Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είναι ένα από τα σημαντικότερα αξιώματα της φυσικής. Εξετάστε το ιστορικό της εμφάνισής του, καθώς και τους κύριους τομείς εφαρμογής.
Σελίδες ιστορίας
Αρχικά, ας μάθουμε ποιος ανακάλυψε τον νόμο διατήρησης καιμετασχηματισμός της ενέργειας. Το 1841, ο Άγγλος φυσικός Joule και ο Ρώσος επιστήμονας Lenz πραγματοποίησαν παράλληλα πειράματα, ως αποτέλεσμα των οποίων οι επιστήμονες κατάφεραν να ανακαλύψουν στην πράξη τη σχέση μεταξύ μηχανικής εργασίας και θερμότητας.
Πολυάριθμες μελέτες που πραγματοποιήθηκαν από φυσικούςσε διαφορετικά μέρη του πλανήτη μας, προκαθορίστηκε η ανακάλυψη του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας. Στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα, η διατύπωσή του δόθηκε από τον Γερμανό επιστήμονα Μάγιερ. Ο επιστήμονας προσπάθησε να συνοψίσει όλες τις πληροφορίες σχετικά με τον ηλεκτρισμό, τη μηχανική κίνηση, τον μαγνητισμό, την ανθρώπινη φυσιολογία που υπήρχε εκείνη την εποχή.
Περίπου την ίδια περίοδο, παρόμοιες σκέψεις εκφράστηκαν από επιστήμονες στη Δανία, την Αγγλία, τη Γερμανία.
Πειράματα με ζεστασιά
Παρά την ποικιλία των ιδεών σχετικάζεστασιά, μια πλήρη εικόνα του δόθηκε μόνο από τον Ρώσο επιστήμονα Μιχαήλ Βασιλίεβιτς Λομονόσοφ. Οι σύγχρονοι δεν υποστήριξαν τις ιδέες του, πίστευαν ότι η θερμότητα δεν σχετίζεται με την κίνηση των μικρότερων σωματιδίων που αποτελούν την ύλη.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού των μηχανικώνενέργεια, που προτάθηκε από τον Λομονόσοφ, υποστηρίχθηκε μόνο αφού, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ο Ράμφορντ μπόρεσε να αποδείξει την παρουσία κίνησης σωματιδίων μέσα στην ύλη.
Για να αποκτήσει θερμότητα, ο φυσικός Ντέιβι προσπάθησε να λιώσειπάγου, διενεργείται τριβή μεταξύ τους δύο τεμαχίων πάγου. Έθεσε μια υπόθεση σύμφωνα με την οποία η θερμότητα θεωρήθηκε ως η ταλαντωτική κίνηση των σωματιδίων της ύλης.
Ο νόμος του Mayer για τη διατήρηση και τον μετασχηματισμό της ενέργειαςυπέθεσε το αμετάβλητο των δυνάμεων που προκαλούν την εμφάνιση θερμότητας. Μια παρόμοια ιδέα επικρίθηκε από άλλους επιστήμονες, οι οποίοι υπενθύμισαν ότι η δύναμη σχετίζεται με την ταχύτητα και τη μάζα, επομένως, η αξία της δεν θα μπορούσε να παραμείνει η ίδια τιμή.
Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, ο Μάγιερ συνόψισε το δικό τουιδέες στο φυλλάδιο και προσπάθησαν να λύσουν το πραγματικό πρόβλημα της θερμότητας. Πώς χρησιμοποιήθηκε ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας εκείνη την εποχή; Δεν υπήρχε συναίνεση στη μηχανική σχετικά με τις μεθόδους απόκτησης, μετατροπής ενέργειας, επομένως, μέχρι το τέλος του δέκατου ένατου αιώνα, αυτό το ερώτημα παρέμεινε ανοιχτό.
Χαρακτηριστικό του νόμου
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είναιένα από τα θεμελιώδη, επιτρέποντας υπό ορισμένες συνθήκες τη μέτρηση φυσικών μεγεθών. Ονομάζεται ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος, κύριο αντικείμενο του οποίου είναι η διατήρηση αυτής της ποσότητας σε ένα απομονωμένο σύστημα.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειαςκαθιερώνει την εξάρτηση της ποσότητας θερμότητας από διάφορους παράγοντες. Κατά τη διάρκεια της πειραματικής έρευνας που διεξήχθη από τους Mayer, Helmholtz, Joule, διατέθηκαν διάφοροι τύποι ενέργειας: δυναμικός, κινητικός. Ο συνδυασμός αυτών των τύπων ονομάστηκε μηχανικός, χημικός, ηλεκτρικός, θερμικός.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είχε την ακόλουθη διατύπωση: "Μια αλλαγή στην κινητική ενέργεια ισούται με μια αλλαγή στην δυνητική ενέργεια".
