Аннотация: Термин - энергия - применяется и трактуется очень широко. И если в быту с необоснованно широким применением этого термина можно мириться, то в науке, и прежде всего в физике, необходимо чёткое и обоснованное понимание понятия энергии.
Энергия - это что такое?
Сенин Ю.П.
Ключевые слова: энергия, импульс, масса, сила, эквивалентность, время, движение.
Термин - энергия - применяется и трактуется очень широко. И если в быту с необоснованно широким применением этого термина можно мириться, то в науке, и прежде всего в физике, необходимо чёткое и обоснованное понимание понятия энергии.
Рассмотрим примеры.
* Для объяснения дефекта масс при ядерных реакциях, вместо отдельных понятий массы и энергии, было предложено объединить их в понятие масса-энергия. Такое решение было ошибочным, так как энергия есть свойство массы. Не может свойство сущности превратиться в саму сущность. Энергия, как свойство массы, является вторичным признаком массы. Энергия не является физической сущностью и, по этой причине, не влияет на состояние тел. Энергия есть интегральная мера изменения состояний взаимодействующих физических сущностей.
Можно предположить, что основанием для появления понятия "энергия-масса" явилось положение об эквивалентности массы и энергии. Такое положение существует, а объяснение сути эквивалентности дано в статье "Светоносная среда". Необходимо чётко различать эквивалентность энергии и массы от превращения энергии в массу и, наоборот, массы в энергию. Эквивалентность существует как математическая зависимость, а превращение энергии в массу - принципиально невозможно, ибо свойство физической сущности не может превратиться в саму физическую сущность.
* Физики теоретики допускают возможность позаимствовать на малый промежуток времени некоторую энергию и превратить её в частицу. Невозможность этого превращения нами уже рассмотрена.
* Поговорим о времени как таковом. Время, как и энергия, не является физической сущностью и, по этой причине, не оказывает никакого влияния на окружающий мир. Время есть отображение в нашем сознании изменчивости мира. Изменчивость мира, происходящая в результате разнообразных реальных взаимодействий - первична и реальна, а время существует только в наших головах.
Попробуем разобраться с энергией, рассмотрев тепловые движения атома в кристаллической решётке. Таких движений в бесконечной вселенной совершается неисчислимое количество в неисчислимой степени. Каждый атом кристаллической решётки связан силовыми связями со всеми соседними атомами, которые тоже совершают тепловые движения. Поэтому тепловые движения нашего атома имеют хаотический и сложный характер. Для определённости упростим эти движения.
Пусть атом совершает колебательные движения между двумя неподвижными атомами вдоль общей прямой, проходящей через центры масс этих атомов. Неподвижные атомы расположены на таком расстоянии друг от друга, при котором в точке, равноотстоящей от атомов, зарядовые силы притяжения и отталкивания, действующие между атомами, равны друг другу. Назовём эту точку точкой равновесия сил.
Все параметры тепловых колебаний атома симметричны относительно точки равновесия сил. Рассмотрим движение атома в направлении одного из неподвижных атомов (первый этап) и его обратное движение (второй этап).
В точке равновесия, сумма сил, действующих на движущийся атом, равна нулю, поэтому атом в этой зоне движется равномерно и прямолинейно. За зоной равновесия атом продолжает движение и, тем самым, нарушает равновесное состояние.
При этом одномоментно возникают две силы: сила инерции и неравновесность зарядовых сил, действующих между подвижным атомом и двумя неподвижными. Неравновесные зарядовые силы являются следствием изменения расстояний между атомами. Функциональная зависимость зарядовых сил от расстояния между зарядами хорошо известна.
На первом этапе движения атома зарядовые силы изменяют состояние движения атома (тормозят движение), а сила инерции противодействует этому изменению. Первый этап движения атома заканчивается его остановкой и мгновенным началом обратного движения. В момент остановки заканчивается преобразование состояния движения в состояние силы.
На втором этапе движения зарядовые силы преобразуют состояние силы в состояние движения (ускоряют атом), а сила инерции противодействует этому изменению. Второй этап заканчивается в точке равновесия зарядовых сил. В точке равновесия атом остановиться не может и продолжает своё движение к другому неподвижному атому. Рассмотренные циклы будут повторяться.
