения энергии).Было бы более уместно, чем искать такого превосходства, подчеркнуть, что эти «великие люди» XIX века [как называет их Оствальд в своем биографическом исследовании (Ostwald, 1912)] были приучены к умственной гимнастике. что позволяло им без труда переходить от физиологии к физике и обратно. Их экспериментальная практика в одной из этих двух наук естественным образом привела их к теоретическим формулировкам, которые были в равной степени верны и в другой. Эта практика была оправдана предпосылкой, унаследованной от кантианской философии: природа управляется законом причинности, поскольку все изменения в природе обусловлены достаточной причиной.Однако, как мы видели, некоторый пережиток влияния натурфилософии (которой они на самом деле решительно противостояли) побудил этих врачей-физиков искать единый принцип причинности, который объединил бы природу (как органическую, так и неживую) в единое целое. целое без остатка (Пригожин, Стенгерс, 1979).

Согласно Пригожину и Стенгеру, когда Майер, будучи молодым врачом в голландской колонии на Яве, наблюдал ярко-красный цвет крови одного из своих пациентов, он сделал из этого вывод, что, поскольку в тропиках теплее, жители нужно сжигать меньше кислорода.На основании этого наблюдения он произвел оценку потребления кислорода, который можно рассматривать как источник энергии, и расходов, связанных с поддержанием температуры тела по отношению к тепловым потерям и ручному труду. Майер обобщил следствия этой оценки (которая уже сводилась к интерпретации наблюдаемых фактов) к выводу о существовании «единой и нерушимой силы, лежащей в основе всех явлений как живой, так и неживой природы» (Пригожин и Стенгерс). , 1979, с.175–176). Этот тезис о едином энергетическом принципе давал физиологии основания для ее претензии на сведение «жизненного процесса» к механической цепи событий (Assoun, 1981). Таким образом, наблюдения Майера в тропиках привели его к утверждению, что теплота тела является результатом химической энергии пищи, и он зашел так далеко, что утверждал, что механическая энергия мышц имеет то же происхождение: механическая энергия, химическая энергия, и, таким образом, теплота была бы эквивалентной и взаимопревращаемой.Вернувшись в Германию, он зарекомендовал себя как врач и продолжил свои исследования. Далее он показал, что существует эквивалентность между термической и механической работой, и вычислил, что количество теплоты равно данному количеству механической энергии. Он представит этот тезис в 1842 году в своих заметках о силах неорганической природы (Brossollet, 2018).

Как указывает Поль-Лоран Асун, «Майер выступает как Лавуазье 19-го века, увековечивающий великий принцип сохранения материи» (Assoun, 1981, с.60) превращение его в принцип сохранения силы; который после введения терминов Томсоном в 1850 году стал принципом сохранения энергии. Следовательно, это открытие могло произойти из физиологии, чтобы затем быть теоретизировано и сформулировано в математических уравнениях в области физики, прежде чем вернуться к физиологии, где его последствия привели бы к развитию Вундтом научной психологии на основе того же принципа. . Вундт, по-видимому, «впервые распространил закон сохранения силы на область психологии» (Ассун, 1981, с.60). Открытие принципа сохранения энергии также оказало заметное влияние на мышление молодого Фрейда. Однако этот круговой феномен в немецком научном знании затрудняет достоверное установление происхождения этого принципа, будь то физиология или физика. Такие исследователи, как Майер или Гельмгольц, перешли к более широкой объединяющей парадигме, где отсутствие четких границ между дисциплинами и смешанная научная практика (сочетающая как медицинскую практику, так и исследования в области физики) были совершенно чужды установлению различий между дисциплинами.Это стало возможным во Франции благодаря появлению вместе с Клодом Бернаром экспериментальной физиологии. Таким образом, мы можем утверждать, как предлагает Поль-Лоран Асун, что с 1840-х годов «устанавливается своего рода практика, которая исходит одновременно из физиологии, физики и химии; возникающие из общих и сходящихся интересов в рамках энергетической матрицы» (Ассун, 1981, стр. 60).

Таким образом, для Майера жизненный аспект возник в результате преобразования силы или материи, и задача физиологии отныне состояла бы в исследовании механизмов этого преобразования (Assoun, 1981).Его работа также будет тесно связана с экспериментальной химией, введенной в Германию Либихом. Либиха, который внес бы свой вклад в развитие органической химии, изучая химические процессы живой материи (именно в обзоре Либиха были опубликованы исторические мемуары Майера о сохранении силы). Химия Либиха по существу аналитическая: его метод заключался в анализе составных частей организмов, и он считал, что можно перейти от растительного соединения к животному за счет вычитания составных частей (Assoun, 1981).Как замечает Поль-Лоран Асун, эта аналитическая органическая химия Либиха, тесно связанная с работами Майера, произвела бы глубокое впечатление на Фрейда, который, назвав свое открытие «психоанализом», позаимствовал термин «психоанализ». анализ» от разрушения химических соединений в экспериментальной химии, вдохновленной Либихом (Assoun, 1981).

