Prawo zachowania i transformacji energii jest jednym z najważniejszych postulatów fizyki. Rozważ historię jego wyglądu, a także główne obszary zastosowania.
Strony historii
Najpierw dowiedzmy się, kto odkrył prawo konserwatorskie itransformacja energii. W 1841 r. angielski fizyk Joule i rosyjski naukowiec Lenz przeprowadzili równoległe eksperymenty, w wyniku których naukowcy byli w stanie odkryć w praktyce związek między pracą mechaniczną a ciepłem.
Liczne badania przeprowadzone przez fizykóww różnych częściach naszej planety z góry ustaliło odkrycie prawa zachowania i transformacji energii. W połowie XIX wieku jej sformułowanie podał niemiecki naukowiec Mayer. Naukowiec próbował podsumować wszystkie istniejące w tym czasie informacje o elektryczności, ruchu mechanicznym, magnetyzmie, fizjologii człowieka.
Mniej więcej w tym samym okresie podobne myśli wyrażali naukowcy z Danii, Anglii, Niemiec.
Eksperymentuj z ciepłem
Pomimo różnorodności pomysłów dotyczącychciepło, pełny obraz tego podał tylko rosyjski naukowiec Michaił Wasiljewicz Łomonosow. Współcześni nie poparli jego pomysłów, wierzyli, że ciepło nie jest związane z ruchem najmniejszych cząstek tworzących materię.
Prawo zachowania i transformacji mechanicznejenergia zaproponowana przez Łomonosowa została poparta dopiero po tym, jak w trakcie eksperymentów Rumford był w stanie udowodnić obecność ruchu cząstek w materii.
Aby uzyskać ciepło, fizyk Davy próbował stopićlód, przeprowadzono tarcie o siebie dwóch kawałków lodu. Postawił hipotezę, zgodnie z którą ciepło uważano za ruch oscylacyjny cząstek materii.
Prawo zachowania i transformacji energii Mayerazałożono niezmienność sił powodujących pojawienie się ciepła. Podobny pomysł skrytykowali inni naukowcy, którzy przypominali, że siła jest powiązana z prędkością i masą, dlatego jej wartość nie może pozostać taka sama.
Pod koniec XIX wieku Mayer podsumował swojepomysłów w broszurze i próbował rozwiązać rzeczywisty problem ciepła. Jak wówczas stosowano prawo zachowania i przemiany energii? W mechanice nie było zgody co do metod pozyskiwania, przetwarzania energii, dlatego do końca XIX wieku kwestia ta pozostawała otwarta.
Cecha prawa
Prawo zachowania i transformacji energii tojeden z podstawowych, pozwalający, pod pewnymi warunkami, mierzyć wielkości fizyczne. Nazywa się to pierwszą zasadą termodynamiki, której głównym celem jest zachowanie tej wielkości w układzie izolowanym.
Prawo zachowania i przemiany energiiustala zależność ilości ciepła od różnych czynników. W trakcie badań eksperymentalnych prowadzonych przez Mayera, Helmholtza, Joule'a przydzielono różne rodzaje energii: potencjalną, kinetyczną. Połączenie tych typów nazwano mechanicznym, chemicznym, elektrycznym, termicznym.
Prawo zachowania i transformacji energii miało następujące sformułowanie: „Zmiana energii kinetycznej jest równa zmianie energii potencjalnej”.
Mayer doszedł do wniosku, że wszystkie odmiany tej ilości są zdolne do przekształcenia się w siebie, jeśli całkowita ilość ciepła pozostaje niezmieniona.
Wyrażenie matematyczne
Na przykład bilans energetyczny jest ilościowym wyrazem prawa w przemyśle chemicznym.
Prawo zachowania i przemiany energiiustanawia związek między ilością energii cieplnej, która wpada w strefę interakcji różnych substancji, a ilością opuszczającą tę strefę.
Przejście z jednego rodzaju energii na inny nie oznacza, że znika. Nie, obserwuje się jedynie jego przekształcenie w inną formę.
Jednocześnie istnieje relacja:praca to energia. Prawo zachowania i przemiany energii zakłada stałość tej wartości (jej sumarycznej ilości) dla wszelkich procesów zachodzących w układzie izolowanym. Wskazuje to, że w procesie przejścia z jednego gatunku do drugiego obserwuje się równoważność ilościową. W celu ilościowej charakterystyki różnych typów ruchu wprowadzono do fizyki energię jądrową, chemiczną, elektromagnetyczną i cieplną.
