De wet van behoud en transformatie van energie is een van de belangrijkste postulaten van de fysica. Overweeg de geschiedenis van het uiterlijk, evenals de belangrijkste toepassingsgebieden.
Pagina's van geschiedenis
Laten we eerst eens kijken wie de beschermingswet heeft ontdekt entransformatie van energie. In 1841 voerden de Engelse natuurkundige Joule en de Russische wetenschapper Lenz parallelle experimenten uit, waardoor wetenschappers in de praktijk het verband tussen mechanisch werk en hitte konden ontdekken.
Talrijke onderzoeken uitgevoerd door natuurkundigenin verschillende delen van onze planeet, de ontdekking van de wet van behoud en transformatie van energie vooraf bepaald. In het midden van de negentiende eeuw kreeg de Duitse wetenschapper Mayer zijn formulering. De wetenschapper probeerde alle informatie over elektriciteit, mechanische beweging, magnetisme, menselijke fysiologie die op dat moment bestond, samen te vatten.
Rond dezelfde periode werden soortgelijke gedachten geuit door wetenschappers in Denemarken, Engeland en Duitsland.
Experimenten met warmte
Ondanks de diversiteit aan ideeën overwarmte, een volledig beeld ervan werd alleen gegeven door de Russische wetenschapper Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Tijdgenoten steunden zijn ideeën niet, ze geloofden dat warmte niet wordt geassocieerd met de beweging van de kleinste deeltjes waaruit materie bestaat.
De wet van behoud en transformatie van mechanischenergie, voorgesteld door Lomonosov, werd pas ondersteund nadat Rumford in de loop van experimenten in staat was de aanwezigheid van deeltjesbeweging in de materie te bewijzen.
Natuurkundige Davy probeerde te smeltenijs, uitgevoerd wrijving tegen elkaar van twee stukken ijs. Hij stelde een hypothese op volgens welke warmte werd beschouwd als de oscillerende beweging van materiedeeltjes.
Mayer's wet van behoud en transformatie van energieveronderstelde de onveranderlijkheid van de krachten die de schijn van warmte veroorzaakten. Een soortgelijk idee werd bekritiseerd door andere wetenschappers die eraan herinnerden dat kracht gerelateerd is aan snelheid en massa, en daarom kan de waarde ervan niet dezelfde waarde blijven.
Aan het einde van de negentiende eeuw vatte Mayer de zijne samenideeën in de brochure en probeerde het eigenlijke warmteprobleem op te lossen. Hoe werd in die tijd de wet van behoud en transformatie van energie gebruikt? Er was in de mechanica geen consensus over de methoden om energie te verkrijgen en om te zetten, daarom bleef deze vraag tot het einde van de negentiende eeuw open.
Kenmerk van de wet
De wet van behoud en transformatie van energie iseen van de fundamentele, waardoor onder bepaalde omstandigheden fysieke grootheden kunnen worden gemeten. Het wordt de eerste wet van de thermodynamica genoemd, waarvan het belangrijkste doel is om deze hoeveelheid in een geïsoleerd systeem te behouden.
De wet van behoud en transformatie van energiestelt de afhankelijkheid van de hoeveelheid warmte van verschillende factoren vast. In de loop van experimenteel onderzoek uitgevoerd door Mayer, Helmholtz, Joule, werden verschillende soorten energie toegewezen: potentieel, kinetisch. De combinatie van deze typen werd mechanisch, chemisch, elektrisch, thermisch genoemd.
De wet van behoud en transformatie van energie had de volgende formulering: "Een verandering in kinetische energie is gelijk aan een verandering in potentiële energie."
Mayer kwam tot de conclusie dat alle soorten van deze waarde in elkaar kunnen transformeren als de totale hoeveelheid warmte ongewijzigd blijft.
Wiskundige uitdrukking
De energiebalans fungeert bijvoorbeeld als een kwantitatieve uitdrukking van de wet in de chemische industrie.
De wet van behoud en transformatie van energielegt een verband tussen de hoeveelheid thermische energie die in de interactiezone van verschillende stoffen valt en de hoeveelheid die deze zone verlaat.
De overgang van het ene type energie naar het andere betekent niet dat het verdwijnt. Nee, alleen de transformatie naar een andere vorm wordt waargenomen.
Tegelijkertijd is er een relatie:werk is energie. De wet van behoud en transformatie van energie veronderstelt de constantheid van deze waarde (de totale hoeveelheid) voor alle processen die plaatsvinden in een geïsoleerd systeem. Dit geeft aan dat tijdens het overgangsproces van de ene soort naar de andere, kwantitatieve gelijkwaardigheid wordt waargenomen. Om een kwantitatief kenmerk van verschillende soorten beweging te geven, is nucleaire, chemische, elektromagnetische, thermische energie in de fysica geïntroduceerd.