В 1842 г. в своих заметках о силах неорганической природы Майер еще не ссылался на понятие энергии (которое появится только после 1850 г. в трудах Томсона, а затем Ренкина), но придерживался определения понятие «сила».Таким образом, «проект Майера явно должен был обеспечить эпистемологическое продвижение идеи «силы»» (Ассун, 1981, с. 159). В то время как в Германии динамическое воззрение, унаследованное от Лейбница и Канта, сделало силу первичным понятием, школа Лапласа рассматривала ее как эманацию, происходящую от материи. Майер не придерживался строгого динамизма, поскольку установил аналогию между материей и силой. По его мнению, материя была фундаментальным понятием химии, весомой, трансформируемой и количественно неразрушаемой при химических реакциях (где масса всегда сохранялась бы, хотя качество, например кислорода и водорода, не будет видно в воде) (Локне , 2009).Мы уже можем наблюдать здесь, в химии, гипотезу качественного превращения, которая тем не менее предполагает, что количество остается тем же самым; то, что Майер также применил бы к силе. Как подчеркивает Робер Локенью, «роль материи в химии должна, согласно Майеру, играться силой в физике» (Locqueneux, 2009, стр. 113). Таким образом, сила также была бы неразрушимой и трансформируемой сущностью, как и материя; но, в отличие от материи, невесомой. Таким образом, неживые силы природы могут принимать различные качественные формы: кинетическую, тепловую, магнитную, электрическую или химическую силу.Это качественные формы, которые были бы феноменологически отличными проявлениями одной и той же сущности, Urkraft , «стихийной силы» (поиск изначальной уникальной силы, которая не отличается от проекта натурфилосопии , хотя Майер был против этого). ). Тем не менее, Майер был первым, кто попытался создать количественную науку о силе, а не только качественную: он вычислил механический эквивалент теплоты. Цель здесь заключалась не в том, чтобы сделать теплоту своего рода движением, а в том, чтобы «определить эквивалентность между исчезновением количества теплоты и одновременным возникновением движения» (Локне, 2009, с.114). Таким образом, он предложил бы уравнение эквивалентности между теплотой и движением (то есть работой в механическом смысле этого слова). Ибо действительно, согласно Майеру,

«Если два металла трутся друг о друга, исчезает движение и выделяется тепло; отсюда вопрос: если движение есть причина жара […]. Если мы не можем объяснить исчезновение движения, не допуская причинной связи между движением и теплом; невозможно понять, не допуская этой связи, как развивается теплота.Показано, что во многих случаях исчезновение движения не имеет других заметных последствий, кроме этого производства тепла» (Mayer, In: Locqueneux, 2009, p. 131).

Майер тогда предположил, что скрытая теплота полностью превратилась в количество работы: это было качественное превращение (механическая сила превратилась в силу другой природы на феноменальном уровне, в теплоту), но такое, которое подразумевает сохранение, эквивалентность с количественной точки зрения.Он проиллюстрировал это на примере гидравлических механизмов, в которых движение, разрушая себя, вызывает значительное количество тепла; а также с паровыми машинами, где происходит обратное, именно тепло вызывает движение. Затем существует принцип эквивалентности, который также подразумевает обратимость между движением и теплом как двумя качественно различными аспектами одной и той же исходной силы (Locqueneux, 2009).

Через три года после этой работы о силах в неживой природе Майер вернется к вопросам физиологии и напишет мемуары Движения организмов и их отношение к метаболизму (1845).Он описал свой проект как желание «заполнить пропасть, разделяющую точную физику и физиологию», для которой «метод, который стремился бы объединить эти две науки в одной перспективе, был бы неоценим для физиологии» (Mayer, 1845, In. : Асун, 1981, с. 163). Таким образом, этот союз между физиологией и физикой был скреплен воссоединением разнородных явлений, наблюдаемых этими двумя дисциплинами, под главенствующим принципом. Этим главенствующим принципом будет сохранение силы, которое впоследствии будет переведено в сохранение энергии.Следовательно, как в органических, так и в неорганических явлениях действует только одна сила. Сила, которая проявлялась бы под качественно отличной феноменологией: «эта круговая сила посредством вечного обмена как в неживой природе, так и в живой природе. В обеих областях нет явления без преобразования силы» (Mayer, 1845, In: Assoun, 1981, p. 164), эта сила остается постоянной вне всех своих преобразований.

Если поэтому было так важно столь подробно рассмотреть понятие принципа сохранения в физике, так это то, что, как справедливо заметил Поль-Лоран Ассон, «физиология и физика не только вдохновленные им, они также принимают непосредственное участие в его эволюции.Слишком мало, чтобы сказать, что физика распространяется на психофизиологию или применяется к ней, это смешение двух» (Assoun, 1981, стр. 166). Мы смогли заметить, что интуиция сохранения энергии была для Майера под влиянием его медицинской практики в связи с его физиологическими исследованиями «тепла тела». , что он смог вывести принцип сохранения. Однако, теоретизировав с чисто физической точки зрения сохранение силы в «неживой природе», он возвращался к физиологическому применению этого прироста энергии.Таким образом, «энергетизм вводится в психофизиологию не как простое расширение, а как дополнительное поле проверки одной и той же идеи» (Ассун, 1981, с. 166). Подразумевается, что Фрейд никогда не чувствовал, что он «заимствовал» понятия из физики или физиологии, скорее, он «управлял своей собственностью», поскольку эта энергетическая модель была неотъемлемой частью его «научной колыбели». Фрейд, 1895а) является парадигматическим примером важности этого наследия (Ассун, 1981).

В то время как Майер был первым, кто установил принцип сохранения силы в физике и дал уравнение эквивалентности между теплом и движением, Гельмгольц продолжил свой проект, применив этот принцип к физиологии (Assoun, 1981). Фрейд признал бы его своим кумиром — действительно, Гельмгольц доминировал на сцене немецкого университета в 19 веке. Именно тогда, в основном благодаря работам Гельмгольца, Фрейд усвоил принцип сохранения энергии и его приложения к физиологии.В своих мемуарах 1847 года «О сохранении силы» Гельмгольц в первую очередь исключает всякую возможность «вечного двигателя». В этом он шел против общепринятого взгляда, согласно которому неисчерпаемая и постоянно возобновляемая «жизненная сила» будет поддерживать деятельность живого организма, контролировать деятельность физических и химических сил (Locqueneux, 2009). Невозможность вечного двигателя уже была обоснована в механике. Однако Гельмгольц распространил его на всю природу, применив его к природным силам иного порядка, чем к механическим силам, таким силам, как теплота, электричество, магнетизм, свет и химические реакции: «не существует во всем ряду естественные действия, процесс, который позволил бы создать механическую силу без равных затрат» (Гельмгольц, 1847, В: Locqueneux, 2009, с.124). Таким образом, было бы невозможно представить в природе машину, которая представляла бы вечный двигатель — например, качели или маятник в конечном итоге остановились бы под действием трения и возникающей в результате потери тепла (Meulders, 2001). У нас может возникнуть соблазн противопоставить этой невозможности определение инерции, сформулированное Ньютоном как первый закон классической физики, состоящее в стремлении тел сохранять свою скорость. Однако это универсальное свойство позволяет концептуализировать вечное движение только в абстрактных условиях, в замкнутой системе, защищенной от любой другой силы, кроме той, которая вызвала скорость тела.Таким образом, этот случай утопичен и не поддается наблюдению в природе. Это потребовало бы существования замкнутого пространства, в вакууме и без трения. Тем не менее, даже в этом вымышленном случае, как указывает Мишель Меулдерс, было бы неуместно говорить о «вечном движении», поскольку в состоянии покоя тела неподвижны и только внешняя сила могла бы привести их в движение (Meulders, 2001). В таком случае, как указывает Пьер Костабель, в классической физике существует определенная двусмысленность между ее положением о невозможности вечного движения и ее определением движения по инерции (Костабель).Таким образом, для Гельмгольца невозможность вечного движения коррелировала с принципом сохранения силы, согласно которому движение могло быть создано только посредством соответствующего расхода энергии. Таким образом, невозможность вечного двигателя является наследником динамики Лейбница. Лейбниц действительно был первым, кто провозгласил невозможность «механического» вечного движения, основываясь на элементарном метафизическом принципе невозможности создать из ничего, ex nihilo (Костабель).

Для Гельмгольца все действия природы должны быть сведены, в конечном счете, к противопоставлению двух сил отталкивания и притяжения, как они были сформулированы Ньютоном: «таким образом, задача физических наук состоит в том, чтобы привести все явления природы возвращаются к неизменным силам притяжения и отталкивания, интенсивность которых зависит от удаленности от центров действия» (Меулдерс, 2001, с. 128). На основании этих двух предпосылок (невозможности вечного движения и сведения всех действий природы к силам отталкивания и притяжения) Гельмгольц в своих мемуарах установил принцип сохранения «жизненной силы».Проблема, с которой он столкнулся и которая привела его к определению этого принципа, может быть резюмирована парадигматическим примером движения качелей, которые, достигнув высшей точки своего движения, на короткое время оказываются момент неподвижности, прежде чем начать спуск под действием силы тяжести. В этот момент он снова набирает скорость и поднимается в противоположном направлении, борясь с гравитацией, затем замедляется и снова останавливается под действием силы тяжести. Таким образом, кажется, что задействованы две силы: одна, вызванная гравитацией, и другая, действующая в противоположном направлении из-за эффекта скорости, приобретаемой качанием.Первая сила достигает своего максимума, когда замах находится в высшей точке, в то время как другая сила достигает своего пароксизма, когда замах происходит очень быстро по вертикали. По словам Мишеля Меулдерса, «наивному наблюдателю все кажется так, будто эти две «силы» находятся в таинственном отношении друг к другу, при котором увеличение одной ведет к уменьшению другой, и наоборот» ( Меулдерс, 2001, стр. 129).

Наряду с «живой силой», которая здесь соответствует действующему движению качелей, Гельмгольц установил необходимость введения «силы натяжения», которая соответствовала возможности предстоящего движения, когда качели покоятся в своей вершине. .«Силы натяжения» материальных тел были определены как произведение сил притяжения или отталкивания и расстояния, разделяющего эти частицы. Сами «живые силы» были связаны с движением этих частиц (Locqueneux, 2009). Таким образом, динамика Гельмгольца полностью сводилась к механическому описанию природы. Таким образом, он отнес все силы, существующие в природе (для которых Майер составил список, как мы видели), например электрическую, химическую, живую и теплотворную силу, обратно к этим механическим силам, которые были «живой силой» и «живой силой». сила натяжения.Затем он сослался на результаты, установленные Джоулем между потерей механической силы и выделением некоторого количества тепла (например, при трении). Эти результаты дали математическую формулу для расчета повышения температуры (количество градусов подъема) по отношению к трению (вызванному здесь подъемом груза), которую Майер сформулировал первым.

Используя этот количественный математический результат для эквивалентности между теплотой и механическим движением, Гельмгольц утверждал, что «количество теплоты может быть абсолютным образом увеличено механическими силами» (Helmholtz, 1847, In: Locqueneux, 2009, p.126). Затем с решительно механистической точки зрения он свел теплоту к количеству движения. Он утверждал, что то, что до сих пор называлось «количеством теплоты», на самом деле было бы лишь другим способом выражения «количества живой силы» движения внутри вещества, а также «количества силы напряжения» внутреннего тела. состояние этого вещества. Первый будет соответствовать свободному или ощутимому теплу, а второй — скрытому теплу (Locqueneux, 2009). Тогда теплота продемонстрировала бы такое же распределение между потенциальными силами и их активным выражением (если мы обратимся к аристотелевской модели), силами напряжения и «живыми силами».Из этого Гельмгольц заключал, что все природные явления, применительно ли они к органическим или неодушевленным веществам, вызываются исключительно «живой силой» ( veres vivae ) и силами напряжения ( Spannkraft ). Таким образом, концепция силы с точки зрения Канта позволила сделать природу понятной и объединить наши знания о ней (Locqueneux, 2009).

