Владимир Ушаков - Радиационная безопасность. От теории к практике

Из сказанного следует, что материи всегда присуща энергия и что не может быть энергии без материи.

Из закона сохранения и превращения энергии следует, что между различными видами энергии существует эквивалентность. Этот закон справедлив для всех видов энергии, он является всеобщим законом природы, не знающим исключений, и выражает языком физики единство материального мира.

Если материальная система подвергается внешним воздействиям, в результате которых она переходит из одного состояния в другое, то изменение ее энергии равно изменению энергии взаимодействующих с ней тел и полей. В термодинамике внешние воздействия подразделяются на два рода: механическую работу, совершаемую системой, и теплообмен между системой и внешней средой, характеризуемый количеством тепла, отдаваемого (или поглощаемого) системой. Соответственно этому закон сохранения и превращения энергии в термодинамике формулируется так: количество тепла Q, сообщенное системе, идет на увеличение внутренней энергии системы U и на совершение системой внешней работы А, т. е. Q = U + А.

Этот закон носит название первого начала (принципа) термодинамики.

В физике большое значение имеет взаимосвязь массы и энергии. Масса является одной из важнейших характеристик тел, одним из неотъемлемых свойств материи.

До конца XIX века масса считалась неизменным свойством частиц вещества, не зависящим от скорости их движения. Исследования и опыты по определению светового давления, опыты с быстро движущимися электронами показали, что их масса меняется вместе со скоростью.

В теории относительности этот закон был распространен на любые частицы вещества: атомы, нейтроны, электроны и др.

Масса тел и частиц, движущихся с большой скоростью (соизмеримой со скоростью света), будет больше массы покоя.

Эйнштейн в теории относительности вывел исключительно важную закономерность в соотношении между массой m и энергией Е тел (частиц), а именно E = mc 2 .

Это соотношение выражает закон взаимосвязи массы и энергии для любых тел, элементарных частиц и полей, подтверждая неразрывность движения и материи, оно подчеркивает общность всех видов энергии. Закон зависимости массы от скорости и закон взаимосвязи между массой и энергией получили экспериментальное подтверждение при ядерных реакциях, они имеют большое значение при расчетах ядерных процессов. Эти закономерности лежат в основе теории современной ядерной физики.

Так как с 2 является величиной постоянной, то всякое изменение энергии тела влечет за собой соответствующее изменение его массы, следовательно, количество энергии тела может оцениваться и величиной его массы. Поэтому не должно представляться странным выражение: «Солнце ежеминутно излучает энергию в количестве, равном 250х10 6 т».

Все тела с одинаковой массой содержат одинаковое количество энергии. Чтобы оценить энергию 1 г любого тела (металла, угля, песка и др.), надо в соотношение Эйнштейна поставить вместо m единицу, а вместо с – значение скорости света (3х10 10 см/с). Тогда, тело с массой 1 г обладает энергией, равной 9х10 20 эрг или 2,15х10 13 кал или 9х10 13 Дж, что соответствует количеству энергии, выделяющейся при сжигании около 3000 т каменного угля.

Из показанного примера следует, что природа располагает неисчислимыми запасами энергии, даже малой части которых достаточно для удовлетворения потребностей в энергии всего человечества. Однако в настоящее время освобождение и использование этой энергии является пока еще сложной проблемой.

Прежде чем приступить к рассмотрению вопросов, связанных с количественным выражением значений энергии, предлагается рассмотреть единицы измерения энергии и их количественные соотношения, вытекающие из эквивалентности различных физических форм энергии (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Соотношения между энергетическими единицами

1кг массы вещества соответствует 5,61х10 22 МэВ или 0,603х10 24 а.е.м., а 1 а.е.м., в свою очередь, соответствует 1,66х10 —27 кг массы вещества.

В качестве единицы измерения энергии элементарных частиц в атомной физике применяют электрон-вольт (эВ). Один электрон-вольт (1 эВ) – это такое количество энергии, которое приобретает электрон при перемещении в постоянном электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. При этом, электрическое поле совершает работу перемещения электрона, в результате чего энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона.