Підручник з Природничих наук. 1 частина. 10 клас. Гільберг - Нова програма

ЗАКОНИ ПРИРОДИ

А чи рахували ви, скільки законів вивчали на уроках фізики, хімії, біології, правознавства? Додайте до них ще закон Мерфі, закон бутерброда, закон Фінейгла¹. Тоді ви матимете перелік законів, що описують природні явища, правові відносини, а також життєві ситуації, коли у вас щось не вдається. Поміж них є часткові, універсальні й навіть жартівливі. Ми будемо розглядати універсальні закони природи.

¹ Жартівливий універсальний філософський принцип, який полягає в тому, що якщо яка-небудь неприємність може трапитись, — вона таки трапиться. Бутерброд завжди падає маслом донизу — аналог закону збільшення ентропії, популярний поміж хакерів; англ. Finagle — шахраювати.

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Знати універсальні закони природи (збереження) та універсальні поняття й величини (енергія, маса, ентропія, рух, простір, час).

Мати уявлення про спеціальну й загальну теорію відносності, ентропію як характеристику напрямку і необоротності перебігу процесів у системі; про класичні властивості простору, часу та матерії.

Розуміти, що законам збереження підпорядковано всі процеси, що відбуваються як у неживій, так і в живій природі, і що вони є фундаментальними законами природи.

Пояснювати взаємозв’язок маси та енергії як наслідок теорії відносності. Усвідомлювати єдність різноманіття об’єктів природи.

Оцінювати значення науки в пізнанні світу.

УСЕ ТЕЧЕ, УСЕ ЗМІНЮЄТЬСЯ

Цей знаменитий вислів філософа Геракліта (544—483 до н. е., Давня Греція), свідчить про те, що все, що є у світі — змінюється. Подальше вивчення навколишнього світу показало, що будь-яка зміна, що відбувається в природі, є рухом матерії. Рух матерії може змінювати свою форму, але сам рух матерії не виникає й не знищується (мал. 5.1).

Мал. 5.1. Філософи стародавнього світу — про рух і матерію

Поміж різних форм руху матерії виокремлюють кілька основних (мал. 5.2).

Мал. 5.2. Про види руху в науці й літературі

«Спізнаєш ти шляхи світил, збагнеш природи вічний рух, і в душу вступить повінь сил...»

Й. В. Гете. Фауст

«Так усе колись минеться, все, що вдіє людський дух, неодмінним зістається лиш невпинний, вічний рух...»

Володимир Самійленко. Дві планети

Якщо уважно придивитися, то ці форми руху відображають рух матерії в живій і неживій природі, але соціальна форма руху дещо виходить за межі природознавства, оскільки здійснюється не лише через предмети, створені людиною, а й через зміну самої людини, через її суспільний розвиток. Адже в процесі життєдіяльності людства перетинаються дві лінії розвитку: природна еволюція неживої й живої матерії і, так би мовити, «штучної матерії», яка лежить в основі суспільних явищ.

Світ, що існує, у своїй різноманітності єдиний і в єдності різноманітний. Виявом єдності світу є єдність його законів, універсальність властивостей. Загальною властивістю руху і взаємодії всіх видів матерії є енергія, яка, зрозуміло, як і рух, не виникає ні з чого й нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії).

Закони збереження — це група законів, які стверджують, що значення певних фізичних величин не змінюється в замкненій системі з її еволюцією. Основними законами збереження є:

• закон збереження енергії;

• закон збереження маси (у класичній фізиці) й маси-енергії (у релятивістській);

• закон збереження імпульсу й моменту імпульсу;

• закон збереження електричного заряду;

• ряд законів збереження у фізиці елементарних частинок.

Універсальним є закон збереження енергії. Поняття енергії поєднує всі явища природи в одне ціле, є універсальною величиною.

Поняття енергії складалося в фізиці протягом багатьох століть. Його розуміння весь час змінювалося. Уперше термін «енергія» в сучасному фізичному розумінні застосував у 1808 р. фізик Томас Янг (1773—1829, Велика Британія). До того вживали термін «життєва сила» (лат. vis viva), який ще в XVII ст. ввів у обіг Готфрид Лейбніц (1646—1716, Священна Римська імперія), визначивши його як добуток маси на квадрат швидкості. У 1829 р. математик, механік та інженер Гаспар-Гюстав де Коріоліс (1792—1843, Франція) уперше застосував термін кінетична енергія в сучасному сенсі, а термін потенціальна енергія був запроваджений інженером-будівельником, фізиком і математиком Вільямом Ранкіном (1820—1872, Велика Британія) у 1853 р. На той час здобуті в дослідженнях у різних областях науки дані почали складати в загальну картину. Завдяки дослідам фізиків Джеймса Джоуля (1818—1889, Велика Британія), Юліуса фон Маєра (1814—1878, Німеччина), Германа Гельмгольца (1821—1894, Німеччина) було прояснено питання перетворення механічної енергії в теплову. В одній з перших робіт «Про збереження сили» (1847) Гельмгольц, із погляду ідеї єдності природи, математично обґрунтував закон збереження енергії та положення про те, що організм є фізико-хімічним середовищем, у якому зазначений закон точно виконується. Він сформулював «принцип збереження сили» й неможливість Perpetuum Mobile (вічного двигуна). Ці відкриття дали змогу сформулювати перший закон термодинаміки або закон збереження енергії. Поняття енергії стало центральним у розумінні фізичних процесів. Незабаром природно в поняття енергії було вписано термодинаміку хімічних реакцій та теорію електричних і електромагнітних явищ.