Энергетическая модель

Майер и Гельмгольц сделали принцип сохранения силы фундаментальным принципом, позволившим объединить физику и физиологию.Однако концепция энергии еще не появляется ни в мемуарах Майера, ни в книге Гельмгольца « О сохранении силы» , опубликованной в 1847 году. Только с введением концепции энергии Томсоном, а затем Ренкином, Гельмгольц принял это новая терминология. Затем Гельмольц переписал свои концепции «живой силы» и «силы натяжения» с точки зрения кинетической энергии и потенциальной энергии. Термины, которые впоследствии будут использованы Брейером в его «90–108 исследованиях истерии 90–109» (Freud and Breuer, 1895b), окажут заметное влияние на теорию Фрейда.

Томсон впервые упоминает слово «энергия» в 1850 году. Он сохранил слово «сила» для обозначения ньютоновских сил, определяемых законами движения. Энергия, следовательно, будет обозначать все другие виды силы, которые Майер перечислил в своих мемуарах. Томсон рассмотрел существование двух категорий энергии, статической энергии и динамической энергии (Locqueneux, 2009). Они могли бы также охватывать различие между скрытой силой и активной силой, которое уже присутствовало в определении Гельмгольца «живых сил» и сил напряжения.Так, в своей статье «О всеобщей тенденции в природе к рассеянию механической энергии» . (Thomson, 1852), Томсон утверждает, что:

«груз, подвешенный и готовый упасть, наэлектризованное тело, количество топлива или угля, содержащие запасы энергии статического характера, физическое тело в движении, площадь пространство, пересекаемое световыми или лучистыми тепловыми волнами, тела, молекулы которых взволнованы, содержат запасы энергии динамической природы» (Томсон, 1852, В: Локенё, 2009, с.127)

Следует отметить, что здесь упоминались только измеримые физические величины: ведь вопрос о количественном определении энергии оставался бы одной из важнейших задач всей немецкой физики XIX века. Это противоречит чисто качественным терминам Naturphilosophie для описания природы.

В этой же статье Томсон впервые сформулировал второй принцип термодинамики. Перегруппировав все, что Майер обозначил термином сила (механическая, химическая, магнитная, теплотворная…) под одним понятием энергии; он обратил свое внимание на производительность реальных машин, которые демонстрировали потерю энергии, тогда как Сади Карно заложил основы принципа сохранения, работающего на основе абстракции идеальных машин, производительность которых не снижается.Таким образом, Томсон пришел к выводу, что когда тепло передается путем теплопроводности от одного тела к другому телу с более низкой температурой, происходит некоторая потеря механической энергии. Эта потеря механической энергии за счет теплопроводности привела бы, как следствие, к необратимости процессов, происходящих в термодинамических машинах. Затем это наблюдение можно было бы обобщить до утверждения о непрерывной деградации энергии во Вселенной (Locqueneux, 2009). Таким образом, необратимое распространение тепла — синоним в контексте термодинамических машин с потерей производительности — станет, начиная с 1852 года, тенденцией к всеобщей деградации механической энергии (Пригожин и Стенгерс, 1979).Как отмечают Пригожин и Стенгер: «Так Томсон совершает головокружительный скачок от технологии двигателей к космологии […]. Новая теория Томсона […] также выявляет последствия необратимого распространения тепла в мире, где сохраняется энергия, этот мир […] может быть только ценой необратимой траты, бесполезного рассеяния определенного количества тепла . Различия, производящие эффекты, в природе непрерывно уменьшаются» (Пригожин и Стенгерс, 1979, с.184–185).

Начиная с 1850-х годов мы находим два принципа термодинамики, сформулированные почти в их окончательных формах: закон сохранения энергии и принцип энтропии. Переформулировка Томсоном работы Гельмгольца и Майера о сохранении силы ознаменовала освящение модели энергетики и отныне будет доминировать в немецком научном ландшафте второй половины XIX века. В 1853 г. Ренкин выполнил некоторый уровень синтеза гельмольцевского различия между «живыми силами» и силами напряжения, а также объединяющей концепции энергии, введенной Томсоном, путем разделения энергии на две категории: потенциальную энергию (содержащуюся в материальных конструкциях, способных совершающая работу) и кинетическая энергия.Это разделение применялось не только к механической силе, но и ко всем видам физических явлений; и охватывал аристотелевские понятия dynamis и energeia , потенции и актуальности. В статье, написанной в 1862 году, Томсон заменил термин «кинетическая энергия» термином «действительная энергия», и именно эту терминологию использовал Гельмгольц, когда он принял термин «энергия», а не термин «сила» (Locqueneux, 2009).

Отныне Гельмгольц предпочел бы понятие энергии понятию силы, поскольку последняя остается конечной причиной движения, но энергия как количественное понятие измеряет способность системы реализовать под действием силы , определенное количество работы, будь то механическая, калорическая, химическая или электрическая (Meulders, 2001).Вернемся к примеру с качелями, который иллюстрировал разницу между «живой силой» и силой напряжения: энергия, то есть способность качелей выполнять под импульсом силы свое механическое маятниковое движение, может можно рассматривать как сумму двух энергий, одной кинетической (энергии активного движения) и другой потенциальной (содержащей скрытое движение). Первый будет состоять из скорости данного движения, тогда как второй будет относиться к положению качания в пространстве, с учетом сил гравитации и гравитации (Meulders, 2001).Гельмгольц считал, что сумма кинетической и потенциальной энергий всегда остается постоянной: «Во всех случаях движения свободных материальных точек под действием их сил притяжения или отталкивания, интенсивность которых зависит только от расстояния, уменьшение потенциальной энергия всегда равна приросту живой силы (кинетической энергии). Сумма живых сил и потенциальной энергии всегда постоянна» (Гельмгольц, 1882а,б, В: Меулдерс, 2001, с. 130).

Это объединение Гельмгольцем концепции энергии с его предыдущими разработками по принципу сохранения силы и различие между «живой силой» (которая станет кинетической энергией) и «силой натяжения» (которая впоследствии будет называться потенциальной энергией). ), свидетельствует о решительно механическом характере его ссылок на энергетику.Гельмгольц вместе с Джоулем или Ренкином использовал понятие энергии, чтобы распространить механические принципы на другие немеханические области. Это противоречило Майеру, который рассматривал механические явления как просто состоящие в частном случае из явлений преобразования энергии (Assoun, 1981). Справедливо подчеркнуть, что Оствальд, профессор Лейпцига с 1887 г., специально противостоял этому «энергетическому механизму» или «смягченной энергетике», возводя энергетику в ранг доктрины, уподобляемой квазитеологическому Weltaschaung и очень близкому к Натурфилософия .Он предложил бы новую философию науки, фундаментальной концепцией которой была бы концепция энергии (Assoun, 1981). Его интегральная энергетика легла в основу нематериальной онтологии и была близка к радикальному монизму, где «кажется, что ничто не может происходить без энергии, являющейся его частью» (Оствальд, 1891, In: Assoun, 1981, стр. 170). , тогда как Майер придерживался дуалистической модели, рассматривая материю и силу как две отдельные сущности. Оствальд противопоставил себя определению потенциальной энергии (унаследованному от механического понятия силы натяжения), которое стирало бы изначальную и универсальную реальность, то есть энергию в ее актуальности.

Фрейд, как мы видели, боготворил Гельмгольца. Кроме того, он взял бы за основу определение, вдохновленное Гельмгольцем и предложенное Брейером в «Исследованиях истерии » (Freud and Breuer, 1895b), которое постулировало существование нервной энергии, определяемой как «внутримозговое тоническое возбуждение, природа которого может быть спокойной (т. е. потенциальной) или кинетической (актуальной) — хотя Фрейд внес некоторые изменения в это определение. Тогда моделью Фрейда решительно была модель смягченной энергетики Гельмгольца, поскольку он, в сущности, использовал функциональную энергетику, применяемую к функционированию психики, и регулярно употреблял термин «работа» для описания процессов бессознательного (сон работа, работа траура и т. д.). Его описание движения между различными психологическими состояниями, которое повлекло бы за собой механические затраты, было бы также «конкретным выражением общего роста беспорядка, формулируемого вторым принципом термодинамики» (Ассун, 1981, стр. 182). Вот почему, как указывает Поль-Лоран Асун: «Фрейд никогда не сталкивается с искушением, присущим доктринальной энергетике, возвеличивать энергию как сверхмеханическое активное начало и гипостазировать ее в поддержку мировоззрения» (Assoun, 1981). , п.182). Энергетика будет составлять основу всего экономического аспекта метапсихологии, но «эта модель расшифровки никогда не гипостазируется в энергетическое учение» (Ассун, 1981, с. 182–183).

От нервной энергии к психической энергии

Введение в 1850-х годах понятия энергии, особенно под влиянием работ Майера и Гельмгольца, представляется эвристическим ключом к объединению физиологии и физики. Это заложило основу, как мы видели, для решительно физической эпистемологической модели, которой, в свою очередь, искренне придерживается Фрейд.Эта модель занимала радикально автономную позицию по отношению к бернардианской революции во Франции, которая способствовала сингулярности и самостоятельности физиологии как отдельной науки. С этого момента Гельмгольц, а вслед за ним и Брюкке, поставили перед собой задачу применить физический принцип сохранения энергии к органическим явлениям. Таким образом, понятие энергии позволило бы одновременно охватить понятие силы (кинетической, термической, электрической, магнитной) и явлений, присущих живым организмам, таких как иннервация, раздражимость и некоторые химические реакции (Ассун, 1981).

То, к чему стремился Гельмгольц в своей работе О сохранении силы (Гельмгольц, 1847), состояло в том, чтобы применить концепцию сохранения энергии в физике к биологии, сделав ее постулатом для физиологических явлений (Ассун, 1981). Публикация этой работы знаменует собой важный поворотный момент в достижении объединения естественных наук посредством применения принципа сохранения энергии. Таким образом, Гельмгольца можно неопровержимо признать ученым, открывшим королевскую дорогу энергетической концепции физиологии, а также психологии.Таким образом, как подчеркивает Асун, «когда в 1883 году Фрейд признается в своем преклонении перед великим берлинским мастером, он выражает эмоциональную приверженность модели, подтверждающей его эпистемологическую позицию. Более того, именно с человеком, заключившим союз психологии и неврологии, он связывает свою восторженную судьбу» (Assoun, 1981, стр. 158). В этом решительно гельмгольцианском родстве, когда речь идет о желании применить принципы энергетики к физиологии и анатомии, мы можем более конкретно постулировать вероятное влияние на Фрейда работы Гельмгольца о нейронах и скорости распространения нервного притока.Область, с которой Фрейд познакомился, когда сам работал над вскрытием и наблюдением нервных клеток в Институте Брюкке. Таким образом, нервная иннервация и раздражительность могут выступать как энергетические проявления, характерные для нервной системы живых организмов.