Moderne formulering
Hoe de wet van behoud en transformatie wordt gelezenenergie tegenwoordig? De klassieke fysica biedt een wiskundig verslag van dit postulaat in de vorm van een algemene toestandsvergelijking voor een thermodynamisch gesloten systeem:
W = Wk + Wp + U
Deze vergelijking laat zien dat de totale mechanische energie van een gesloten systeem wordt bepaald als de som van kinetische, potentiële, interne energieën.
De wet van behoud en transformatie van energie, waarvan de formule hierboven werd gepresenteerd, verklaart de onveranderlijkheid van deze fysieke grootheid in een gesloten systeem.
Het belangrijkste nadeel van de wiskundige notatie is dat deze alleen relevant is voor een gesloten thermodynamisch systeem.
Niet-gesloten systemen
Rekening houdend met het principe van incrementen, is het heel goed mogelijkbreid de wet van behoud van energie uit tot open fysieke systemen. Dit principe beveelt aan om de wiskundige vergelijkingen te schrijven die horen bij de beschrijving van de toestand van het systeem, niet in absolute termen, maar in hun numerieke incrementen.
Om volledig rekening te houden met alle vormenenergie, werd voorgesteld om aan de klassieke vergelijking van een ideaal systeem de som van energie-incrementen toe te voegen die worden veroorzaakt door veranderingen in de toestand van het geanalyseerde systeem onder invloed van verschillende vormen van het veld.
In een gegeneraliseerde versie is de toestandsvergelijking als volgt:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Het is deze vergelijking die in de moderne natuurkunde als de meest complete wordt beschouwd. Dit was de basis van de wet van behoud en transformatie van energie.
waarde
Er zijn geen uitzonderingen op deze wet in de wetenschapcontroleert alle natuurlijke fenomenen. Het is op basis van dit postulaat dat men hypothesen kan formuleren over verschillende motoren, waaronder de weerlegging van de realiteit van de ontwikkeling van een eeuwig mechanisme. Het kan in alle gevallen worden toegepast wanneer het nodig is om de overgangen van het ene type energie naar het andere te verklaren.
Toepassing in mechanica
Hoe de wet van behoud en transformatie wordt gelezenenergie nu? De essentie ervan ligt in de overgang van het ene type van deze hoeveelheid naar het andere, maar tegelijkertijd blijft de totale waarde ongewijzigd. Die systemen waarin mechanische processen worden uitgevoerd, worden conservatief genoemd. Dergelijke systemen zijn geïdealiseerd, dat wil zeggen dat ze geen rekening houden met de wrijvingskrachten, andere soorten weerstand die de dissipatie van mechanische energie veroorzaken.
In een conservatief systeem vinden alleen onderlinge overgangen van potentiële energie in kinetische energie plaats.
Het werk van krachten die in een soortgelijk systeem opererenop het lichaam is niet gerelateerd aan de vorm van het pad. De waarde ervan hangt af van de uiteindelijke en beginpositie van het lichaam. De zwaartekracht wordt in de natuurkunde als een voorbeeld van dit soort krachten beschouwd. In een conservatief systeem is de omvang van het werk van de kracht in een gesloten gebied gelijk aan nul, en de wet van behoud van energie is geldig in de volgende vorm: "In een conservatief gesloten systeem is de som van het potentieel en kinetische energie van de lichamen waaruit het systeem bestaat, blijft ongewijzigd. "
Zo wordt bij een vrije val van een lichaam de potentiële energie omgezet in een kinetische vorm, terwijl de totale waarde van deze soorten niet verandert.
Tot slot
Mechanisch werk kan worden beschouwd als de enige manier van wederzijdse overgang van mechanische beweging naar andere vormen van materie.
Deze wet heeft toepassing gevonden in de technologie.Na het uitschakelen van de automotor is er een geleidelijk verlies van kinetische energie, de daaropvolgende stop van het voertuig. Studies hebben aangetoond dat in dit geval een bepaalde hoeveelheid warmte vrijkomt, waardoor wrijvende lichamen opwarmen, waardoor hun interne energie toeneemt. In het geval van wrijving of enige weerstand tegen beweging, wordt een overgang van mechanische energie naar een interne waarde waargenomen, die de juistheid van de wet aangeeft.
De moderne formule is:“De energie van een geïsoleerd systeem verdwijnt niet naar het niets, komt niet uit het niets. Bij elk fenomeen dat binnen het systeem bestaat, is er een overgang van het ene type energie naar het andere, een overdracht van het ene lichaam naar het andere, zonder kwantitatieve veranderingen. "
Na de ontdekking van deze wet gaan natuurkundigen niet weghet idee om een perpetuum mobile te creëren, waarin, in een gesloten cyclus, er geen verandering zou zijn in de hoeveelheid warmte die door het systeem wordt overgedragen aan de omringende wereld, in vergelijking met de warmte die van buitenaf wordt ontvangen. Zo'n machine zou een onuitputtelijke warmtebron kunnen worden, een manier om het energieprobleem van de mensheid op te lossen.