Nowoczesne sformułowanie
Jak odczytuje się prawo zachowania i transformacjienergia w dzisiejszych czasach? Fizyka klasyczna oferuje matematyczny zapis tego postulatu w postaci uogólnionego równania stanu dla termodynamicznego układu zamkniętego:
W = Wk + Wp + U
Z tego równania wynika, że całkowita energia mechaniczna układu zamkniętego jest określana jako suma energii kinetycznej, potencjalnej i wewnętrznej.
Prawo zachowania i przemiany energii, którego wzór został przedstawiony powyżej, wyjaśnia niezmienność tej wielkości fizycznej w układzie zamkniętym.
Główną wadą zapisu matematycznego jest jego znaczenie tylko dla zamkniętego układu termodynamicznego.
Systemy niezamknięte
Biorąc pod uwagę zasadę przyrostów, jest to całkiem możliwerozszerzyć prawo zachowania energii na niezamknięte układy fizyczne. Zasada ta zaleca pisanie równań matematycznych związanych z opisem stanu systemu nie w wartościach bezwzględnych, ale w ich przyrostach liczbowych.
Aby wszystkie formy zostały w pełni uwzględnioneenergii, zaproponowano dodanie do klasycznego równania układu idealnego sumy przyrostów energii wywołanych zmianami stanu analizowanego układu pod wpływem różnych form pola.
W wersji uogólnionej równanie stanu ma postać:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
To równanie uważane jest za najbardziej kompletne we współczesnej fizyce. To właśnie stało się podstawą prawa zachowania i transformacji energii.
Znaczenie
W nauce nie ma wyjątków od tego prawa, tokontroluje wszystkie zjawiska naturalne. To właśnie na podstawie tego postulatu można postawić hipotezy dotyczące różnych silników, w tym obalanie rzeczywistości rozwoju wiecznego mechanizmu. Może być stosowany we wszystkich przypadkach, w których konieczne jest wyjaśnienie przejść z jednego rodzaju energii do drugiego.
Zastosowanie w mechanice
Jak odczytuje się prawo zachowania i transformacjienergia teraz? Jego istota polega na przejściu jednego rodzaju tej wielkości na inny, ale jednocześnie jego ogólna wartość pozostaje niezmieniona. Systemy, w których przeprowadzane są procesy mechaniczne, nazywane są konserwatywnymi. Takie układy są wyidealizowane, to znaczy nie uwzględniają sił tarcia, innych rodzajów oporów, które powodują rozpraszanie energii mechanicznej.
W systemie zachowawczym zachodzą tylko wzajemne przejścia energii potencjalnej na energię kinetyczną.
Praca sił działających w podobnym systemiena ciele nie ma związku z kształtem ścieżki. Jego wartość zależy od ostatecznej i początkowej pozycji ciała. Siła grawitacji jest uważana za przykład tego rodzaju sił w fizyce. W konserwatywnym systemie wielkość pracy siły w zamkniętym obszarze jest równa zeru, a prawo zachowania energii będzie obowiązywać w następującej postaci: „W konserwatywnym systemie zamkniętym suma potencjału i energia kinetyczna ciał tworzących system pozostaje niezmieniona.”
Na przykład w przypadku swobodnego spadania ciała następuje przejście energii potencjalnej w formę kinetyczną, podczas gdy sumaryczna wartość tych gatunków nie ulega zmianie.
Podsumowując
Pracę mechaniczną można uznać za jedyny sposób wzajemnego przejścia ruchu mechanicznego w inne formy materii.
Prawo to znalazło zastosowanie w technologii.Po wyłączeniu silnika samochodu następuje stopniowa utrata energii kinetycznej, a następnie zatrzymanie pojazdu. Badania wykazały, że w tym przypadku uwalniana jest pewna ilość ciepła, dlatego ciała trące nagrzewają się, zwiększając ich energię wewnętrzną. W przypadku tarcia lub jakiegokolwiek oporu ruchu obserwuje się przejście energii mechanicznej do wartości wewnętrznej, co wskazuje na poprawność prawa.
Jego nowoczesna formuła to:„Energia izolowanego systemu nie znika znikąd, nie pojawia się znikąd. W każdym zjawisku istniejącym w systemie następuje przejście od jednego rodzaju energii do drugiego, przeniesienie z jednego ciała do drugiego, bez zmian ilościowych ”.
Po odkryciu tego prawa fizycy nie odchodząpomysł stworzenia perpetuum mobile, w którym w cyklu zamkniętym nie zmieniłaby się ilość ciepła przekazywanego przez system do otaczającego świata, w porównaniu z ciepłem odbieranym z zewnątrz. Taka maszyna mogłaby stać się niewyczerpanym źródłem ciepła, sposobem na rozwiązanie problemu energetycznego ludzkości.
