Законът за опазване и преобразуване на енергията е един от най-важните принципи на физиката. Обмислете историята на нейния външен вид, както и основните области на приложение.
Страници с история
Първо разберете кой е открил закона за опазване ипреобразуване на енергия. През 1841 г. английският физик Джоул и руският учен Ленц проведоха паралелни експерименти, в резултат на което учените успяха на практика да установят връзката между механичната работа и топлината.
Многобройни изследвания, проведени от физицив различни части на нашата планета, предопределиха откриването на закона за запазване и трансформация на енергията. В средата на XIX век формулировката му е дадена от немския учен Майер. Ученият се опитал да обобщи цялата информация за електричеството, механичното движение, магнетизма, човешката физиология, съществувала по това време.
Приблизително през същия период подобни мисли бяха изразени от учени в Дания, Англия, Германия.
Експерименти с топлина
Въпреки разнообразието от идеи, свързани с товатоплотата, пълна картина за него беше дадена само от руския учен Михаил Василевич Ломоносов. Съвременниците не подкрепят идеите му, те вярват, че топлината не е свързана с движението на най-малките частици, които образуват материята.
Закон сохранения и превращения механической Енергията, предложена от Ломоносов, беше подкрепена едва след като Румфорд е успял да докаже наличието на движение на частици вътре в веществото по време на експерименти.
За да получи топлина, физикът Дейви се опита да се стопилед, извършва триене един срещу друг на две парчета лед. Той изложи хипотеза, според която топлината се разглежда като колебателно движение на частици материя.
Законът на Майер за запазване и преобразуване на енергиятаприемаше неизменността на силите, причиняващи появата на топлина. Подобна идея беше критикувана от други учени, които напомниха, че силата е свързана със скоростта и масата, поради което нейната стойност не може да остане същата.
В края на деветнадесети век Майер обобщава своитеидеи в брошурата и се опитаха да решат действителния проблем с топлината. Как се използва законът за запазване и преобразуване на енергията по това време? В механиката няма консенсус относно методите за получаване, преобразуване на енергия, следователно до края на XIX век този въпрос остава отворен.
Характеристика на закона
Законът за запазване и преобразуване на енергията еедин от основните, позволяващ при определени условия да се измерват физическите величини. Нарича се първият закон на термодинамиката, чиято основна цел е запазването на това количество в изолирана система.
Законът за запазване и преобразуване на енергиятаустановява зависимостта на количеството топлина от различни фактори. В хода на експерименталните изследвания, проведени от Mayer, Helmholtz, Joule, бяха разпределени различни видове енергия: потенциална, кинетична. Комбинацията от тези видове се нарича механична, химическа, електрическа, термична.
Законът за запазване и преобразуване на енергията имаше следната формулировка: "Промяната в кинетичната енергия е равна на промяна в потенциалната енергия."
Майер стигна до заключението, че всички разновидности от това количество могат да се трансформират един в друг, ако общото количество топлина остане непроменено.
Математически израз
Например енергийният баланс действа като количествен израз на закона в химическата индустрия.
Законът за запазване и преобразуване на енергиятаустановява връзка между количеството топлинна енергия, което попада в зоната на взаимодействие на различни вещества с количеството, което напуска тази зона.
Преходът от един вид енергия към друг не означава, че тя изчезва. Не, наблюдава се само превръщането му в различна форма.
В същото време има връзка:работата е енергия. Законът за запазване и преобразуване на енергията приема постоянството на тази стойност (нейното общо количество) за всякакви процеси, протичащи в изолирана система. Това показва, че в процеса на преход от един вид към друг се наблюдава количествена еквивалентност. За да се даде количествена характеристика на различните видове движения, във физиката е въведена ядрена, химическа, електромагнитна, топлинна енергия.
Съвременна формулировка
Как се чете законът за запазване и преобразуванеенергия в наши дни? Класическата физика предлага математически запис на този постулат под формата на обобщено уравнение на състоянието за термодинамична затворена система:
W = Wk + Wp + U
Това уравнение показва, че общата механична енергия на затворена система се определя като сбор от кинетична, потенциална и вътрешна енергия.
Законът за запазване и преобразуване на енергията, чиято формула беше представена по-горе, обяснява неизменността на тази физическа величина в затворена система.
Основният недостатък на математическата нотация е неговата значимост само за затворена термодинамична система.
Незатворени системи
Като се вземе предвид принципът на нарастванията, е напълно възможнода разшири закона за запазване на енергията до незатворени физически системи. Този принцип препоръчва да се пишат математически уравнения, свързани с описанието на състоянието на системата, не в абсолютни стойности, а в техните числени стъпки.
Така че всички форми да бъдат напълно взети под вниманиеенергия, беше предложено към класическото уравнение на идеална система да се добави сумата на енергийните прирасти, които са причинени от промени в състоянието на анализираната система под въздействието на различни форми на полето.
В обобщена версия уравнението на състоянието има следната форма:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Именно това уравнение се счита за най-пълно в съвременната физика. Именно това стана основата на закона за запазване и преобразуване на енергията.
стойност
В науката няма изключения от този закон, аконтролира всички природни явления. Въз основа на този постулат могат да се изложат хипотези относно различни двигатели, включително опровергаването на реалността на развитието на вечен механизъм. Може да се прилага във всички случаи, когато е необходимо да се обяснят преходите от един вид енергия към друг.
Приложение в механиката
Как се чете законът за запазване и преобразуванеенергия сега? Същността му се крие в прехода на един вид от това количество в друг, но в същото време общата му стойност остава непроменена. Тези системи, в които се извършват механични процеси, се наричат консервативни. Такива системи са идеализирани, тоест те не отчитат силите на триене, други видове съпротивление, които причиняват разсейването на механичната енергия.
В една консервативна система се извършват само взаимни преходи на потенциална енергия в кинетична енергия.
Работата на силите, които действат в подобна системавърху тялото не е свързано с формата на пътеката. Стойността му зависи от крайното и първоначалното положение на тялото. Силата на гравитацията се разглежда като пример за сили от този вид във физиката. В консервативна система величината на работата на силата в затворена област е равна на нула и законът за запазване на енергията ще бъде валиден в следната форма: „В консервативна затворена система сумата от потенциала и кинетичната енергия на телата, които изграждат системата, остава непроменена. "
Например, в случай на свободно падане на тялото, настъпва преход на потенциална енергия в кинетична форма, докато общата стойност на тези видове не се променя.
В заключение
Механичната работа може да се разглежда като единственият начин за взаимен преход на механичното движение в други форми на материята.
Този закон намери приложение в технологиите.След изключване на двигателя на автомобила има постепенна загуба на кинетична енергия, последвана от спиране на превозното средство. Проучванията показват, че в този случай се отделя определено количество топлина, следователно триещите се тела се нагряват, увеличавайки тяхната вътрешна енергия. В случай на триене или някакво съпротивление на движение се наблюдава преход на механична енергия към вътрешна стойност, което показва правилността на закона.
Съвременната му формулировка е:„Енергията на изолирана система не изчезва от нищото, не се появява от нищото. Във всякакви явления, съществуващи в системата, има преход от един вид енергия към друг, трансфер от едно тяло в друго, без количествени промени. "
След откриването на този закон физиците не напускатидеята за създаване на вечен двигател, при който при затворен цикъл няма да има промяна в количеството топлина, предавана от системата на околния свят, в сравнение с топлината, получена отвън. Такава машина може да се превърне в неизчерпаем източник на топлина, начин за решаване на енергийния проблем на човечеството.
