Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye a fizika egyik legfontosabb posztulátuma. Vegye figyelembe a megjelenésének történetét, valamint a fő alkalmazási területeket.
A történelem oldalai
Először derítsük ki, hogy ki fedezte fel a természetvédelmi törvényt ésaz energia átalakulása. 1841-ben Joule angol fizikus és Lenz orosz tudós párhuzamos kísérleteket folytattak, amelyek eredményeként a tudósoknak a gyakorlatban sikerült kideríteniük a mechanikai munka és a hő kapcsolatát.
Számos tanulmány végzett fizikusok általbolygónk különböző részein előre meghatározta az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét. A 19. század közepén Mayer német tudós fogalmazta meg. A tudós megpróbálta összesíteni az elektromossággal, a mechanikus mozgással, a mágnességgel és az emberi fiziológiával kapcsolatos összes információt.
Ugyanebben az időszakban hasonló gondolatokat fogalmaztak meg Dánia, Anglia, Németország tudósai.
Kísérletek melegséggel
A sokféle elképzelés ellenéremeleget, teljes képet róla csak Mihail Vasziljevics Lomonoszov orosz tudós adott. A kortársak nem támogatták elképzeléseit, úgy vélték, hogy a hő nem jár az anyagot alkotó legkisebb részecskék mozgásával.
A megőrzés és a mechanikai átalakulás törvényea Lomonoszov által javasolt energiát csak azután támogatták, hogy a kísérletek során Rumford be tudta bizonyítani a részecskemozgás jelenlétét az anyagban.
A hő megszerzéséhez Davy fizikus megpróbált megolvadnijég, súrlódást hajtott végre két darab jég egymással szemben. Feltett egy hipotézist, amely szerint a hőt az anyagrészecskék oszcillációs mozgásának tekintik.
Mayer törvénye az energia megőrzéséről és átalakításárólfeltételezte a hő megjelenését okozó erők változatlanságát. Hasonló gondolatot bíráltak más tudósok is, akik emlékeztettek arra, hogy az erő összefügg a sebességgel és a tömeggel, ezért értéke nem maradhat ugyanaz.
A 19. század végén Mayer összefoglalta az övétötleteket a brosúrában, és megpróbálta megoldani a hő tényleges problémáját. Hogyan használták annak idején az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét? A mechanikában nem volt konszenzus az energia megszerzésének, átalakításának módszereiről, ezért ez a kérdés a XIX. Század végéig nyitva maradt.
A törvény jellemzője
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye azaz egyik alapvető, amely bizonyos feltételek mellett lehetővé teszi a fizikai mennyiségek mérését. A termodinamika első törvényének nevezik, amelynek fő célja ennek a mennyiségnek a megőrzése egy elszigetelt rendszerben.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvényemegállapítja a hőmennyiség különböző tényezőktől való függését. A Mayer, Helmholtz, Joule által végzett kísérleti vizsgálatok során különféle típusú energia került kiosztásra: potenciális, kinetikus. Az ilyen típusok kombinációját mechanikai, kémiai, elektromos, termikusnak nevezték.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye a következőképpen fogalmazott: "A kinetikus energia változása egyenlő a potenciális energia változásával."
Mayer arra a következtetésre jutott, hogy ennek a mennyiségnek minden fajtája képes átalakulni egymásba, ha a teljes hőmennyiség változatlan marad.
Matematikai kifejezés
Például az energiaháztartás a törvény kvantitatív kifejezéseként működik a vegyiparban.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvényekapcsolatot létesít a különféle anyagok kölcsönhatásának zónájába eső hőenergia mennyisége és az e zónát elhagyó mennyiség között.
Az egyik típusú energiáról a másikra való átmenet nem jelenti azt, hogy eltűnik. Nem, csak annak átalakulása figyelhető meg más formában.
Ugyanakkor van egy kapcsolat:a munka energia. Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye feltételezi ennek az értéknek (teljes mennyiségének) állandóságát minden olyan folyamatban, amely egy elszigetelt rendszerben történik. Ez azt jelzi, hogy az egyik fajról a másikra való átmenet során kvantitatív egyenértékűség figyelhető meg. A különféle mozgástípusok kvantitatív jellemzésének érdekében a fizikában nukleáris, kémiai, elektromágneses és hőenergiát vezettek be.
