Zakon održanja i transformacije energije jedan je od najvažnijih postulata fizike. Razmotrite istoriju njegovog izgleda, kao i glavne oblasti primene.
Странице историје
Для начала выясним, кто открыл закон сохранения и претварање енергије. 1841. године, паралелно су вршили експерименте британски физичар Јоуле и руски научник Ленз, што је резултирало тиме да су научници у пракси могли да открију однос између механичког рада и топлоте.
Бројне студије физичарау различитим деловима наше планете, они су унапред одредили откриће закона очувања и трансформације енергије. Средином деветнаестог века, немачки научник Мејер је добио своју формулацију. Научник је покушао да саже све информације о електрицитету, механичком покрету, магнетизму, људској физиологији која је постојала у то време.
Otprilike u istom periodu, slična razmišljanja su izneli naučnici u Danskoj, Engleskoj, Nemačkoj.
Eksperimenti sa toplinom
Uprkos raznolikosti ideja otopline, potpunu sliku o tome dao je samo ruski naučnik Mihail Vasiljevič Lomonosov. Savremenici nisu podržavali njegove ideje, verovali su da toplota nije povezana sa kretanjem najmanjih čestica koje čine materiju.
Zakon održanja i transformacije mehaničkogenergije, koju je predložio Lomonosov, podržana je tek nakon što je, tokom eksperimenata, Ramford uspeo da dokaže prisustvo kretanja čestica unutar materije.
Da bi dobio toplotu, fizičar Dejvi je pokušao da se istopileda, vrši trenje jedan o drugi dva komada leda. On je izneo hipotezu prema kojoj se toplota smatra oscilatornim kretanjem čestica materije.
Majerov zakon održanja i transformacije energijepretpostavio nepromenljivost sila koje izazivaju pojavu toplote. Sličnu ideju kritikovali su i drugi naučnici, koji su podsetili da je sila povezana sa brzinom i masom, pa stoga njena vrednost nije mogla da ostane ista vrednost.
Krajem devetnaestog veka Majer je sažeo svojeideje u brošuri i pokušao da reši stvarni problem toplote. Kako se u to vreme koristio zakon održanja i transformacije energije? U mehanici nije postojao konsenzus o metodama dobijanja, pretvaranja energije, pa je do kraja devetnaestog veka ovo pitanje ostalo otvoreno.
Osobina zakona
Zakon održanja i transformacije energije jejedan od osnovnih, koji omogućava, pod određenim uslovima, merenje fizičkih veličina. Zove se prvi zakon termodinamike, čiji je glavni cilj očuvanje ove količine u izolovanom sistemu.
Zakon održanja i transformacije energijeuspostavlja zavisnost količine toplote od različitih faktora. U toku eksperimentalnog istraživanja koje su sproveli Mayer, Helmholtz, Joule, dodeljene su različite vrste energije: potencijalna, kinetička. Kombinacija ovih tipova nazvana je mehanička, hemijska, električna, termička.
Zakon održanja i transformacije energije imao je sledeću formulaciju: „Promena kinetičke energije jednaka je promeni potencijalne energije.
Majer je došao do zaključka da su sve varijante ove količine sposobne da se transformišu jedna u drugu ako ukupna količina toplote ostane nepromenjena.
Matematički izraz
Na primer, energetski bilans deluje kao kvantitativni izraz zakona u hemijskoj industriji.
Zakon održanja i transformacije energijeuspostavlja vezu između količine toplotne energije koja pada u zonu interakcije različitih supstanci sa količinom koja napušta ovu zonu.
Prelazak sa jedne vrste energije na drugu ne znači da ona nestaje. Ne, primećuje se samo njegova transformacija u drugačiji oblik.
Istovremeno, postoji odnos:rad je energija. Zakon održanja i transformacije energije pretpostavlja konstantnost ove vrednosti (njene ukupne količine) za bilo koji proces koji se odvija u izolovanom sistemu. Ovo ukazuje da se u procesu prelaska iz jedne vrste u drugu uočava kvantitativna ekvivalencija. Da bi se dala kvantitativna karakteristika različitih tipova kretanja, u fiziku je uvedena nuklearna, hemijska, elektromagnetna, toplotna energija.
Moderna formulacija
Kako se čita zakon održanja i transformacijeenergije ovih dana? Klasična fizika nudi matematički zapis ovog postulata u obliku generalizovane jednačine stanja za termodinamički zatvoreni sistem:
W = Wk + Wp + U
Ova jednačina pokazuje da je ukupna mehanička energija zatvorenog sistema određena kao zbir kinetičke, potencijalne, unutrašnje energije.
Zakon održanja i transformacije energije, čija je formula gore predstavljena, objašnjava nepromenljivost ove fizičke veličine u zatvorenom sistemu.
Glavni nedostatak matematičke notacije je njena relevantnost samo za zatvoreni termodinamički sistem.
Nezatvoreni sistemi
Uzimajući u obzir princip povećanja, sasvim je mogućeproširiti zakon održanja energije na nezatvorene fizičke sisteme. Ovaj princip preporučuje pisanje matematičkih jednačina u vezi sa opisom stanja sistema, ne u apsolutnim izrazima, već u njihovim numeričkim priraštajima.
Tako da su svi oblici u potpunosti uzeti u obzirenergije, predloženo je da se klasičnoj jednačini idealnog sistema doda zbir prirasta energije, koji su uzrokovani promenama stanja analiziranog sistema pod uticajem različitih oblika polja.
U generalizovanoj verziji, jednačina stanja ima sledeći oblik:
dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Upravo se ova jednačina smatra najpotpunijom u savremenoj fizici. To je postalo osnova zakona očuvanja i transformacije energije.
Значење
U nauci nema izuzetaka od ovog zakona, tjkontroliše sve prirodne pojave. Na osnovu ovog postulata mogu se postaviti hipoteze o raznim motorima, uključujući i pobijanje realnosti razvoja večnog mehanizma. Može se primeniti u svim slučajevima kada je potrebno objasniti prelaze sa jedne vrste energije na drugu.
Primena u mehanici
Kako se čita zakon održanja i transformacijeenergije sada? Njegova suština leži u prelasku jedne vrste ove količine u drugu, ali istovremeno njena ukupna vrednost ostaje nepromenjena. Oni sistemi u kojima se sprovode mehanički procesi nazivaju se konzervativni. Takvi sistemi su idealizovani, odnosno ne uzimaju u obzir sile trenja, druge vrste otpora koji izazivaju disipaciju mehaničke energije.
U konzervativnom sistemu se dešavaju samo međusobni prelazi potencijalne energije u kinetičku energiju.
Rad snaga koje deluju u sličnom sistemuna telu nije u vezi sa oblikom staze. Njegova vrednost zavisi od konačnog i početnog položaja tela. Kao primer sila ove vrste u fizici se smatra sila gravitacije. U konzervativnom sistemu veličina rada sile u zatvorenoj oblasti jednaka je nuli, a zakon održanja energije važiće u sledećem obliku: „U konzervativnom zatvorenom sistemu zbir potencijala i kinetička energija tela koja čine sistem ostaje nepromenjena“.
Na primer, u slučaju slobodnog pada tela dolazi do prelaska potencijalne energije u kinetički oblik, dok se ukupna vrednost ovih vrsta ne menja.
У закључку
Mehanički rad se može smatrati jedinim načinom međusobnog prelaska mehaničkog kretanja u druge oblike materije.
Ovaj zakon je našao primenu u tehnologiji.Nakon gašenja motora automobila dolazi do postepenog gubitka kinetičke energije, nakon čega sledi zaustavljanje vozila. Studije su pokazale da se u ovom slučaju oslobađa određena količina toplote, pa se tela koja trljaju zagrevaju, povećavajući njihovu unutrašnju energiju. U slučaju trenja ili bilo kakvog otpora kretanju, primećuje se prelazak mehaničke energije na unutrašnju vrednost, što ukazuje na ispravnost zakona.
Njegova savremena formulacija je:„Energija izolovanog sistema ne nestaje niotkuda, ne pojavljuje se niotkuda. U bilo kojoj pojavi koja postoji u sistemu, dolazi do prelaska sa jedne vrste energije na drugu, prelaska sa jednog tela na drugo, bez kvantitativnih promena."
Nakon otkrića ovog zakona, fizičari ne odlazeideja stvaranja večnog motora, u kome, u zatvorenom ciklusu, ne bi bilo promene u količini toplote koju sistem prenosi u okolni svet, u poređenju sa toplotom primljenom spolja. Takva mašina bi mogla da postane neiscrpni izvor toplote, način da se reši energetski problem čovečanstva.
