La loi de conservation et de transformation de l'énergie est l'un des postulats les plus importants de la physique. Considérez l'historique de son apparence, ainsi que les principaux domaines d'application.
Pages d'histoire
Tout d'abord, découvrons qui a découvert la loi de conservation ettransformation d'énergie. En 1841, le physicien anglais Joule et le scientifique russe Lenz ont mené des expériences parallèles, à la suite desquelles les scientifiques ont pu découvrir dans la pratique la relation entre le travail mécanique et la chaleur.
De nombreuses études menées par des physiciensdans différentes parties de notre planète, a prédéterminé la découverte de la loi de conservation et de transformation de l'énergie. Au milieu du XIXe siècle, sa formulation a été donnée par le scientifique allemand Mayer. Le scientifique a essayé de résumer toutes les informations sur l'électricité, le mouvement mécanique, le magnétisme, la physiologie humaine qui existaient à cette époque.
Vers la même période, des pensées similaires ont été exprimées par des scientifiques au Danemark, en Angleterre et en Allemagne.
Expériences avec la chaleur
Malgré la diversité des idées concernantchaleur, une image complète de celui-ci n'a été donnée que par le scientifique russe Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Les contemporains n'ont pas soutenu ses idées, ils pensaient que la chaleur n'est pas associée au mouvement des plus petites particules qui composent la matière.
La loi de conservation et de transformation de la mécaniquel'énergie, proposée par Lomonosov, n'a été soutenue qu'après, au cours des expériences, Rumford a pu prouver la présence d'un mouvement de particules à l'intérieur de la matière.
Pour obtenir de la chaleur, le physicien Davy a essayé de fondreglace, effectué le frottement l'un contre l'autre de deux morceaux de glace. Il a avancé une hypothèse selon laquelle la chaleur était considérée comme le mouvement oscillatoire des particules de matière.
Loi de Mayer sur la conservation et la transformation de l'énergiesuppose l'invariabilité des forces provoquant l'apparition de chaleur. Une idée similaire a été critiquée par d'autres scientifiques, qui ont rappelé que la force est liée à la vitesse et à la masse, par conséquent, sa valeur ne pouvait pas rester la même valeur.
À la fin du XIXe siècle, Mayer résume sonidées dans la brochure et a essayé de résoudre le problème réel de la chaleur. Comment la loi de conservation et de transformation de l'énergie était-elle utilisée à cette époque? Il n'y avait pas de consensus en mécanique sur les méthodes d'obtention et de conversion de l'énergie, par conséquent, jusqu'à la fin du XIXe siècle, cette question est restée ouverte.
Caractéristique de la loi
La loi de conservation et de transformation de l'énergie estl'un des fondamentaux, permettant, sous certaines conditions, de mesurer des grandeurs physiques. On l'appelle la première loi de la thermodynamique, dont l'objet principal est la conservation de cette quantité dans un système isolé.
La loi de conservation et de transformation de l'énergieétablit la dépendance de la quantité de chaleur sur divers facteurs. Au cours des recherches expérimentales menées par Mayer, Helmholtz, Joule, différents types d'énergie ont été alloués: potentiel, cinétique. La combinaison de ces types était appelée mécanique, chimique, électrique, thermique.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie avait la formulation suivante: "Le changement d'énergie cinétique est égal au changement d'énergie potentielle."
Mayer est arrivé à la conclusion que toutes les variétés de cette quantité sont capables de se transformer l'une en l'autre si la quantité totale de chaleur reste inchangée.
Expression mathématique
Par exemple, le bilan énergétique agit comme une expression quantitative de la loi dans l'industrie chimique.
La loi de conservation et de transformation de l'énergieétablit un lien entre la quantité d'énergie thermique qui tombe dans la zone d'interaction de diverses substances et la quantité qui quitte cette zone.
Le passage d'un type d'énergie à un autre ne signifie pas qu'elle disparaît. Non, seule sa transformation en une autre forme est observée.
En même temps, il y a une relation:le travail est énergie. La loi de conservation et de transformation de l'énergie suppose la constance de cette valeur (sa quantité totale) pour tout processus se produisant dans un système isolé. Cela indique que dans le processus de transition d'une espèce à une autre, une équivalence quantitative est observée. Afin de donner une caractéristique quantitative des différents types de mouvement, l'énergie nucléaire, chimique, électromagnétique, thermique a été introduite en physique.
