Legea conservării și transformării energiei este unul dintre cele mai importante postulate ale fizicii. Să luăm în considerare istoria apariției sale, precum și principalele domenii de aplicare.
Pagini de istorie
Mai întâi, să aflăm cine a descoperit legea conservării șiconversie de energie. În 1841, fizicianul englez Joule și omul de știință rus Lenz au efectuat experimente paralele, în urma cărora oamenii de știință au putut clarifica în practică relația dintre lucrul mecanic și căldură.
Numeroase studii efectuate de fizicieniîn diferite părți ale planetei noastre, a predeterminat descoperirea legii conservării și transformării energiei. La mijlocul secolului al XIX-lea, omul de știință german Mayer și-a dat formularea. Omul de știință a încercat să rezumă toate informațiile despre electricitate, mișcare mecanică, magnetism și fiziologia umană care existau în acel moment.
În aceeași perioadă, gânduri similare au fost exprimate de oamenii de știință din Danemarca, Anglia și Germania.
Experimente cu căldură
În ciuda diversităţii de idei privindcăldură, o imagine completă a acesteia a fost oferită doar de omul de știință rus Mihail Vasilevici Lomonosov. Contemporanii săi nu i-au susținut ideile; ei credeau că căldura nu are legătură cu mișcarea celor mai mici particule care alcătuiesc materia.
Legea conservării și transformării mecaniciienergia, propusă de Lomonosov, a fost susținută numai după ce, în cursul experimentelor, Rumfoord a reușit să demonstreze prezența mișcării particulelor în interiorul materiei.
Pentru a obține căldură, fizicianul Davy a încercat să se topeascăgheață, frecarea efectuată între două bucăți de gheață. El a înaintat o ipoteză conform căreia căldura era considerată mișcarea oscilativă a particulelor de materie.
Legea conservării și transformării energiei după Mayera presupus invariabilitatea forţelor care provoacă apariţia căldurii. Această idee a fost criticată de alți oameni de știință, care au amintit că forța este legată de viteză și masă, prin urmare, valoarea ei nu poate rămâne o valoare constantă.
La sfârșitul secolului al XIX-lea, Mayer și-a rezumat-oidei în broșură și a încercat să rezolve problema actuală a căldurii. Cum era folosită legea conservării și transformării energiei în acel moment? În mecanică nu a existat un consens cu privire la metodele de obținere și conversie a energiei, așa că până la sfârșitul secolului al XIX-lea această întrebare a rămas deschisă.
Caracteristica legii
Legea conservării și transformării energiei esteuna dintre cele fundamentale, permiţând, în anumite condiţii, măsurarea mărimilor fizice. Se numește prima lege a termodinamicii, al cărei obiect principal este conservarea acestei mărimi în condițiile unui sistem izolat.
Legea conservării și transformării energieistabilește dependența cantității de căldură de diverși factori. În cursul studiilor experimentale efectuate de Mayer, Helmholtz, Joule au fost izolate diferite tipuri de energie: potențială, cinetică. Combinația acestor tipuri a fost numită mecanică, chimică, electrică, termică.
Legea conservării și transformării energiei a avut următoarea formulare: „Schimbarea energiei cinetice este egală cu modificarea energiei potențiale”.
Mayer a ajuns la concluzia că toate varietățile acestei cantități sunt capabile să se transforme unele în altele dacă cantitatea totală de căldură rămâne neschimbată.
Exprimarea matematică
De exemplu, bilanțul energetic este folosit ca expresie cantitativă a legii în industria chimică.
Legea conservării și transformării energieistabilește o legătură între cantitatea de energie termică care intră în zona de interacțiune a diferitelor substanțe cu cantitatea care părăsește această zonă.
Trecerea unui tip de energie la altul nu înseamnă că aceasta dispare. Nu, se observă doar transformarea sa într-o altă formă.
În acest caz, există o relație:munca este energie. Legea conservării și transformării energiei presupune constanța acestei cantități (cantitatea ei totală) în timpul oricăror procese care au loc într-un sistem izolat. Aceasta indică faptul că în procesul de tranziție de la o specie la alta se observă echivalența cantitativă. Pentru a oferi o descriere cantitativă a diferitelor tipuri de mișcare, în fizică au fost introduse energia nucleară, chimică, electromagnetică și termică.