Modern megfogalmazás
Hogyan olvasható a megőrzés és az átalakulás törvényeenergia manapság? A klasszikus fizika ennek a posztulátumnak matematikai feljegyzését kínálja egy általános állapotegyenlet formájában egy zárt termodinamikai rendszerre:
W = Wk + Wp + U
Ez az egyenlet azt mutatja, hogy egy zárt rendszer teljes mechanikai energiáját a kinetikus, a potenciális, a belső energiák összegeként határozzuk meg.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye, amelynek képletét fentebb bemutattuk, megmagyarázza ennek a fizikai mennyiségnek a zárt rendszerben való változatlanságát.
A matematikai jelölés fő hátránya, hogy csak zárt termodinamikai rendszer szempontjából releváns.
Nem zárt rendszerek
Figyelembe véve a növekmény elvét, ez teljesen lehetségesaz energia-megmaradás törvényének kiterjesztése a nem zárt fizikai rendszerekre is. Ez az elv javasolja a rendszer állapotának leírásához kapcsolódó matematikai egyenletek megírását, nem abszolút értékben, hanem számszerű lépésekben.
Így minden formát teljes mértékben figyelembe vesznekenergiát, javasolták az ideális rendszer klasszikus egyenletének hozzáadását az energia növekményeinek összegéhez, amelyeket az elemzett rendszer állapotának változásai okoznak a mező különböző formái hatására.
Általános állapotban az állapotegyenlet a következő formában van:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ezt az egyenletet tartják a legteljesebbnek a modern fizikában. Ez lett az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének alapja.
érték
A tudományban nincs kivétel ez alól a törvény alólminden természeti jelenséget irányít. Ezen posztulátum alapján lehet hipotéziseket felhozni a különféle motorokról, ideértve az örök mechanizmus kifejlődésének valóságának cáfolatait is. Minden esetben alkalmazható, amikor meg kell magyarázni az egyik energiafajtától a másikig tartó átmeneteket.
Alkalmazás a mechanikában
Hogyan olvasható a megőrzés és az átalakulás törvényeenergia most? Lényege ebben a mennyiség egyik típusából a másikba való átmenetben rejlik, ugyanakkor teljes értéke változatlan marad. Azokat a rendszereket, amelyekben mechanikai folyamatokat hajtanak végre, konzervatívnak nevezzük. Az ilyen rendszereket idealizálják, vagyis nem veszik figyelembe a súrlódási erőket, más típusú ellenállásokat, amelyek a mechanikai energia eloszlását okozzák.
Konzervatív rendszerben csak a potenciális energia kölcsönös átmenete fordul elő kinetikus energiává.
A hasonló rendszerben működő erők munkájaa testen nincs kapcsolatban az út alakjával. Értéke a test végső és kezdeti helyzetétől függ. A gravitációs erőt az ilyen jellegű erők példájának tekintik a fizikában. Konzervatív rendszerben az erő munkájának nagysága zárt területen egyenlő nulla, és az energiamegmaradás törvénye a következő formában lesz érvényes: "Konzervatív zárt rendszerben a potenciál és a a rendszert alkotó testek mozgási energiája változatlan marad. "
Például egy test szabad esése esetén a potenciális energia kinetikus formába történő átmenete következik be, miközben e fajok összértéke nem változik.
Végezetül
A mechanikus munka tekinthető a mechanikus mozgás kölcsönös átmenetének egyetlen módja az anyag más formáiba.
Ez a törvény alkalmazást talált a technológiára.A gépkocsi motorjának kikapcsolása után fokozatosan csökken a mozgási energia, ami a jármű későbbi leállítását jelenti. Tanulmányok kimutatták, hogy ebben az esetben bizonyos mennyiségű hő szabadul fel, ezért a dörzsölődő testek felmelegednek, növelve belső energiájukat. Súrlódás vagy bármilyen mozgással szembeni ellenállás esetén megfigyelhető a mechanikai energia belső értékre való áttérése, ami a törvény helyességét jelzi.
Modern megfogalmazása:„Egy elszigetelt rendszer energiája nem tűnik el a semmibe, nem jelenik meg a semmiből. Bármely, a rendszeren belül létező jelenségben átmenet folyik az egyik energiafajtától a másikig, átadás egyik testből a másikba, mennyiségi változások nélkül. "
E törvény felfedezése után a fizikusok nem távoznakegy örökmozgó létrehozásának gondolata, amelyben zárt ciklusban nem változik a rendszer által a környező világba továbbított hő mennyisége, összehasonlítva a kívülről kapott hővel. Egy ilyen gép kimeríthetetlen hőforrássá válhat, az emberiség energiaproblémájának megoldására.