Ο Μάγιερ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι όλες οι ποικιλίες αυτής της ποσότητας είναι ικανές να μετασχηματιστούν μεταξύ τους εάν η συνολική ποσότητα θερμότητας παραμείνει αμετάβλητη.
Μαθηματική έκφραση
Για παράδειγμα, το ενεργειακό ισοζύγιο λειτουργεί ως ποσοτική έκφραση του νόμου στη χημική βιομηχανία.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειαςδημιουργεί μια σύνδεση μεταξύ της ποσότητας θερμικής ενέργειας που εμπίπτει στη ζώνη αλληλεπίδρασης διαφόρων ουσιών με την ποσότητα που αφήνει αυτή τη ζώνη.
Η μετάβαση από έναν τύπο ενέργειας σε άλλον δεν σημαίνει ότι εξαφανίζεται. Όχι, παρατηρείται μόνο η μετατροπή του σε διαφορετική μορφή.
Ταυτόχρονα, υπάρχει μια σχέση:η εργασία είναι ενέργεια. Ο νόμος διατήρησης και μετασχηματισμού της ενέργειας προϋποθέτει τη σταθερότητα αυτής της τιμής (το συνολικό ποσό της) για τυχόν διαδικασίες που συμβαίνουν σε ένα απομονωμένο σύστημα. Αυτό δείχνει ότι στη διαδικασία μετάβασης από το ένα είδος στο άλλο, παρατηρείται ποσοτική ισοδυναμία. Προκειμένου να δοθεί ένας ποσοτικός χαρακτηρισμός των διαφόρων τύπων κίνησης, η πυρηνική, η χημική, η ηλεκτρομαγνητική και η θερμική ενέργεια εισήχθη στη φυσική.
Σύγχρονη διατύπωση
Πώς διαβάζεται ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμούενέργεια αυτές τις μέρες; Η κλασική φυσική προσφέρει μια μαθηματική καταγραφή αυτού του αξιώματος με τη μορφή μιας γενικευμένης εξίσωσης κατάστασης για ένα θερμοδυναμικό κλειστό σύστημα:
W = Wk + Wp + U
Αυτή η εξίσωση δείχνει ότι η συνολική μηχανική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος καθορίζεται ως το άθροισμα των κινητικών, δυνητικών, εσωτερικών ενεργειών.
Ο νόμος διατήρησης και μετασχηματισμού της ενέργειας, ο τύπος του οποίου παρουσιάστηκε παραπάνω, εξηγεί το αμετάβλητο αυτής της φυσικής ποσότητας σε ένα κλειστό σύστημα.
Το κύριο μειονέκτημα της μαθηματικής σημειογραφίας είναι η συνάφειά της μόνο για ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα.
Μη κλειστά συστήματα
Λαμβάνοντας υπόψη την αρχή των αυξήσεων, είναι αρκετά πιθανόνα επεκτείνει τον νόμο διατήρησης της ενέργειας σε μη κλειστά φυσικά συστήματα. Αυτή η αρχή συνιστά τη σύνταξη μαθηματικών εξισώσεων που σχετίζονται με την περιγραφή της κατάστασης του συστήματος, όχι σε απόλυτους όρους, αλλά σε αριθμητικές αυξήσεις τους.
Για να ληφθούν πλήρως υπόψη όλες οι μορφέςενέργειας, προτάθηκε να προστεθεί στην κλασική εξίσωση ενός ιδανικού συστήματος το άθροισμα των ενεργειακών αυξήσεων, οι οποίες προκαλούνται από αλλαγές στην κατάσταση του αναλυόμενου συστήματος υπό την επίδραση διαφόρων μορφών πεδίου.
Σε μια γενικευμένη έκδοση, η εξίσωση κατάστασης έχει την ακόλουθη μορφή:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Αυτή η εξίσωση θεωρείται η πληρέστερη στη σύγχρονη φυσική. Αυτό ήταν που έγινε η βάση του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας.