Рассмотрев оба периода движения атома, выяснили:
* Импульсы атома в начале первого периода и конце второго периода равны по величине и противоположны по направлению.
* Величина неравновесности зарядовых сил в конце первого периода и в начале второго равна максимуму.
* Сила инерции в конце первого периода и в начале второго равна максимуму и пропорциональна сумме зарядовых сил.
* Направление действия зарядовых сил и сил инерции не изменяется в процессе взаимодействия.
*Оба периода равны друг другу.
* В каждом периоде сумма одномоментных изменений импульса и неравновесности зарядовых сил является величиной сохраняющейся.
Из рассмотренного можно сделать выводы:
* Физическая сущность не может самопроизвольно изменять уровень своего состояния.
* Сумма мгновенных значений состояния движения и состояния силы сохраняется в процессе взаимодействия физических сущностей.
Предлагается математическая модель рассмотренного процесса взаимодействия.
Имеется отрезок прямой, по которому перемещается точка. Участки отрезка, расположенные между точкой и концами отрезка, при перемещении точки взаимосвязано изменяются, а длина отрезка при этом не изменяется. Вот этой неизменяющейся величине можно поставить в соответствие энергию.
О выделении и поглощении энергии.
Из рассмотренного примера тепловых колебаний атома следует, что под выделением энергии следует понимать преобразование состояния силы в состояние движения, а под поглощением энергии - преобразование состояния движения в состояние силы.
Для сообщения движения любому телу, например атому, необходимо другое тело или группа тел, чтобы оттолкнувшись друг от друга разлететься в противоположные стороны. Любое движение является реактивным движением, так как других способов создания движения в природе нет. Движение, порождённое силами притяжения, является движением реактивным. Отличие отталкивания от притяжения только в направлении взаимного движения.
Рассмотрим условия необходимые для поглощения или выделения энергии.
Несколько движущихся структурных элементов объединяются в некоторую метастабильную структуру, время существования которой может быть любым. Для определённости структурными элементами определим атомы.
Рассмотрим реакцию соединения водорода и кислорода. Эти атомы, соединяясь при определённых условиях, образуют метастабильную структуру. Атомов в этой структуре должно быть достаточно для построения двух атомов воды. Зарядовые силы притяжения - отталкивания в метаструктуре находятся в равновесном состоянии.
В недрах этой метаструктуры образуются две молекулы воды. Баланс сил в метаструктуре нарушается, и избыточные силы отталкивания сообщают молекулам воды движение. Молекулы разлетаются в противоположные стороны в соответствии с законом сохранения импульса. Энергия выделилась.
Так протекают все реакции с выделением энергии, например термоядерные реакции, реакции ядерного распада, и т.д.
Выводы.
* Рассмотрение процесса теплового взаимодействия атомов показало, что сохранение параметров чего-либо при множественных повторениях обеспечивается принципом симметрии. Поэтому, энергию как сохраняющуюся величину можно использовать для удобства понимания происходящих процессов и для расчётов параметров этих процессов.
* Понятно, что энергия - чисто математическое понятие, такое как импульс, скорость, сила и др. Ею удобно пользоваться при математических выкладках. Сохранение энергии при любых взаимодействиях отражает единство природы, её вечность и неуничтожимость и, следовательно, её нерождаемость.
Размышления и сомнения.
Выяснилось, что кроме импульса у движущихся тел и зарядовых сил (как следствие неравновесности) нет ничего изменяющегося при взаимодействиях. Импульс - это мера инертности движущегося тела, действующая вдоль линии движения: по движению при торможении и против движения при ускорении.
Изменение состояния движения порождает силы инерции. Силы инерции (силы сугубо внутренние) транслируют своё силовое влияние через зарядовые силы, порождая изменение зарядовых сил, которое (в свою очередь) порождает изменение сил инерции и т.д.
Силы инерции опосредованно (через изменение расстояния) совершают работу по изменению зарядовых сил. Величина этой работы пропорциональна импульсу. Т.е. мера инертности это и есть энергия.
С другой стороны, работа совершаемая импульсом превращается в увеличение (изменение) зарядовых сил, действующих между сближающимися атомами. Это тоже энергия.
Но эти энергии не похожи друг на друга, они разные. С одной стороны мера инертности, а с другой просто сила.