Мы видели, что с эпистемологической точки зрения Фрейд не следовал имматериальной онтологии Оствальда, который проповедовал интегральную энергетику, уподобляемую Weltanschauung . Скорее он позиционировал себя в смягченной и механической энергетике, в родстве Гельмгоца.Тем не менее правильно признать, что сам Оствальд, естественно, поставил под сомнение возможность применения понятия энергии к психологическим явлениям, поскольку в своем манифесте об энергии он рассматривал феномен жизни как «постоянный проявление энергии» (Оствальд, 1891, В кн.: Асун, 1981, с. 170). Верный своему панэнергетическому взгляду на природу, Оствальд пришел к выводу, что «психологические явления могут быть истолкованы как энергетические явления и интерпретированы так же, как и любые другие явления» (Ostwald, 1891, In: Assoun, 1981, p. .172). Затем Оствальд аргументировал существование нервной энергии и описал процесс во время психической деятельности, который приводит к потреблению энергии. Поскольку он ввел понятие «психической энергии», можно сказать, что он открыл путь исследованиям Брейера и Фрейда энергии нервной системы или «внутримозгового тонического возбуждения» (Freud and Breuer, 1895b) для которое Фрейд дал термину «количество» в своем проекте по научной психологии (Freud, 1895a).Таким образом, Оствальд был бы первым, кто рассматривал психические феномены как «феномены нервной энергии». Продолжая определять их как «измеримую величину, подчиняющуюся закону сохранения и закону преобразования» (Оствальд, 1891 г., In: Assoun, 1981 г., с. 172), которая может проявляться в различных формах, как и всякая энергия. . Эта потребность в количественном определении и измерении психической энергии будет сохраняться на протяжении всего творчества Фрейда. Фрейд, однако, отказался бы от придания ему абсолютного значения и приспособился бы к приписыванию ему меры, которая была бы только относительной.Таким образом, принцип сохранения энергии был применен Оствальдом к психологическим явлениям, поскольку, по его словам, «никакая психологическая операция не происходит без соответствующего потребления энергии» (Ostwald, 1891, In: Assoun, 1981, стр. 172). . Фрейд повторно применил бы это введение принципа сохранения энергии в области психологии, но без следования метафизическим следствиям, которых отстаивал Оствальд (то есть обход «религиозной проблемы души и тела» посредством концепции психическая энергия).

Именно эти модели применения энергетики в физиологии и a fortiori в психологии будут преследовать Фрейд вслед за Гельмгольцем. Однако это произошло не без некоторого влияния Оствальда; хотя он никоим образом не придерживался онтологического монизма Оствальда и сохранял во всем своем творчестве механическую энергетику, близкую к гельмгольцевской. Эта физикалистская парадигма обогатилась в мышлении Фрейда благодаря его обучению анатомии в Институте Брюкке, где он посвятил себя тщательному изучению нервных клеток.Как рассказывает Эрнест Джонс, Фрейд, в то время студент-медик, был соблазнен психофизиологическими теориями, проводимыми в Институте Брюке — Брюке поддерживал школу Гельмгольца, а также играл важную роль на его стороне в Берлинском физическом обществе (Джонс, 1953). . Дюбуа-Реймон сообщает, что Гельмгольц и Брюке «дали торжественную клятву претворить в жизнь эту истину: «В организме не действуют никакие другие силы, кроме обычных физико-химических». (Джонс, 1953, с.40). В обучении, которое Фрейд получил в Институте Брюкке, преобладало применение принципа сохранения энергии к организмам: «Организмы отличаются от действующих мертвых материальных существ — машин — способностью к ассимиляции, но все они явления физического мира; системы атомов, движущиеся силами, согласно принципу сохранения энергии, открытому Робертом Майером в 1842 г., игнорировавшемуся в течение 20 лет, а затем популяризированному Гельмгольцем.Сумма сил (движущих сил и потенциальных сил) остается постоянной в каждой изолированной системе. Настоящие причины символизируются в науке словом «сила». (Джонс, 1953, стр. 41).

Вот, таким образом, резюмированное Джонсом, послание немецкой школы физиологии, в сердце которого Фрейд будет погружен за годы своего обучения. Работы Брюкке, посвященные трансформации и действию физических сил в живом организме, окажут длительное влияние на динамический взгляд метапсихологии; а Фрейд вплоть до 1926 года утверждал, что внутри психического аппарата «Силы помогают или подавляют друг друга, комбинируются друг с другом, вступают в компромиссы друг с другом и т. д.(Джонс, 1953, с. 42).

Заключение

Корни энергетической модели Фрейда, на которые сильно повлияло открытие принципа сохранения силы в термодинамике, побуждают нас понять истоки теоретической модели, которую он развивает, начиная с Project for a Scientific Psychology. (Фрейд, 1895а), не как преимущественно биологическая модель, а, наоборот, как парадигма, радикально основанная на физике. Разработки Фрейда о принципе инерции, затем о принципе удовольствия, а затем о влечении к смерти должны быть вновь помещены в научный проект школы Гельмгольца, проект подчинения физиологии, а впоследствии и психологии, идеал физики.Не игнорируя того факта, что в немецком и австрийском научном контексте XIX века биология еще не обрела независимости от идеала физики; поэтому модель, предложенную в проекте для научной психологии (1895a), не следует слишком быстро описывать как исключительно биологическую. Обучение физиологии, которое Фрейд получил в Институте Брюкке, никоим образом не сравнимо с бернардианской физиологией. Бернар пошел в другом направлении, введя новую должность.Отвергая витализм, Клод Бернар допускал существование сингулярности «жизненной силы», допускающей автономию экспериментальной физиологии как самостоятельной науки по отношению к науке физике.

Именно внутри биологии, которая твердо подчинена идеалу физики Berliner Physikalische Gesellschaft , в котором доминирует влияние Гельмгольца, укоренена энергетическая модель Project for a Scientific Psychology (Freud, 1895a).Эти соображения могли бы открыть поле для исследований, для которого было бы полезно дальнейшее исследование: если Фрейд, особенно после публикации «Толкования сновидений » (Freud, 1900a), откажется — по крайней мере временно — от обоснования своих теорий биологической модели, не сопровождается ли этот переход отказом от физикалистских эпистемологических оснований этой модели? Этот эпистемологический поворотный пункт, о котором уже было объявлено в письме к Флиссу от 6 декабря 1896 г. (Фрейд, 1950 [1892–1899]), кажется, представляет собой поворотный пункт в отходе от модели «нейронного аппарата» в Проекте для научного исследования. Psychology (Freud, 1895a), к отказу от этого проекта по основанию психических процессов на точном описании нервной системы.В «Толковании сновидений» (Фрейд, 1900а) Фрейд действительно откажется от словаря физиологии, больше не обращаясь к структуре и анатомии нейронов, и отныне будет обращаться исключительно к «психическому» аппарату. В главе VII он формулирует этот отказ от анатомически локализованной модели так:

«Я совершенно не приму во внимание тот факт, что психический аппарат, о котором мы здесь говорим, также известен нам в виде анатомического препарата, и я буду тщательно избегайте искушения определять психическую локализацию каким-либо анатомическим способом.(Фрейд, 1900а, с. 536)

Это лишь временный отказ, поскольку надежда на физиологическую модель откладывается до того времени, когда прогресс в биологии позволит точно основывать психические процессы на физический субстрат. Тем не менее, это исследование отныне стало для Фрейда второстепенным и больше не составляло главной цели его теоретизирования: «Мы можем, я думаю, отбросить возможность дать этой фразе анатомическую интерпретацию…» (Фрейд, 1900а, с.48–49)

Таким образом, хотя ссылка на анатомию не полностью отсутствует в мышлении Фрейда после 1899 г., остается фактом, что этот поиск анатомического местоположения отодвинут на второй план с актуальной точки зрения метапсихологии. Во многом она уже не нужна метапсихологии, которая может обойтись без нее. Остается один вопрос: не сопровождается ли это отбрасыванием (пусть и временным) всех ссылок на анатомическую локализацию психических процессов отказом от физической модели? Именно эта физическая модель позволила ему постепенно вывести на основе идеи нервной энергии понятие психической энергии, которая впоследствии станет либидо.У нас может возникнуть соблазн возразить, что, несмотря на отказ от биологического ориентира при построении фрейдистской метапсихологии, влияние физической эпистемологической модели, по-видимому, сохраняется. Однако этот вопрос не является предметом настоящего исследования и будет находиться в центре внимания последующих работ.

Эти исторические элементы могут побудить нас пересмотреть основные метапсихологические концепции через призму энергетической модели. В частности, важные принципы термодинамики, как они понимались, когда они были обнаружены в конце 19 века.Дальнейшее углубленное рассмотрение фрейдовских формулировок принципа инерции, принципа удовольствия и даже влечения к смерти будет обогащено анализом, который стремится выявить связи между этими понятиями и влиянием физической модели. в частности, модель термодинамики лежит в основе фрейдистского мышления.

Вклад авторов

JT является основным автором этой статьи в рамках ее докторской диссертации. Тезис. FA и PM в качестве руководителей внесли свой вклад в концепцию и разработку исследования, а также критически пересмотрели рукопись на предмет интеллектуального содержания.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Фонд Агалма за финансовую поддержку и Кирстен Эллерби за перевод.

Сноски

Финансирование. Эта работа финансировалась за счет гранта Фонда Агалма, Женева, Швейцария.

Ссылки

• Асун П. Л. (1981). Introduction à l’épistémologie freudienne. Париж: Пайо. [Google Scholar]
• Бернард К. (1885 г.). Leçons sur les phénomènes de la vie communs aux animaux et aux végétaux. Париж: Baillère et fils. [Google Scholar]
• Brossollet J. (2018). Майер Юлиус Роберт фон — (1814-1878). Универсальная энциклопедия. Доступно по адресу: http://www.universalis-edu.com/encyclopedie/julius-robert-von-mayer/ [Google Scholar]
• Canguilhem G.(1994). Этюды истории и философии науки. Париж: Врин. [Google Scholar]
• Фрейд С. (1895a). Проект научной психологии. Ю.В., 1. Лондон: Хогарт, 283–397. [Google Scholar]
• Фрейд С. (1900a). Толкование снов. Ю.В., 4. Лондон: Хогарт. [Google Scholar]
• Фрейд С. (1925d). Автобиографическое исследование. С.Э. , 20 Лондон: Хогарт, 3–70. [Google Scholar]
• Фрейд С., Брейер Дж.(1895б). Исследования по истерии. Ю.В., 2. Лондон: Хогарт. [Google Scholar]
• Фрейд С. (1950 [1892–1899]). Выдержки из документов Флисса. С.Э. 1. Лондон: Хогарт, 175–279. [Google Scholar]
• Гельмгольц Х. (1847). Über die Erhaltung der Kraft, eine Physikalische Abhandlung. Берлин: Реймер. [Google Scholar]
• Гельмгольц Х. (1882a). «К термодинамике химических процессов», в сборнике «Физические мемуары, отобранные и переведенные из иностранных источников» . Том.1 (Лондон: Тейлор и Фрэнсис;) 43–97. [Google Scholar]
• Гельмгольц Х. (1882b). Zur Thermodynamik Chemischer Vorgänge. Берлинер Берихте 1882 г. 22–39, 825,–836; 1883 г. 647–665. [Google Scholar]
• Джонс Э. (1953). Жизнь и творчество Зигмунда Фрейда , Vol. 1 Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Basic Books [Google Scholar]
• Locqueneux R. (2009). История классической термодинамики: Сади Карно и Гиббс. Париж: Белин. [Google Scholar]
• Мелдерс М.(2001). Гельмгольц, светила нейронаук. Париж: Одиль Джейкоб. [Google Scholar]
• Оствальд В. (1891). Studien zur Energetik I. Berichte über die Verhandlungen der Sächsischen Akademie der Wissenschaften zu Leipzig. 43271–288. [Google Scholar]
• Оствальд В. (1912). Большие люди. Париж: Фламмарион. [Google Scholar]
• Пригожин И., Стенгерс И. (1979). Альянс La Nouvelle. Париж: Галлимар, эссе Фолио.[Google Scholar]
• Прочианц А. (1990). Клод Бернар, физиологическая революция. Париж: PUF [Google Scholar]
• Томсон В. (1852). О всеобщей тенденции природы к рассеянию механической энергии. Филос. Маг. J. Sci. 4 304–306. 10.1080/14786445208647126 [CrossRef] [Google Scholar]

Что утверждает закон сохранения энергии? – Кухня

Точно так же закон сохранения энергии утверждает , что количество энергии не создается и не уничтожается .Например, когда вы катите игрушечную машинку по пандусу и она врезается в стену, энергия переходит из кинетической в ​​потенциальную.

