يعد قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها أحد أهم مبادئ الفيزياء. النظر في تاريخ ظهوره ، وكذلك المجالات الرئيسية للتطبيق.
صفحات من التاريخ
أولا ، معرفة من اكتشف قانون الحفظ وتحويل الطاقة. في عام 1841 ، أجرى الفيزيائي الإنجليزي جولي والعالم الروسي لينز تجارب موازية ، مما أدى إلى نجاح العلماء في الممارسة العملية في اكتشاف العلاقة بين العمل الميكانيكي والحرارة.
العديد من الدراسات التي أجراها علماء الفيزياءفي أجزاء مختلفة من كوكبنا ، حدد سلفًا اكتشاف قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها. في منتصف القرن التاسع عشر ، أعطى العالم الألماني ماير صيغته. حاول العالم تلخيص جميع المعلومات حول الكهرباء ، والحركة الميكانيكية ، والمغناطيسية ، وعلم وظائف الأعضاء البشرية التي كانت موجودة في تلك الفترة الزمنية.
في نفس الفترة تقريبًا ، أعرب العلماء في الدنمارك وإنجلترا وألمانيا عن أفكار مماثلة.
تجارب مع الحرارة
على الرغم من تنوع الأفكار المتعلقةالدفء ، أعطيت صورة كاملة منه فقط من قبل العالم الروسي ميخائيل فاسيلييفيتش لومونوسوف. لم يدعم المعاصرون أفكاره ؛ فقد اعتقدوا أن الحرارة ليست مرتبطة بحركة أصغر الجسيمات التي تشكل المادة.
قانون الحفظ والتحول الميكانيكيالطاقة ، التي اقترحها لومونوسوف ، لم يتم دعمها إلا بعد ، في سياق التجارب ، تمكن رومفورد من إثبات وجود حركة الجسيمات داخل المادة.
للحصول على الحرارة ، حاول الفيزيائي ديفي الذوبانالجليد ، الاحتكاك مع بعضها البعض من قطعتين من الجليد. لقد طرح فرضية مفادها أن الحرارة تعتبر الحركة التذبذبية لجزيئات المادة.
قانون ماير لحفظ وتحويل الطاقةيفترض ثبات القوى المسببة لظهور الحرارة. تم انتقاد فكرة مماثلة من قبل علماء آخرين وذكّروا أن القوة مرتبطة بالسرعة والكتلة ، وبالتالي ، لا يمكن أن تظل قيمتها كما هي.
في أواخر القرن التاسع عشر ، لخص ماير كتابهأفكار في الكتيب وحاول حل المشكلة الفعلية للحرارة. كيف تم استخدام قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها في ذلك الوقت؟ لم يكن هناك إجماع في الميكانيكا حول طرق الحصول على الطاقة وتحويلها ، لذلك ، حتى نهاية القرن التاسع عشر ، ظل هذا السؤال مفتوحًا.
سمة من سمات القانون
قانون حفظ وتحويل الطاقةأحد الأساسيات ، يسمح في ظل ظروف معينة بقياس الكميات الفيزيائية. يطلق عليه القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والهدف الرئيسي منه هو الحفاظ على هذه الكمية في نظام معزول.
قانون حفظ وتحويل الطاقةيحدد اعتماد كمية الحرارة على عوامل مختلفة. في سياق البحث التجريبي الذي أجراه ماير ، هيلمهولتز ، جول ، تم تخصيص أنواع مختلفة من الطاقة: الإمكانات ، الحركية. كان الجمع بين هذه الأنواع يسمى الميكانيكية والكيميائية والكهربائية والحرارية.
قانون حفظ الطاقة وتحويلها له الصيغة التالية: "التغيير في الطاقة الحركية يساوي التغيير في الطاقة الكامنة".
توصل ماير إلى استنتاج مفاده أن جميع أنواع هذه الكمية قادرة على التحول إلى بعضها البعض إذا بقيت الكمية الإجمالية للحرارة دون تغيير.
تعبير رياضي
على سبيل المثال ، يعمل ميزان الطاقة كتعبير كمي عن القانون في الصناعة الكيميائية.
قانون حفظ وتحويل الطاقةينشئ علاقة بين كمية الطاقة الحرارية التي تقع في منطقة تفاعل المواد المختلفة مع الكمية التي تترك هذه المنطقة.
لا يعني الانتقال من نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر أنها تختفي. لا ، لوحظ فقط تحوله إلى شكل مختلف.
في نفس الوقت توجد علاقة: العمل طاقة. يفترض قانون حفظ الطاقة وتحويلها ثبات هذه القيمة (إجمالي قيمتها) لأي عمليات تحدث في نظام منعزل. يشير هذا إلى أنه في عملية الانتقال من نوع إلى آخر ، يتم ملاحظة التكافؤ الكمي. من أجل إعطاء خاصية كمية لأنواع مختلفة من الحركة ، تم إدخال الطاقة الحرارية النووية والكيميائية والكهرومغناطيسية في الفيزياء.
