Энергия и атомы

Одним из самых больших достижений физики XIX столетия было осознание того, что, если рассматривать материю как вещество, состоящее из атомов, то все законы термодинамики могут быть поняты, исходя из того, что теплота — это ничто иное, как энергия движущихся атомов.

Вообразим (см. рис. 5-3), столкновение двух пластилиновых шаров одинаковой массы, движущихся навстречу друг к другу с одинаковыми скоростями. После столкновения они слипнутся и остановятся. Если не рассматривать внутреннюю структуру шаров, то мы видим, что полный импульс системы сохраняется, а вот энергия движения теряется! Заметим, что в механике закон сохранения импульса, независимо от того уровня, на котором рассматривается система, выполняется без всяких ограничений. Если же мы будем исследовать вещи на более глубоком уровне, то обнаружим, что энергия движения шаров перешла в движение атомов, из которых состоят пластилиновые шары. Это может быть замечено по увеличению температуры шаров, поскольку температура – это ни что иное как мера средней кинетической энергии (это будет показано в Главе13). Движение атомов является сложным, хаотическим и случайным. Нет никакого способа полностью обратить процесс столкновения, то есть заставить все атомы пластилинового шара двигаться в одном направлении, и, тем самым, восстановить первоначальную энергию шара.

Если мы переходим из макроскопического мира шаров к микроскопическому миру их атомов, то закон сохранения энергии  сохраняет в некоторой степени свой механический характер. Так, например, химическая энергия может рассматриваться как потенциальная энергия тех сил, которые связывают атомы вещества воедино. Это вело к надежде, что все природные явления, если разобраться в их микроскопических деталях, допускают механическую интерпретацию. Единственными истинными формами энергии в этом случае оказались бы кинетическая и потенциальная.

Рассмотренный пример столкновения пластилиновых шаров демонстрирует и другое преимущество концепции “энергия”. С точки зрения одного только закона сохранения импульса нет никакого различия между шарами до и после столкновения, или же между упругим соударением и неупругим. Закон сохранения энергии, однако, позволяет сделать такое различие, так как энергия — это мера движения, не зависящая от направления движения. Действительно, законы упругого соударения получены из предположения, что одновременно выполняются законы сохранения и импульса и энергии. Совместное применение этих законов позволяет дать более полное описание движения объектов.

Можно теперь более подробно проанализировать примеры столкновений, рассмотренных в Главе 2. с точки зрения закона сохранения энергии. В первом примере, где шары слипаются, часть кинетической энергии идёт на повышение температуры. При упругом соударении кинетическая энергия сохраняется неизменной. Третий пример показывает, что существенное количество энергии было преобразовано в кинетическую форму в момент столкновения. (Возможно к одному из шаров был прикреплен взрывчатый патрон!)