Legea conservării și transformării energiei este unul dintre cele mai importante postulate ale fizicii. Luați în considerare istoricul aspectului său, precum și principalele domenii de aplicare.
Pagini de istorie
În primul rând, să aflăm cine a descoperit legea conservării și transformării energiei. În 1841, fizicianul englez Joule și omul de știință rus Lenz au efectuat experimente în paralel, în urma cărora oamenii de știință au reușit să afle în practică legătura dintre lucrul mecanic și căldură.
Numeroase studii efectuate de fizicieni în diferite părți ale planetei noastre au 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, fiziologia umană care existau în acel moment.
În aceeași perioadă, gânduri similare au fost exprimate de oamenii de știință din Danemarca, Anglia, Germania.
Experimente cucăldură
În ciuda varietății de idei referitoare la căldură, o imagine completă a acesteia i-a fost oferită doar omului de știință rus Mihail Vasilevici Lomonosov. Contemporanii nu i-au susținut ideile, ei credeau că căldura nu este asociată cu mișcarea celor mai mici particule care alcătuiesc materia.
Legea conservării și transformării energiei mecanice, propusă de Lomonosov, a fost susținută numai după ce Rumfoord a reușit să demonstreze prezența mișcării particulelor în interiorul materiei în cursul experimentelor.
Pentru a obține căldură, fizicianul Davy a încercat să topească gheața frecând două bucăți de gheață una de alta. El a prezentat o ipoteză conform căreia căldura era considerată o mișcare oscilativă a particulelor de materie.
Legea lui Mayer de conservare și transformare a energiei a presupus imuabilitatea forțelor care provoacă apariția 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 neschimbată.
La sfârșitul secolului al XIX-lea, Mayer și-a rezumat ideile într-un pamflet 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 modul de obținere, transformare a energiei, așa că această întrebare a rămas deschisă până la sfârșitul secolului al XIX-lea.
Caracteristica legii
Legea conservării și a transformării energiei este una dintre cele fundamentale, permițândanumite condiţii pentru măsurarea mărimilor fizice. Se numește prima lege a termodinamicii, al cărei obiect principal este conservarea acestei valori într-un sistem izolat.
Legea conservării și transformării energiei stabilește dependența cantității de căldură de diverși factori. În cursul studiilor experimentale efectuate de Mayer, Helmholtz, Joule s-au distins diferite tipuri de energie: potențială, cinetică. Combinația acestor specii 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.
Expresie matematică
De exemplu, ca expresie cantitativă a legii, industria chimică este balanța energetică.
Legea conservării și transformării energiei stabilește o relație între cantitatea de energie termică care intră în zona de interacțiune a diferitelor substanțe, cu cantitatea care părăsește această zonă.
Tranziția de la un tip de energie la altul nu înseamnă că aceasta dispare. Nu, se observă doar transformarea ei într-o altă formă.
În același timp, există o relație: muncă - energie. Legea conservării și transformării energiei presupune constanța acestei mărimi (totalul eicantitate) pentru orice 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 a fost introdusă energia nucleară, chimică, electromagnetică, termică.
Formulare modernă
Cum se citește astăzi legea conservării și transformării energiei? Fizica clasică oferă o notație matematică a acestui postulat sub forma unei ecuații de stare generalizate pentru un sistem închis termodinamic:
W=Wk + Wp + U
Această ecuație arată că energia mecanică totală a unui sistem închis este definită ca suma energiilor cinetice, potențiale, interne.
Legea conservării și transformării energiei, a cărei formulă a fost prezentată mai sus, explică invarianța 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 incrementelor, este foarte posibil să extindem legea conservării energiei la sistemele fizice neînchise. Acest principiu recomandă scrierea ecuațiilor matematice legate de descrierea stării sistemului, nu în termeni absoluti, ci în incremente numerice ale acestora.
Pentru a lua în considerare pe deplin toate formele de energie, s-a propus să se adauge la ecuația clasică a unui sistem idealsuma incrementelor de energie care sunt cauzate de modificările stării sistemului analizat sub influența diferitelor forme ale câmpului.
În versiunea generalizată, ecuația de stare este următoarea:
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.
Semnificat
În știință nu există excepții de la această lege, ea guvernează toate fenomenele naturale. Pe baza acestui postulat se pot formula ipoteze despre diferite motoare, inclusiv infirmarea 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.
Aplicații mecanice
Cum se citește în prezent legea conservării și transformării energiei? Esența sa constă în trecerea unui tip al acestei cantități la altul, dar, în același timp, valoarea sa globală 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, alte tipuri de rezistență care provoacă disiparea energiei mecanice.
Într-un sistem conservator, au loc doar tranzițiile reciproce ale energiei potențiale în energie cinetică.
Lucrarea forțelor care acționează asupra unui corp într-un astfel de sistem nu are legătură cu forma căii. Valoarea sadepinde de poziția finală și inițială a corpului. Ca exemplu de forțe de acest fel în fizică luați în considerare forța gravitației. Într-un sistem conservator, valoarea muncii unei forțe 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. dintre corpurile care alcătuiesc sistemul rămâne neschimbată.”
De exemplu, în cazul căderii libere a unui corp, energia potențială se transformă într-o formă cinetică, în timp ce valoarea totală a acestor tipuri nu se modifică.
În concluzie
Munca mecanică poate fi considerată ca singura modalitate 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 o oprire a 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 al oricărei rezistențe la mișcare se observă o tranziție a energiei mecanice într-o valoare internă, ceea ce indică corectitudinea legii.
Formularea sa modernă arată astfel: „Energia unui sistem izolat nu dispare în nicăieri, nu apare de nicăieri. În orice fenomen care există în cadrul sistemului, există o tranziție a unui tip de energie la altul, transfer de la un corp la altul, fărăschimbare cantitativă.”
După descoperirea acestei legi, fizicienii nu părăsesc ideea 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 omenirii.