صياغة حديثة
كيف يقرأ قانون الحفظ والتحولالطاقة هذه الايام؟ تقدم الفيزياء الكلاسيكية تمثيلًا رياضيًا لهذا الافتراض في شكل معادلة معممة للحالة لنظام مغلق بالديناميكا الحرارية:
W = Wk + Wp + U
توضح هذه المعادلة أن إجمالي الطاقة الميكانيكية لنظام مغلق يتم تحديده على أنه مجموع الطاقات الحركية ، المحتملة ، الداخلية.
يشرح قانون حفظ وتحويل الطاقة ، الذي تم تقديم صيغته أعلاه ، ثبات هذه الكمية المادية في نظام مغلق.
العيب الرئيسي للتدوين الرياضي هو ملاءمته فقط لنظام ديناميكي حراري مغلق.
أنظمة غير مغلقة
مع الأخذ في الاعتبار مبدأ الزيادات ، فمن الممكن تمامالتوسيع قانون الحفاظ على الطاقة للأنظمة المادية غير المغلقة. يوصي هذا المبدأ بكتابة معادلات رياضية مرتبطة بوصف حالة النظام ، ليس بالأرقام المطلقة ، ولكن بزياداتها العددية.
لمراعاة جميع الأشكال بشكل كاملالطاقة ، تم اقتراح أن تضيف إلى المعادلة الكلاسيكية لنظام مثالي مجموع زيادات الطاقة الناتجة عن التغيرات في حالة النظام الذي تم تحليله تحت تأثير الأشكال المختلفة للمجال.
في النسخة المعممة ، تكون معادلة الحالة كما يلي:
dW = Σi Ui dqi + j Uj dqj
تعتبر هذه المعادلة الأكثر اكتمالاً في الفيزياء الحديثة. كان هذا هو أساس قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها.
قيمة
لا توجد استثناءات لهذا القانون في العلم ، عليهيتحكم في جميع الظواهر الطبيعية. على أساس هذه الفرضية يمكن للمرء أن يطرح فرضيات حول محركات مختلفة ، بما في ذلك دحض حقيقة تطوير آلية أبدية. يمكن تطبيقه في جميع الحالات عندما يكون من الضروري شرح التحولات من نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر.
التطبيق في الميكانيكا
كيف يقرأ قانون الحفظ والتحولالطاقة الآن؟ يكمن جوهرها في انتقال نوع واحد من هذه الكمية إلى نوع آخر ، ولكن في نفس الوقت تظل قيمتها الإجمالية دون تغيير. تسمى تلك الأنظمة التي يتم فيها تنفيذ العمليات الميكانيكية بالمحافظة. تعتبر هذه الأنظمة مثالية ، أي أنها لا تأخذ في الاعتبار قوى الاحتكاك ، وأنواع المقاومة الأخرى التي تسبب تبديد الطاقة الميكانيكية.
في النظام المحافظ ، تحدث فقط التحولات المتبادلة للطاقة الكامنة إلى طاقة حركية.
عمل القوى التي تعمل في نظام مماثلعلى الجسم لا علاقة له بشكل المسار. تعتمد قيمته على الموضع النهائي والأولي للجسم. تعتبر قوة الجاذبية كمثال لقوى من هذا النوع في الفيزياء. في النظام المحافظ ، يكون حجم عمل القوة في منطقة مغلقة هو صفر ، وسيكون قانون حفظ الطاقة ساريًا بالشكل التالي: "في نظام مغلق محافظ ، يظل مجموع الطاقة الكامنة والحركية للأجسام التي يتكون منها النظام دون تغيير".
على سبيل المثال ، في حالة السقوط الحر لجسم ما ، يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى شكل حركي ، بينما لا تتغير القيمة الإجمالية لهذه الأنواع.
في الختام
يمكن اعتبار العمل الميكانيكي الطريقة الوحيدة للانتقال المتبادل للحركة الميكانيكية إلى أشكال أخرى من المادة.
وجد هذا القانون تطبيقًا في التكنولوجيا. بعد إيقاف تشغيل محرك السيارة ، يحدث فقدان تدريجي للطاقة الحركية ، والتوقف اللاحق للسيارة. أظهرت الدراسات أنه في هذه الحالة ، يتم إطلاق قدر معين من الحرارة ، وبالتالي ، يتم تسخين أجسام الاحتكاك ، مما يزيد من طاقتها الداخلية. في حالة الاحتكاك أو أي مقاومة للحركة ، يتم ملاحظة انتقال الطاقة الميكانيكية إلى قيمة داخلية ، مما يشير إلى صحة القانون.
صيغته الحديثة هي: "طاقة النظام المعزول لا تختفي في أي مكان ، ولا تظهر من العدم. في أي ظواهر موجودة داخل النظام ، هناك انتقال لنوع من الطاقة إلى نوع آخر ، انتقال من جسم إلى آخر ، دون تغييرات كمية ".
بعد اكتشاف هذا القانون ، لا يغادر الفيزيائيونفكرة إنشاء آلة حركة دائمة ، حيث لن يكون هناك ، في دورة مغلقة ، أي تغيير في كمية الحرارة المنقولة بواسطة النظام إلى العالم المحيط ، مقارنة بالحرارة الواردة من الخارج. يمكن أن تصبح مثل هذه الآلة مصدرًا لا ينضب للحرارة ، وطريقة لحل مشكلة الطاقة للبشرية.