Что утверждает закон сохранения?

закон сохранения, также называемый в физике законом сохранения, принцип, утверждающий, что определенное физическое свойство (то есть измеряемая величина) не изменяется с течением времени в изолированной физической системе.

quizlet Что означает закон сохранения энергии?

закон сохранения энергии.закон, утверждающий, что энергия не может быть создана или уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую.

Какие 3 закона сохранения энергии?

В механике сохраняются три основные величины. Это энергия, импульс и угловой момент. Если вы видели примеры в других статьях — например, кинетическую энергию атакующих слонов, — то вас может удивить, что энергия — сохраняющаяся величина.

Что такое закон сохранения энергии легкого определения?

сохранение энергии, принцип физики, согласно которому энергия взаимодействующих тел или частиц в замкнутой системе остается постоянной. Первым признанным видом энергии была кинетическая энергия, или энергия движения.

Что утверждает закон сохранения импульса?

сохранение импульса, общий закон физики, согласно которому величина импульса, характеризующая движение, никогда не изменяется в изолированном наборе объектов; то есть полный импульс системы остается постоянным.

Что говорит закон сохранения энергии Quizizz?

Закон сохранения энергии гласит: Энергия может быть создана или уничтожена, но не преобразована. Энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только трансформировать. Энергия не может быть создана, уничтожена или преобразована.

Какой лучший пример закона сохранения энергии quizlet?

Термины в этом наборе (10) Какой пример закона сохранения энергии является лучшим? Если маятник находится на расстоянии одного метра от земли на одном конце своего качания, он никогда не может быть выше одного метра (закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена.

Что утверждает закон сохранения энергии Brainly?

Решение из учебника Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую. Суммарная энергия до и после превращения всегда остается неизменной.

Каковы примеры закона сохранения энергии?

Точно так же закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии не создается и не уничтожается.Например, когда вы катите игрушечную машинку по пандусу и она врезается в стену, энергия переходит из кинетической в ​​потенциальную.

Что такое закон сохранения энергии 7 класс?

Что такое Закон сохранения энергии в химии? Энергия никогда не может быть создана или уничтожена, она просто меняет форму. Закон сохранения энергии объясняет, что полная энергия в замкнутой системе остается постоянной, она остается постоянной в течение определенного периода времени.

Что такое закон сохранения энергии приведите два примера?

Закон сохранения энергии Примеры: В факеле химическая энергия батарей преобразуется в электрическую энергию, которая преобразуется в световую и тепловую энергию.На ГЭС водопады на турбины с высоты. В громкоговорителе электрическая энергия преобразуется в звуковую энергию.

Что такое закон сохранения энергии и почему он важен?

Энергия, как мы уже отмечали, сохраняется, что делает ее одной из самых важных физических величин в природе. Закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом: Полная энергия постоянна в любом процессе. Она может изменяться по форме или переходить из одной системы в другую, но общая сумма остается неизменной.

Очевидные парадоксы классической электродинамики: Закон сохранения энергии-импульса для связанного электромагнитного поля

Согласно принципу относительности все инерциальные системы эквивалентны, так что одни и те же физические законы выполняются во всех инерциальных системах [1, 2, 3, 4]. Тем не менее, существуют разные взгляды на то, как должны быть сформулированы физические законы для выполнения принципа относительности [5, 6, 7, 8]. Наиболее приемлемой точкой зрения является лоренцев ковариантный критерий (или принцип ковариантности) — для выполнения принципа относительности математическая формула физического закона должна быть лоренц-ковариантной относительно лоренц-преобразования пространственно-временных координат [1, 9, 10].Поэтому, согласно наиболее принятой точке зрения, критерий ковариации Лоренца считается эквивалентным принципу относительности. Тем не менее, физический закон, математическая формула которого удовлетворяет критерию ковариации Лоренца, не гарантирует, что этот закон удовлетворяет принципу относительности [11]. А именно, критерий ковариации Лоренца не является достаточным условием для того, чтобы физический закон удовлетворял принципу относительности. Кроме того, как показано в главе 3, уравнения Максвелла становятся формоинвариантными благодаря новой схеме релятивистского преобразования.Следовательно, критерий ковариации Лоренца также не является необходимым условием для выполнения физическим законом принципа относительности. Вопреки общепринятой точке зрения, критерий ковариации Лоренца не эквивалентен принципу относительности. Предупреждалось, что строгое и универсальное применение техники ковариации может привести к математическим формализмам, не имеющим никакого физического смысла [12]. Тем не менее, это предупреждение было в значительной степени проигнорировано. В настоящее время ковариационный критерий Лоренца часто применяется для формулировки физических законов [13, 14].Здесь мы хотим исправить давние заблуждения относительно принципа относительности в ESR. 4.1. Следует ли из явно лоренц-ковариантного уравнения ∂ α A α = 0, что A α является четырехвектором? Следует ли из явно лоренц-ковариантного уравнения ∂ α A α = 0, что A α является лоренцевым 4-вектором? Или, даже если уравнение ∂ α A α = 0 выполняется во всех инерциальных системах отсчета, достаточно ли этого, чтобы предположить, что A α является 4-вектором? В качестве первого примера рассмотрим закон сохранения заряда ∂ρ(r, t)/∂t + · J(r, t) = 0, который выполняется во всех инерциальных системах отсчета.Этот закон можно выразить в явно ковариантной форме как ∂ α J α = 0, где J α = (c ρ, J), α = 0, 1, 2, 3, c – скорость света в вакууме. В учебнике физики [15] четырехтоковый J α доказывается как лоренцев 4-вектор при единственном предположении явно лоренц-ковариантной формы ∂ α J α = 0.