§ 2. Виды энергии и формы обмена энергией

Современная материалистическая философия определяет энергию как меру различных видов материального движения в процессах вза­имного превращения движения из одних форм в другие. Движение, понимаемое в широком смысле, есть способность материи к изменению и является неотъемлемым свойством, атрибутом материи.

Первой формой движения, изученной наукой качественно и коли­чественно, была механическая форма, состоящая в изменении прост­ранственного расположения макроскопических тел. Значительно позднее, в основном в середине XIX в., были изучены такие формы движения, как .электрическая, химическая, магнитная и др. При этом было обнаружено, что тела могут передавать движение друг другу так, что данная форма движения уменьшается в одном теле и увеличивает­ся в другом. Это явление получило название превращения движения из одной формы в другую.

Опыт показал, что такие превращения всегда количественно экви­валентны, они всегда происходят с одинаковым отношением количеств . взаимно превращающихся форм движения (выраженных каждая сво­ими единицами). Именно эта эквивалентность привела к появлению понятия энергии как общей, одинаковой количественной меры различных форм движения материи, способных превращаться друг в друга, и явилась основой закона сохранения и превращения энергии.^I

Любое материальное тело в зависимости от его физической струк­туры обладает способностью к различным формам движения. Так, на- ^ пример,, смесь газообразных кислорода и водорода способна претер­певать различные изменения; механические (сжатие, ускорение по- 1>ока), химические (горение), электрические (поляризация при. поме- мщении в электростатическое поле), магнитные (магнитная поляриза­ция молекул кислорода в магнитном поле).

* В связи с этим зачастую понятие энергии используют для характе­ристики движения, которое в той или иной конкретной форме свойст­венно данному телу. В таких случаях обычно говорят, что существу­ют различные виды энергии, соответствующие различным формам дви­жения: кинетическая, гравитационная, химическая, электрическая и др. Понятие вида энергии оказывается полезным при качественном описании явлений, происходящих в телах при обмене движением (т. е. энергией). В то же время следует иметь в виду, что энергия данного вида не является чем-то, что хранится в теле в виде некоторого запаса и передается от одних тел к другим в своем неизменном качестве: При передаче движения (энергии) может происходить как исчезновение прежней, так и появление новой формы движения. Однако энергия как общая мера любых форм движения не создаваема и не уничтожи- . ма, она едина по своей сущности.

Особую роль в термодинамике играет понятие теплового движения материи. Тепловым движением называют хаотическое механическое дви­жение большой совокупности мельчайших частиц, составляющих мак­роскопические тела. В отличие от прочих видов движения (механичес­кого, электрического и др.), характерных как для макроскопических тел, так и для элементарных частиц, понятия теплового движения и тепловой эиергии возникают только при рассмотрении больших сово­купностей микрочастиц и являются, таким образом, феноменологичес­кими (термодинамическими) понятиями.

От понятия «вид энергии» следует отличать понятие «форма пере­дачи энергии» (или способ обмена энергией).

Передача движения (энергии) от одних тел к другим происходит в результате взаимодействия этих тел. Современная физика, разли­чает четыре фундаментальных вида взаимодействий: электрическое, гравитационное, ядерное и слабое. Во всех явлениях неастрономиче­ских и неядерных масштабов на микроскопическом уровне проявляет­ся лишь одно из них — электрическое. Однако макроскопические про­явления этого взаимодействия оказываются весьма разнообразными и именно они определяют наблюдаемые формы движения материи и соответствующие виды энергии. Так, например, явленйя упругости обусловлены электрическим взаимодействием между одноименно за­ряженными, электронными оболочками соседних атомов твердого те­ла, электромагнитное излучение нагретого тела обусловлено электрн-. ческим взаимодействием между ядрами и их электронными оболочка­ми, изменения при химических реакциях объясняются электрическим взаимодействием ядер и электронных оболочек различных химических элементов и т. д.

Характер термодинамического взаимодействия определяется теми изменениями, которые происходят в макроскопических телах при пе­редаче энергии.

В ходе развития науки об энергии было установлено, что, несмотря на весьма большое разнообразие энергетических взаимо­действий, они могут быть сведены к двум способам.

Первый способ передачи энергии характеризуется тем, что при обмене движением происходят пространственное перемещение в не­котором выбранном направлении макроскопического количества час­тиц — носителей энергии. Передача энергии в результате микроскопи­ческого упорядоченного движения называется работой. Количество перехаваемой при этом энергии называют работой процесса или просто работой. Простейшим, наиболее наглядным видом работы является механическая работа, совершаемая механической силой, которая пе­ремещает в пространстве макроскопическое тело или некоторую часть тела. Хроме того, существуют различные виды немеханических работ. Так, электрическая работа совершается, когда некоторое количество носителей электрического заряда переносится в электрическом поле (при течении тока ио проводнику, при накоплении зарядов на обклад­ках конденсатора и т. д.). При совершении магнитной работы про­исходит организованный, соответствующий ориентации магнитного поля поворот в пространстве всех элементарных магнитов, присутст­вующих в намагничиваемом материале. Общим для всех видов, рабо­ты свойством является принципиальная возможность полного превра­щения их друг в друга.

При втором способе передачи энергии происходит передача хаоти­ческого (теплового) движения микрочастиц, составляющих макроско­пические тела. Для этого между телами должен существовать так на­зываемый тепловой контакт, осуществляемый либо непосредственным саир икосновением тел, либо переносом энергии беспорядочных элект­ромагнитных колебаний. При этом необходимо, чтобы тела имели раз­личную температуру. Передача энергии в результате обмена хаотичес­ким, ненаправленным движением микрочастиц называется теплообме- нам, а количеств® яередаваемой при этом энергии — количеством теп- лоты, теплотой процеса или теплотой.

Таким образом, работа (любого вида) и теплота не являются пи энергией (как общей мерой движения), ни видом энергии (как мерой движения какой-либо определенной формы). Работа и теплота явля­ются лишь количествами, измеряющими изменение материального движения во взаимодействующих телах, а различные названия этих количеств подчеркивают различия в способах или в формах обмена энергией.

Следует иметь в виду, что работа и теплота могут вызывать во вза­имодействующих телах изменение движения любой формы. Например, . передача энергии в механической форме путем совершения работы де­формации над газом приводит к увеличению его теплового движения. Электрическая работа, совершаемая аккумулятором, сопровождается химическими изменениями его элементов.

Следовательно, существует множество различных форм движения материи и соответственно множество различных видов энергии. Од­нако имеются лить два принципиально различающихся способа переда­чи энергии (формы, обмена энергией): работа и теплота.