З побудовою спеціальної теорії відносності поняттю енергія надали нового змісту. Якщо раніше потенціальну енергію визначали з точністю до довільної сталої, то теорія Альберта Ейнштейна встановила зв’язок енергії з масою.

Квантова механіка збагатила поняття енергії квантуванням: для певних фізичних систем енергія може набувати лише дискретних значень. Крім того, принцип невизначеності встановив границі точності вимірювання енергії та її взаємозв’язок із часом. Теорема, доведена фахівчинею з математики Еммі Нетер (1882—1935, Німеччина), продемонструвала, що закон збереження енергії випливає з принципу однорідності часу, за яким фізичні процеси в однакових системах відбуваються однаково, навіть якщо вони починаються в різні моменти часу.

Відповідно до різних форм руху матерії, розрізняють кілька типів енергії: механічну, електромагнітну, хімічну, ядерну, теплову тощо. Цей поділ є досить умовним. Так, хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів і потенціальної енергії їхньої взаємодії та взаємодії з атомами.

Якщо простежити «родовід» усіх цих різноманітних видів енергії, то виявиться, що всі вони є енергією сонячного випромінювання. Енергія космічного простору, що оточує нас, акумулює Сонце у вигляді енергії атомних ядер, хімічних елементів, електромагнітних і гравітаційних полів. Сонце забезпечує Землю енергією, що виявляється у вигляді енергії вітру та хвиль, приливів і відливів, у формі геомагнетизму, різного виду випромінювань (зокрема й радіоактивності), мускульної енергії представників тваринного світу. Геофізична енергія вивільняється у вигляді природних стихійних явищ (вулкани, землетруси, грози, цунамі), обміну речовин в організмах, що становлять основу життя, корисної роботи з переміщення тіл, зміни їхньої структури, якості, передавання інформації, накопиченні енергії в різного роду акумуляторах, конденсаторах, у пружній деформації пружин, мембран тощо (мал. 5.3).

Мал. 5.3. Перетворення енергії в природі

Енергія одного виду може перетворюватися на енергію іншого виду, наприклад, хімічна енергія може перетворюватися на теплову, теплова енергія — на механічну тощо.

Розгляньмо приклад. У молекулі хімічної сполуки атоми сполучені між собою хімічними зв’язками. Для того щоб розірвати хімічний зв’язок, потрібно витратити певну енергію, величина якої залежить від типу зв’язку. В одних молекулах енергія зв’язку більша, в інших — менша. Так, енергія зв’язку в молекулі карбон(IV) оксиду (СО₂) більша, ніж сумарна енергія атома Карбону у вугіллі (С) й атомів Оксигену в молекулі кисню (O₂). Тому можлива хімічна реакція горіння, унаслідок якої утворюється вуглекислий газ, а залишки хімічної енергії передаються поступальному тепловому руху молекул, тобто перетворюються на тепло. Виділене в результаті горіння тепло можна використати, наприклад, для нагрівання пари в паровій турбіні, яка під час обертання створює електрорушійну силу в генераторі — електроенергію. Електроенергія так само може бути використана для виконання механічної роботи, наприклад, підйому ліфта, або ж для освітлення, де електрична енергія перетворюється на енергію електромагнітних хвиль — світла.

Будь-які форми енергії перетворюються одна на одну за допомогою механічного руху, хімічних реакцій і електромагнітних випромінювань та врешті-решт переходять у тепло й розсіюються в навколишньому просторі (мал. 5.4.). Вияви цього явища — вибухові процеси, горіння, гниття, плавлення, випаровування, деформація, радіоактивний розпад.

Мал. 5.4. Взаємоперетворення різних форм енергії

Основна властивість організмів полягає в їхній здатності вловлювати, перетворювати та запасати енергію в різних формах. Закони, що — визначають перетворення енергії, вивчає термодинаміка. Закони термодинаміки універсальні для живої та неживої природи.

Будь-яку частину довкілля, яку ми хочемо дослідити й описати з погляду термодинаміки, називають системою. Наприклад, це може бути шматок льоду, газ у балоні, повітря в кімнаті, клітина, мітохондрія, серце, організм, біосфера. Схарактеризуємо термодинамічні системи.