Formulare modernă
Cum să citiți legea conservării și transformăriienergie în zilele noastre? Fizica clasică oferă o reprezentare matematică a acestui postulat sub forma unei ecuații generalizate de stare a unui sistem închis termodinamic:
W = Wk + Wp + U
Această ecuație arată că energia mecanică totală a unui sistem închis este determinată ca suma energiilor cinetice, potențiale și interne.
Legea conservării și transformării energiei, a cărei formulă a fost prezentată mai sus, explică invariabilitatea acestei mărimi fizice într-un sistem închis.
Principalul dezavantaj al notației matematice este relevanța sa doar pentru un sistem termodinamic închis.
Sisteme deschise
Dacă luăm în considerare principiul creșterilor, este foarte posibilextinde legea conservării energiei la sistemele fizice deschise. Acest principiu recomandă să scrieți ecuațiile matematice legate de descrierea stării sistemului nu în termeni absoluti, ci în incremente numerice ale acestora.
Pentru a se asigura că toate formele sunt pe deplin luate în considerareenergie, s-a propus să se adauge la ecuația clasică a unui sistem ideal suma incrementelor de energie care sunt cauzate de modificările stării sistemului analizat sub influența diferitelor forme ale câmpului.
Într-o versiune generalizată, ecuația de stare are următoarea formă:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Această ecuație este considerată cea mai completă din fizica modernă. Acesta a devenit baza legii conservării și transformării energiei.
valoare
Nu există excepții de la această lege în știință; eacontrolează toate fenomenele naturale. Pe baza acestui postulat se pot formula ipoteze despre diferite motoare, inclusiv respingeri ale realității dezvoltării unui mecanism perpetuu. Poate fi folosit în toate cazurile în care este necesar să se explice tranzițiile unui tip de energie la altul.
Aplicație în mecanică
Cum să citiți legea conservării și transformăriienergie în prezent? Esența sa constă în trecerea unui tip al acestei cantități la altul, dar, în același timp, valoarea sa generală rămâne neschimbată. Acele sisteme în care se desfășoară procese mecanice se numesc conservatoare. Astfel de sisteme sunt idealizate, adică nu iau în considerare forțele de frecare și alte tipuri de rezistență care provoacă disiparea energiei mecanice.
Într-un sistem conservator, au loc doar tranzițiile reciproce ale energiei potențiale în energie cinetică.
Munca forțelor care acționează într-un astfel de sistempe corp, nu are legătură cu forma căii. Valoarea sa depinde de poziția finală și inițială a corpului. Ca exemplu de forțe de acest fel în fizică, este luată în considerare gravitația. Într-un sistem conservator, cantitatea de muncă efectuată de o forță într-o secțiune închisă este zero, iar legea conservării energiei va fi valabilă sub următoarea formă: „Într-un sistem închis conservator, suma energiei potențiale și cinetice. a organismelor care alcătuiesc sistemul rămâne neschimbată.”
De exemplu, în cazul căderii libere a unui corp, energia potențială este convertită în formă cinetică, în timp ce valoarea totală a acestor tipuri nu se modifică.
În concluzie
Munca mecanică poate fi considerată ca singura cale de tranziție reciprocă a mișcării mecanice în alte forme de materie.
Această lege și-a găsit aplicare în tehnologie.După oprirea motorului mașinii, are loc o pierdere treptată a energiei cinetice, urmată de oprirea vehiculului. Studiile au arătat că în acest caz se eliberează o anumită cantitate de căldură, prin urmare, corpurile de frecare se încălzesc, crescându-le energia internă. În cazul frecării sau a oricărei rezistențe la mișcare se observă o tranziție a energiei mecanice într-o valoare internă, ceea ce indică corectitudinea legii.
Formula sa modernă este:„Energia unui sistem izolat nu dispare în neant, nu apare din senin. În orice fenomen existent în cadrul unui sistem, există o tranziție de la un tip de energie la altul, un transfer de la un corp la altul, fără schimbare cantitativă.”
După descoperirea acestei legi, fizicienii nu pleacăideea de a crea o mașină cu mișcare perpetuă, în care, într-un ciclu închis, nu ar exista nicio modificare a cantității de căldură transferată de sistem către lumea înconjurătoare, în comparație cu căldura primită din exterior. O astfel de mașină ar putea deveni o sursă inepuizabilă de căldură, o modalitate de a rezolva problema energetică a umanității.
