La ley de conservación y transformación de la energía es uno de los postulados más importantes de la física. Considere la historia de su apariencia, así como las principales áreas de aplicación.
Páginas de historia
Primero, averigüemos quién descubrió la ley de conservación ytransformación de la energía. En 1841, el físico inglés Joule y el científico ruso Lenz llevaron a cabo experimentos paralelos, como resultado de los cuales los científicos pudieron descubrir en la práctica la conexión entre el trabajo mecánico y el calor.
Numerosos estudios realizados por físicosen diferentes partes de nuestro planeta, predeterminó el descubrimiento de la ley de conservación y transformación de la energía. A mediados del siglo XIX, el científico alemán Mayer recibió su formulación. El científico intentó resumir toda la información sobre electricidad, movimiento mecánico, magnetismo, fisiología humana que existía en ese momento.
Alrededor del mismo período, científicos de Dinamarca, Inglaterra y Alemania expresaron pensamientos similares.
Experimentos con calidez
A pesar de la diversidad de ideas sobrecalidez, una imagen completa de la misma fue dada solo por el científico ruso Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Los contemporáneos no apoyaban sus ideas, creían que el calor no está asociado con el movimiento de las partículas más pequeñas que componen la materia.
La ley de conservación y transformación de mecánicaLa energía, propuesta por Lomonosov, fue apoyada solo después de que, en el curso de experimentos, Rumford pudo probar la presencia de movimiento de partículas dentro de la materia.
El físico Davy trató de derretirsehielo, llevó a cabo la fricción entre sí de dos trozos de hielo. Presentó una hipótesis según la cual el calor se consideraba el movimiento oscilatorio de las partículas de materia.
Ley de Mayer de conservación y transformación de la energía.asumió la invariabilidad de las fuerzas que provocan la aparición de calor. Una idea similar fue criticada por otros científicos, quienes recordaron que la fuerza está relacionada con la velocidad y la masa, por lo tanto, su valor no podía permanecer igual.
A finales del siglo XIX, Mayer resumió suideas en el folleto y trató de resolver el problema real del calor. ¿Cómo se utilizó la ley de conservación y transformación de la energía en ese momento? No hubo consenso en la mecánica sobre los métodos de obtención, conversión de energía, por lo tanto, hasta fines del siglo XIX, esta cuestión permaneció abierta.
Característica de la ley
La ley de conservación y transformación de la energía esuno de los fundamentales, permitiendo en determinadas condiciones medir cantidades físicas. Se denomina primera ley de la termodinámica, cuyo principal objetivo es la conservación de esta cantidad en un sistema aislado.
La ley de conservación y transformación de la energía.establece la dependencia de la cantidad de calor de varios factores. En el curso de la investigación experimental realizada por Mayer, Helmholtz, Joule, se asignaron varios tipos de energía: potencial, cinética. La combinación de estos tipos se denominó mecánica, química, eléctrica, térmica.
La ley de conservación y transformación de la energía tenía la siguiente formulación: "Un cambio de energía cinética es igual a un cambio de energía potencial".
Mayer llegó a la conclusión de que todas las variedades de esta cantidad son capaces de transformarse unas en otras si la cantidad total de calor permanece sin cambios.
Expresión matemática
Por ejemplo, el balance energético actúa como una expresión cuantitativa de la ley en la industria química.
La ley de conservación y transformación de la energía.establece una conexión entre la cantidad de energía térmica que cae en la zona de interacción de diversas sustancias con la cantidad que sale de esta zona.
La transición de un tipo de energía a otro no significa que desaparezca. No, solo se observa su transformación en una forma diferente.
Al mismo tiempo, existe una relación:el trabajo es energía. La ley de conservación y transformación de la energía asume la constancia de este valor (su cantidad total) para cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado. Esto indica que en el proceso de transición de una especie a otra se observa una equivalencia cuantitativa. Con el fin de dar una caracterización cuantitativa de diferentes tipos de movimiento, se ha introducido en la física la energía nuclear, química, electromagnética y térmica.
