Многие фундаментальные законы природы были открыты в период с начала XVII до конца XIX в., который соответствует классическому этапу развития естествознания. К ним относятся, прежде всего, законы механики, открытые в 1667 г. выдающимся английским учёным Исааком Ньютоном (1643–1727), основоположником классической физики.
Другие фундаментальные законы – законы сохранения – сыграли и играют не менее важную роль в развитии многих отраслей естествознания: физики, химии, 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 учёного М.В. Ломоносова (1711–1765), 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 тяжёлая 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 случаев превращения вне зависимости от того, где и когда они происходят.
Обычно говорят о потреблении или расходовании материальных ресурсов. При потреблении ресурсы превращаются в какую-либо продукцию, которая после её использования выбрасывается, либо перерабатывается, т.е. потребляемое вещество в виде исходного сырья полностью не исчезает. Поэтому правильнее было бы говорить не о потреблении ресурсов, а о временном их использовании.
В природе происходит круговорот многих химических веществ между неживыми (почва, воздух, вода) и живыми (растения, животные и микроорганизмы) объектами окружающей среды. При этом неукоснительно выполняется закон сохранения массы.
Любые физические или химические процессы не могут создать или уничтожить даже один атом вещества. Физическое воздействие может перевести вещество в другое состояние, а при его химическом превращении образуются новые комбинации химических элементов.
В масштабах нашей планеты общая масса вещества изменяется незначительно: небольшая доля лёгких газов верхних слоев атмосферы рассеивается в космосе, а из межпланетного пространства на Землю иногда падают железные и каменные метеориты, и редко выпадают звёздные 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 приводит к накоплению космического мусора. При массовом производстве космической техники такой мусор нарушает безопасность космических полётов 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 её загрязняющими веществами, в том числе и токсичными.
Из закона сохранения массы следует невозможность уничтожения вещества. Все, что по нашим представлениям выбрасывается, в том или ином виде остается с нами. Можно собрать, например, пыль и сажу, накапливаемую в дымовых трубах тепловых электростанций, но такие отходы нужно где-то захоранивать. Можно собрать мусор и очистить сточные воды, но продукты очистки и мусор можно сжечь, сбросить в реки, озера и океаны, либо захоронить на суше, загрязняя соответственно атмосферу, воду и почву. Ничто не исчезает бесследно. Наименьший вред окружающей среде наносится при утилизации и повторном использовании промышленных и бытовых отходов.
Огромное разнообразие природных систем и структур, их свойства и динамизм определяются взаимодействием материальных объектов. Именно взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому оно, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальном объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Движение материи характеризуется энергией. Энергия – общая количественная мера движения материи. Разным физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т.д. В частности, механическая энергия подразделяется на потенциальную и кинетическую. Потенциальная энергия – часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения её элементов и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. Энергию механического состояния, зависящую от скорости составляющих её 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 её в другие (немеханические) виды энергии. Такой процесс называется диссипацией, или рассеиванием энергии, и происходят 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.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