Σημασία
Στην επιστήμη, δεν υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτόν τον νόμοελέγχει όλα τα φυσικά φαινόμενα. Με βάση αυτό το αξίωμα μπορεί κανείς να προβάλει υποθέσεις για διάφορους κινητήρες, συμπεριλαμβανομένων των διαψεύσεων της πραγματικότητας της ανάπτυξης ενός αιώνιου μηχανισμού. Μπορεί να εφαρμοστεί σε όλες τις περιπτώσεις όταν είναι απαραίτητο να εξηγηθούν οι μεταβάσεις από έναν τύπο ενέργειας σε άλλον.
Εφαρμογή στη μηχανική
Πώς διαβάζεται ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμούενέργεια τώρα; Η ουσία της έγκειται στη μετάβαση ενός τύπου αυτής της ποσότητας σε άλλη, αλλά ταυτόχρονα η συνολική της αξία παραμένει αμετάβλητη. Τα συστήματα στα οποία πραγματοποιούνται μηχανικές διεργασίες ονομάζονται συντηρητικά. Τέτοια συστήματα εξιδανικεύονται, δηλαδή δεν λαμβάνουν υπόψη τις δυνάμεις της τριβής, άλλους τύπους αντίστασης που προκαλούν τη διάχυση της μηχανικής ενέργειας.
Σε ένα συντηρητικό σύστημα, πραγματοποιούνται μόνο αμοιβαίες μεταβάσεις της δυνητικής ενέργειας σε κινητική.
Το έργο των δυνάμεων που λειτουργούν σε παρόμοιο σύστημαστο σώμα δεν σχετίζεται με το σχήμα της διαδρομής. Η τιμή του εξαρτάται από την τελική και αρχική θέση του σώματος. Η δύναμη της βαρύτητας θεωρείται ως παράδειγμα δυνάμεων αυτού του είδους στη φυσική. Σε ένα συντηρητικό σύστημα, το μέγεθος της εργασίας της δύναμης σε μια κλειστή περιοχή είναι ίσο με το μηδέν και ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας θα ισχύει με την ακόλουθη μορφή: «Σε ένα συντηρητικό κλειστό σύστημα, το άθροισμα των δυνατοτήτων και η κινητική ενέργεια των σωμάτων που αποτελούν το σύστημα παραμένει αμετάβλητη ».
Για παράδειγμα, σε περίπτωση ελεύθερης πτώσης ενός σώματος, συμβαίνει μια μετάβαση της δυνητικής ενέργειας σε κινητική μορφή, ενώ η συνολική αξία αυτών των ειδών δεν αλλάζει.
Συμπερασματικά
Η μηχανική εργασία μπορεί να θεωρηθεί ως ο μόνος τρόπος αμοιβαίας μετάβασης της μηχανικής κίνησης σε άλλες μορφές ύλης.
Αυτός ο νόμος έχει βρει εφαρμογή στην τεχνολογία.Μετά την απενεργοποίηση του κινητήρα του αυτοκινήτου, υπάρχει σταδιακή απώλεια κινητικής ενέργειας, η επακόλουθη στάση του οχήματος. Μελέτες έχουν δείξει ότι σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας, επομένως, τα τρίψιμα των σωμάτων θερμαίνονται, αυξάνοντας την εσωτερική τους ενέργεια. Σε περίπτωση τριβής ή οποιασδήποτε αντίστασης στην κίνηση, παρατηρείται μετάβαση της μηχανικής ενέργειας σε εσωτερική τιμή, η οποία υποδεικνύει την ορθότητα του νόμου.
Η σύγχρονη σύνθεσή του είναι:«Η ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος δεν εξαφανίζεται στο πουθενά, δεν εμφανίζεται από το πουθενά. Σε κάθε φαινόμενο που υπάρχει μέσα στο σύστημα, υπάρχει μια μετάβαση από έναν τύπο ενέργειας σε άλλο, μια μεταφορά από το ένα σώμα στο άλλο, χωρίς ποσοτικές αλλαγές ».
Μετά την ανακάλυψη αυτού του νόμου, οι φυσικοί δεν αποχωρούνη ιδέα της δημιουργίας μιας μηχανής αιώνιας κίνησης, στην οποία, σε κλειστό κύκλο, δεν θα υπάρξει αλλαγή στην ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται από το σύστημα στον περιβάλλοντα κόσμο, σε σύγκριση με τη θερμότητα που λαμβάνεται από το εξωτερικό. Μια τέτοια μηχανή θα μπορούσε να γίνει μια ανεξάντλητη πηγή θερμότητας, ένας τρόπος επίλυσης του ενεργειακού προβλήματος της ανθρωπότητας.