Libellé moderne
Comment se lit la loi de conservation et de transformationl'énergie ces jours-ci? La physique classique offre un enregistrement mathématique de ce postulat sous la forme d'une équation d'état généralisée pour un système fermé thermodynamique:
W = Wk + Wp + U
Cette équation montre que l'énergie mécanique totale d'un système fermé est déterminée comme la somme des énergies cinétiques, potentielles et internes.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie, dont la formule a été présentée ci-dessus, explique l'invariabilité de cette quantité physique dans un système fermé.
Le principal inconvénient de la notation mathématique est sa pertinence uniquement pour un système thermodynamique fermé.
Systèmes non fermés
Compte tenu du principe des incréments, il est tout à fait possibleétendre la loi de conservation de l'énergie aux systèmes physiques non fermés. Ce principe recommande d'écrire des équations mathématiques liées à la description de l'état du système, non pas en termes absolus, mais dans leurs incréments numériques.
Pour que toutes les formes soient pleinement prises en compteénergie, il a été proposé d'ajouter à l'équation classique d'un système idéal la somme des incréments d'énergie qui sont provoqués par des changements d'état du système analysé sous l'influence de diverses formes du champ.
Dans une version généralisée, l'équation d'état a la forme suivante:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
C'est cette équation qui est considérée comme la plus complète de la physique moderne. C'est cela qui est devenu la base de la loi de conservation et de transformation de l'énergie.
Signification
En science, il n'y a pas d'exceptions à cette loi, ilcontrôle tous les phénomènes naturels. C'est sur la base de ce postulat que l'on peut émettre des hypothèses sur différents moteurs, y compris la réfutation de la réalité du développement d'un mécanisme éternel. Elle peut s'appliquer dans tous les cas lorsqu'il est nécessaire d'expliquer les transitions d'un type d'énergie à un autre.
Application en mécanique
Comment se lit la loi de conservation et de transformationl'énergie maintenant? Son essence réside dans le passage d'un type de cette quantité à un autre, mais en même temps sa valeur globale reste inchangée. Les systèmes dans lesquels des processus mécaniques sont effectués sont appelés conservateurs. De tels systèmes sont idéalisés, c'est-à-dire qu'ils ne prennent pas en compte les forces de frottement, d'autres types de résistance qui provoquent la dissipation de l'énergie mécanique.
Dans un système conservateur, seules des transitions mutuelles d'énergie potentielle en énergie cinétique ont lieu.
Le travail des forces qui opèrent dans un système similairesur le corps n'est pas lié à la forme du chemin. Sa valeur dépend de la position finale et initiale du corps. La force de gravité est considérée comme un exemple de forces de ce type en physique. Dans un système conservateur, l'amplitude du travail de la force dans une zone fermée est égale à zéro, et la loi de conservation de l'énergie sera valide sous la forme suivante: «Dans un système fermé conservateur, la somme du potentiel et l'énergie cinétique des corps qui composent le système reste inchangée. "
Par exemple, dans le cas d'une chute libre d'un corps, une transition d'énergie potentielle en forme cinétique se produit, alors que la valeur totale de ces espèces ne change pas.
En conclusion
Le travail mécanique peut être considéré comme le seul moyen de transition mutuelle du mouvement mécanique vers d'autres formes de matière.
Cette loi a trouvé une application dans la technologie.Après avoir éteint le moteur de la voiture, il y a une perte progressive d'énergie cinétique, l'arrêt ultérieur du véhicule. Des études ont montré que dans ce cas, une certaine quantité de chaleur est libérée, par conséquent, les corps en frottement se réchauffent, augmentant leur énergie interne. En cas de frottement ou de toute résistance au mouvement, on observe une transition d'énergie mécanique vers une valeur interne, ce qui indique l'exactitude de la loi.
Sa formulation moderne est:«L'énergie d'un système isolé ne disparaît nulle part, n'apparaît pas de nulle part. Dans tout phénomène existant à l'intérieur du système, il y a une transition d'un type d'énergie à un autre, un transfert d'un corps à un autre, sans changements quantitatifs. "
Après la découverte de cette loi, les physiciens ne quittent pasl'idée de créer une machine à mouvement perpétuel, dans laquelle, dans un cycle fermé, il n'y aurait aucun changement dans la quantité de chaleur transférée par le système au monde environnant, par rapport à la chaleur reçue de l'extérieur. Une telle machine pourrait devenir une source de chaleur inépuisable, un moyen de résoudre le problème énergétique de l'humanité.