Redacción moderna
Cómo se lee la ley de conservación y transformaciónenergía estos días? La física clásica ofrece un registro matemático de este postulado en forma de una ecuación de estado generalizada para un sistema termodinámico cerrado:
W = Wk + Wp + U
Esta ecuación muestra que la energía mecánica total de un sistema cerrado se determina como la suma de las energías cinética, potencial e interna.
La ley de conservación y transformación de la energía, cuya fórmula se presentó anteriormente, explica la invariabilidad de esta cantidad física en un sistema cerrado.
La principal desventaja de la notación matemática es su relevancia solo para un sistema termodinámico cerrado.
Sistemas no cerrados
Teniendo en cuenta el principio de incrementos, es muy posibleextender la ley de conservación de la energía a los sistemas físicos abiertos. Este principio recomienda escribir las ecuaciones matemáticas asociadas a la descripción del estado del sistema, no en términos absolutos, sino en sus incrementos numéricos.
Tener en cuenta todas las formasenergía, se propuso agregar a la ecuación clásica de un sistema ideal la suma de los incrementos de energía que son causados por cambios en el estado del sistema analizado bajo la influencia de varias formas del campo.
En una versión generalizada, la ecuación de estado es la siguiente:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Es esta ecuación la que se considera la más completa de la física moderna. Fue esto lo que se convirtió en la base de la ley de conservación y transformación de la energía.
Significado
No hay excepciones a esta ley en la ciencia,controla todos los fenómenos naturales. Es sobre la base de este postulado que se pueden plantear hipótesis sobre varios motores, incluida la refutación de la realidad del desarrollo de un mecanismo eterno. Se puede aplicar en todos los casos en los que sea necesario explicar las transiciones de un tipo de energía a otro.
Aplicación en mecánica
Cómo se lee la ley de conservación y transformaciónenergía ahora? Su esencia radica en la transición de un tipo de esta cantidad a otro, pero al mismo tiempo su valor global permanece sin cambios. Aquellos sistemas en los que se llevan a cabo procesos mecánicos se denominan conservadores. Estos sistemas están idealizados, es decir, no tienen en cuenta las fuerzas de fricción, otros tipos de resistencias que provocan la disipación de la energía mecánica.
En un sistema conservador, solo ocurren transiciones mutuas de energía potencial en energía cinética.
El trabajo de fuerzas que operan en un sistema similar.en el cuerpo no está relacionado con la forma del camino. Su valor depende de la posición final e inicial del cuerpo. La fuerza de la gravedad se considera un ejemplo de fuerzas de este tipo en física. En un sistema conservador, la magnitud del trabajo de la fuerza en un área cerrada es igual a cero, y la ley de conservación de la energía será válida de la siguiente forma: "En un sistema cerrado conservador, la suma del potencial y la energía cinética de los cuerpos que componen el sistema permanece sin cambios ".
Por ejemplo, en el caso de una caída libre de un cuerpo, se produce una transición de energía potencial a una forma cinética, mientras que el valor total de estas especies no cambia.
En conclusión
El trabajo mecánico puede considerarse como la única forma de transición mutua del movimiento mecánico a otras formas de materia.
Esta ley ha encontrado aplicación en la tecnología.Después de apagar el motor del automóvil, hay una pérdida gradual de energía cinética, la siguiente parada del vehículo. Los estudios han demostrado que en este caso, se libera una cierta cantidad de calor, por lo tanto, los cuerpos que se frotan se calientan, aumentando su energía interna. En el caso de fricción o cualquier resistencia al movimiento, se observa una transición de la energía mecánica a un valor interno, lo que indica la corrección de la ley.
Su formulación moderna es:“La energía de un sistema aislado no desaparece en ninguna parte, no aparece de la nada. En cualquier fenómeno existente dentro del sistema, hay una transición de un tipo de energía a otro, una transferencia de un cuerpo a otro, sin cambios cuantitativos ".
Tras el descubrimiento de esta ley, los físicos no abandonanla idea de crear una máquina de movimiento perpetuo, en la que, en un ciclo cerrado, no habría ningún cambio en la cantidad de calor transferido por el sistema al mundo circundante, en comparación con el calor recibido del exterior. Una máquina así podría convertirse en una fuente inagotable de calor, una forma de solucionar el problema energético de la humanidad.