Термодинамічна система — сукупність матеріальних об’єктів (тіл), відокремлена від навколишнього середовища. Виокремлюють три види систем (мал. 5.5):

1) ізольована система — обмін ні речовиною, ні енергією з навколишнім середовищем не відбувається (математична модель, реально не існує);

2) закрита система — відбувається обмін енергією, але не речовиною з навколишнім середовищем (закрита посудина з речовиною);

3) адіабатно ізольована система — обмін енергією у вигляді теплоти з навколишнім середовищем не відбувається (термос);

4) відкрита система — відбувається обмін і енергією, і речовиною з навколишнім середовищем (жива система).

Для характеристики термодинамічної системи використовують фізичні величини, значення яких зумовлені її термодинамічним станом (температурою, тиском, ентропією тощо.

Організм — це відкрита система. І лише в окремих частинах клітини можуть існувати умови для замкнутої чи ізольованої систем.

Мал. 5.5. Види термодинамічних систем

Усі види діяльності клітини здійснюються за рахунок енергетичних затрат. Єдиним джерелом життя в організмі є енергія, яка міститься в хімічних зв’язках молекул жирів, білків і вуглеводів, що надходять до організму з їжею. У результаті процесів окиснення відбувається ступінчасте вивільнення цієї енергії, а потім частина її розсіюється у вигляді тепла, а частина — накопичується у вигляді мікроергічних зв’язків (це відбувається в молекулах АТФ — аденозинтрифосфатної кислоти).

Енергетичні процеси в організмі відбуваються у відповідності до першого закону термодинаміки, тобто закону збереження та перетворення енергії, що поширюється на теплові явища. Можливими формами передавання енергії від одного тіла до іншого є теплопередача та виконання роботи. Виконана робота й кількість теплоти, яку передано тілу, визначають зміну енергії тіла в будь-якому процесі. Іншими словами, якщо надати тілу (системі) деяку кількість теплоти ΔQ, то вона може бути витрачена на збільшення внутрішньої енергії ΔU та на виконання системою роботи ΔА проти зовнішніх сил, тобто: ΔQ = ΔU + ΔA.

Завдяки терморегуляції температура тіла людини та теплокровних тварин підтримується сталою. Важливою частиною терморегуляції є теплообмін з навколишнім середовищем (теплопровідність, конвекція, випаровування, випромінювання/поглинання). Чимало факторів упливають на теплообмін людини з навколишнім середовищем:

• стан навколишнього середовища (вологість, температура, вітер та ін.);

• стан самої людини (у стані спокою або руху, збудженість);

• наявність і кількість одягу тощо.

Дані, що ілюструють надходження та вивільнення енергії людиною, наведено в таблиці 5.1.

Таблиця 5.1.

Надходження та вивільнення енергії людиною

Організм утрачає тепло переважно через шкіру. Якщо температуру, властивості шкіри та деякі інші чинники вважати незмінними, то втрати тепла прямо пропорційні площі поверхні організму. Отже, енергію, яку отримують за рахунок їжі, витрачають на тепловіддачу з поверхні тіла та на енергію, необхідну для руху. Мінімальна кількість їжі має бути прямо пропорційною площі поверхні тіла.

Теплопровідність, як один зі способів теплопередачі, відіграє суттєву роль у життєдіяльності організму, зокрема сприяє вирівнюванню температур у різних його частинах, залишивши невелику різницю між поверхнею шкіри та внутрішніми органами й тканинами.

Велике значення має зменшення теплообміну в поверхневому шарі, чого тварини досягають за допомогою волосяного покриву, а люди — використанням одягу. Такі покриви утворюють повітряний шар, який має низьку теплопровідність.

Перетворення енергії в живій клітині. Зелене листя, що поглинає сонячні промені, здійснює фотосинтез, під час якого енергія світла перетворюється на хімічну енергію, яку рослини «запасають» в органічних сполуках, наприклад у глюкозі.

Хімічна енергія глюкози перетворюється в процесі клітинного окиснення частково в тепло, а частково — в іншу форму хімічної енергії, в енергію макроергічних зв’язків АТФ — аденозинотрифосфатної кислоти. За рахунок гідролізу АТФ може відбуватися перенесення речовин з області з нижчою концентрацією в область із вищою концентрацією (осмотична робота), перенесення йонів в область вищого електричного потенціалу (електрична робота); в організмі тварини — скорочення м’язів (механічна робота). При цьому частина хімічної енергії АТФ перетворюється на осмотичну, електричну та механічну енергію.

Відбувається кругообіг енергії в природі, для якого характерним є те, що в космічному просторі реалізується не лише хаотичність, а й обернений процес — упорядковування структури.