Сохранение механической энерги
Пусть на тело массой действует постоянная сила и векторы силы и перемещения направлены вдоль одной прямой в одну сторону. Работа силы в этом случае определяется как: A = Fs. Модуль силы по второму закону движения равен F = ma, а модуль перемещения при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной и конечной скорости и ускорения выражением
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.
Выражение для работы можно записать в виде:
A = Ek2 – Ek1. Работа равнодействующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Если начальная скорость движения тела равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения v, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:
Ek = mv2/2
При перемещении тела массой m вертикально вниз с высоты над поверхностью Земли до высоты под действием силы тяжести Fm = mg совершается работа A = Fs = mg(h1 – h2) При перемещении тела массой m вниз по наклонной плоскости сила тяжести совершает работу
A = mgs cos? = mgh
где h – высота наклонной плоскости, s – модуль перемещения, равный длине наклонной плоскости. Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях A = – (mgh 2 – mgh1). Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела Ep = mgh. Тело массой m, находящееся на глубине h от поверхности Земли, обладает отрицательной потенциальной энергией: Ep = – mgh. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятого с противоположным знаком: A = – (Ep2 – Ep1). Работа силы тяжести на замкнутой траектории равна нулю.
Потенциальная энергия характеризует взаимодействующие тела, а кинетическая – движущиеся тела.
И потенциальная, и кинетическая энергии изменяются в результате такого взаимодействия тел, при котором действующие на тела силы совершают работу, отличную от нуля. Если несколько тел взаимодействуют между собой силами тяготения и упругости и никакие внешние силы на них не действую, то работа сил упругости или сил тяготения равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = – (Ep2 – Ep1). Вместе с тем работа тех же сил равна изменению кинетической энергии: A = Ek2 – Ek1. Из сравнения равенств находим: Ek1 + Ep2 = Ek2 + Ep2.
Закон сохранения энергии в механических процессах: сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и упругости, остается постоянной. Сумма кинетической и потенциальной энергии тел называется полной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной. При любых взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую
ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Все многообразие окружающей природы состоит из сочетаний сравнительно небольшого числа химических элементов.
Современное представление об элементах сформировалось после открытия Д. И. Менделеевым периодического закона.
Химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (заряд ядра равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева).
Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массой атомов, называются изотопами. Ядра атомов изотопов различаются числом нейтронов. Так, изотопами углерода являются 126C,136C,146C, водорода – 11H (протий), 21H= D (дейтерий) и 31H = T(тритий).
Дейтерий и тритий называются тяжелыми изотопами водорода. Если атом дейтерия или трития входит в состав молекул воды, то масса такой молекулы увеличивается и такая вода называется тяжелой водой. Масса ядра всегда меньше арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Разность между этими величинами называется дефектом массы. Например, масса ядра гелия 24He (2p, 2п) равна 4,001506 а. с. м., а сумма масс протонов и нейтронов составляет 4,031882, т. е. дефект массы равен 0,030376 а. с. м.
Дефект массы – это энергия, которая выделяется при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов. Ее можно вычислить из соотношения Эйнштейна E= mc2. Образование ядра из свободных частиц сопровождается выделением огромного количества энергии. Средняя энергия связи в ядре в миллионы раз превышает энергию связи. Поэтому при химических реакциях веществ ядро не изменяется.
При рассмотрении атомных масс элементов можно заметить, что почти у всех элементов атомные массы дробные. Это объясняется тем, что каждый элемент встречается в природе в виде разных изотопов. При подсчетах учитывается масса того или иного изотопа в земной коре. Относительная атомная масса, приведенная в таблице Д. И. Менделеева, является средней между атомными массами изотопов.
При изучении изотопии стали понятными некоторые отклонения последовательного возрастания относительных атомных масс элементов в Периодической системе. Например, уменьшение атомной массы от аргона (№ 18) к калию (№ 19) объясняется наличием у калия значительного процента легких изотопов, а у аргона – тяжелых. При подсчете средних массовых чисел получается, что у калия это число меньше, чем у аргона. Но величина зарядов ядер этих элементов убедительно подтверждает правильность их расположения в таблице Д. И. Менделеева.
В настоящее время известны более 100 химических элементов. Около 90 из них существуют в природе. Остальные получены искусственно с помощью ядерных реакций.
Распределение элементов в земной коре (средний химический состав земной коры по А. П. Виноградову) таково: кислород – 47,2 % массы земной коры, кремний – 27,6; алюминий – 8,80; железо – 5,1; кальций -3,6; натрий – 2,64; калий – 2,6; магний – 2,10, водород – 0,15 %.
Элементы распространены в земной коре очень неравномерно. Перечисленные 9 элементов составляют 99,79 % массы земной коры, все остальные – 0,21 %.
Распространенность элементов зависит от многих факторов, но в конечном счете определяется вероятностью ядерных реакций их образования и относительной устойчивостью отдельных изотопов.