Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Экология

Фундаментальные законы природы

Законы сохранения

Многие фундаментальные законы природы были открыты в период с начала XVIII до конца XIX в., который соответствует классическому этапу развития естествознания. К ним относятся прежде всего законы механики, открытые в 1667 г. выдающимся английским ученым Исааком Ньютоном, основоположником классической физики. Другие фундаментальные законы — законы сохранения — сыграли и играют не менее важную роль в развитии всех отраслей естествознания: физики, химии, биологии, экологии и др. Например, законы сохранения массы и энергии позволяют количественно описать не только физические явления, но и химические, и биохимические процессы превращения веществ. В становлении этих фундаментальных законов большую роль сыграли труды великого российского ученого М.В. Ломоносова, впервые сформулировавшего закон сохранения материи и движения.

Для формулировки законов сохранения вводятся понятия массы, энергии и др. Масса — одна из основных характеристик материальных объектов, определяющая количественную меру вещества. Различают инертную и гравитационную массы. Инертная масса характеризует инертное свойство материальных объектов, которые описываются законами динамики Ньютона. Гравитационная, или тяжелая масса, определяет свойство притяжения материальных объектов в соответствии с законом всемирного тяготения.

Все химические превращения подчиняются закону сохранения массы, общая масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна общей массе продуктов реакции. Этот закон универсален — он применим для всех превращений вне зависимости от того, где и когда они происходят.

Какими бы не были реальные процессы (физическими, химическими, ядерными или биологическими), они не могут уничтожить вещество — ни огонь, ни сверхвысокие давления и температура, ни химические реакции, ни ядерные превращения, ни биологические процессы не могут привести к полному его исчезновению. При любом воздействии на вещество нельзя уничтожить даже один его атом, хотя при этом изменяются свойства и структура вещества, а при ядерных превращениях подобные изменения происходят на нуклонном уровне. Физическое воздействие может перевести вещество в другое состояние, а при его химическом и ядерном превращениях образуются новые комбинации химических элементов и их изотопов. Об этом важно знать, чтобы понять простую истину: любое вещество, если даже оно вредно и опасно, нельзя полностью уничтожить или совсем от него избавиться. Подобные вещества загрязняют окружающую среду.

Невозможность уничтожения вещества следует из закона сохранения массы. Все, что по нашим представлениям выбрасывается, в том или ином виде переносится в другое место. Можно собрать, например, пыль и сажу, накапливаемую в дымовых трубах тепловых электростанций, но такие отходы нужно где-то захоронить. Можно собрать мусор и очистить сточные воды, а продукты очистки и мусор сжечь либо сбросить в реки, озера и океаны, либо захоронить на суше, но при этом загрязняется соответственно атмосфера, вода и почва. Ничто не исчезает бесследно. Наименьший вред окружающей среде наносится при утилизации и повторном использовании промышленных и бытовых отходов.

Обычно говорят о потреблении или расходовании материальных ресурсов. При потреблении, расходовании и переработке сырьевые ресурсы превращаются в какую-либо полезную и нужную для человека продукцию, которая после использования выбрасывается либо частично снова перерабатывается, т.е. переходит в другую материальную форму. Это означает, что исходное вещество потребляемого сырья не уничтожается и полностью не исчезает. Поэтому правильнее было бы говорить не о потреблении и расходовании материальных ресурсов, а о временном их использовании.

В масштабах нашей планеты общая масса вещества изменяется незначительно: небольшая доля легких газов верхних слоев атмосферы рассеивается в космосе, а из межпланетного пространства на Землю иногда падают железные и каменные метеориты и редко выпадают звездные дожди. Такие естественные процессы приносят и уносят вещество, масса которого чрезвычайно мала по сравнению с общей массой Земли. Однако искусственно созданные материальные объекты в виде космических аппаратов и ракет приводят к накоплению космического мусора. При массовом производстве космической техники такой мусор нарушает безопасность космических полетов и может привести к нарушению баланса вещества на нашей планете: космический мусор частично возвращается на Землю в виде металлических обгоревших обломков, а частично сгорает в атмосфере, пополняя ее загрязняющими веществами, в том числе и токсичными.

В живой природе происходит непрерывный круговорот органических и неорганических веществ между неживыми (почва, воздух, вода) и живыми (растения, животные и микроорганизмы) составляющими окружающей среды. При этом всегда выполняется закон сохранения массы.

Огромное разнообразие природных систем и структур, их свойства и динамика определяются взаимодействием материальных объектов. Именно взаимодействие — основная причина движения материи, поэтому оно, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Движение материи характеризуется энергией. Энергия — общая количественная мера движения материи. Разным физическим процессам соответствует определенная энергия: механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т.д. В частности, механическая энергия может быть потенциальной и кинетической. Потенциальная энергия — это часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее элементов и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. Энергию механической системы, определяемую скоростью движения составляющих ее элементов, принято называть кинетической.

Все природные явления и процессы связывает воедино закон сохранения энергии. Для механических систем этот закон формулируется так: в консервативных системах полная механическая энергия сохраняется, т.е. не изменяется со временем. Консервативной принято называть такую систему, в которой под действием силы совершается работа, не зависящая от траектории перемещающегося тела. Если в механической системе работа зависит от траектории движения, то такая система диссипативная. В диссипативных системах механическая энергия постепенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) виды энергии. Такой процесс называется диссипацией, или рассеиванием энергии, и происходит во всех реальных системах. В реальных системах полная механическая энергия не сохраняется. Однако при убывании механической энергии всегда возникает равное количество энергии другого вида, например тепловой. Таким образом, энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключается сущность закона сохранения и превращения энергии. Этот закон следует из свойства однородности времени и применим для всех явлений и процессов неживой и живой природы вне зависимости от того, где и когда они происходят. Закон сохранения энергии позволяет понять, что все реальные процессы, связанные и несвязанные с деятельностью человека, приводят к потерям энергии. Сохранить энергию — значит сберечь природные ресурсы и, следовательно, защитить окружающую среду.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы