Lagen om bevarande och omvandling av energi är ett av fysikens viktigaste postulat. Tänk på historien om dess utseende, såväl som de huvudsakliga användningsområdena.
Historiksidor
Låt oss först ta reda på vem som upptäckte lagen om bevarande och omvandling av energi. År 1841 genomförde den engelske fysikern Joule och den ryske vetenskapsmannen Lenz experiment parallellt, vilket ledde till att forskarna i praktiken lyckades ta reda på sambandet mellan mekaniskt arbete och värme.
Många studier utförda av fysiker i olika delar av vår planet förutbestämde upptäckten av lagen om bevarande och omvandling av energi. I mitten av artonhundratalet gav den tyske vetenskapsmannen Mayer sin formulering. Forskaren försökte sammanfatta all information om elektricitet, mekanisk rörelse, magnetism, mänsklig fysiologi som fanns på den tiden.
Ungefär samma period uttrycktes liknande tankar av forskare i Danmark, England, Tyskland.
Experimentera medvärme
Trots olika idéer om värme, gavs en komplett bild av den endast till den ryske vetenskapsmannen Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Samtida stödde inte hans idéer, de trodde att värme inte var förknippad med rörelsen av de minsta partiklarna som utgör materia.
Lagen om bevarande och omvandling av mekanisk energi, som föreslogs av Lomonosov, stöddes först efter att Rumfoord lyckats bevisa förekomsten av rörelse hos partiklar inuti materia under loppet av experiment.
För att få värme försökte fysikern Davy att smälta is genom att gnugga två isbitar mot varandra. Han lade fram en hypotes enligt vilken värme betraktades som en oscillerande rörelse av materiepartiklar.
Mayers lag om bevarande och omvandling av energi antog oföränderligheten hos de krafter som orsakar uppkomsten av värme. Denna idé kritiserades av andra forskare, som påminde om att kraft är relaterad till hastighet och massa, därför kunde dess värde inte förbli oförändrat.
I slutet av artonhundratalet sammanfattade Mayer sina idéer i en broschyr och försökte lösa det faktiska problemet med värme. Hur användes lagen om bevarande och omvandling av energi vid den tiden? Inom mekaniken fanns det ingen konsensus om hur man skulle erhålla, omvandla energi, så denna fråga förblev öppen fram till slutet av artonhundratalet.
Lagens inslag
Lagen om bevarande och omvandling av energi är en av de grundläggande, som tillåtervissa villkor för att mäta fysiska storheter. Det kallas termodynamikens första lag, vars huvudsakliga syfte är att bevara detta värde i ett isolerat system.
Lagen om bevarande och omvandling av energi fastställer beroendet av mängden värme av olika faktorer. Under experimentella studier utförda av Mayer, Helmholtz, Joule urskiljdes olika typer av energi: potentiell, kinetisk. Kombinationen av dessa arter kallades mekanisk, kemisk, elektrisk, termisk.
Lagen om bevarande och omvandling av energi hade följande formulering: "Förändringen i kinetisk energi är lika med förändringen i potentiell energi."
Mayer kom till slutsatsen att alla varianter av denna kvantitet kan omvandlas till varandra om den totala mängden värme förblir oförändrad.
Matematiskt uttryck
Till exempel, som ett kvantitativt uttryck för lagen, är den kemiska industrin energibalansen.
Lagen om bevarande och omvandling av energi upprättar ett förhållande mellan mängden termisk energi som kommer in i zonen för interaktion mellan olika ämnen, och mängden som lämnar denna zon.
Övergången från en energislag till en annan betyder inte att den försvinner. Nej, bara hennes förvandling till en annan form observeras.
Samtidigt finns det ett förhållande: arbete - energi. Lagen om bevarande och omvandling av energi antar konstanten för denna kvantitet (dess totalakvantitet) för alla processer som sker i ett isolerat system. Detta indikerar att i övergångsprocessen från en art till en annan observeras kvantitativ ekvivalens. För att ge en kvantitativ beskrivning av olika typer av rörelse introducerades kärnenergi, kemisk, elektromagnetisk, termisk energi i fysiken.
Modern formulering
Hur läses lagen om bevarande och omvandling av energi idag? Klassisk fysik erbjuder en matematisk notation av detta postulat i form av en generaliserad tillståndsekvation för ett termodynamiskt slutet system:
W=Wk + Wp + U
Denna ekvation visar att den totala mekaniska energin i ett slutet system definieras som summan av kinetiska, potentiella, inre energier.
Lagen för bevarande och omvandling av energi, vars formel presenterades ovan, förklarar invariansen av denna fysiska storhet i ett slutet system.
Den största nackdelen med matematisk notation är dess relevans endast för ett slutet termodynamiskt system.
Öppna system
Om vi tar hänsyn till principen om inkrement, är det fullt möjligt att utvidga lagen om bevarande av energi till icke-slutna fysiska system. Denna princip rekommenderar att man skriver matematiska ekvationer relaterade till beskrivningen av systemets tillstånd, inte i absoluta termer, utan i deras numeriska steg.
För att fullt ut ta hänsyn till alla former av energi, föreslogs det att lägga till den klassiska ekvationen för ett idealiskt systemsumman av energiökningar som orsakas av förändringar i det analyserade systemets tillstånd under påverkan av olika former av fältet.
I den generaliserade versionen är tillståndsekvationen följande:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Denna ekvation anses vara den mest kompletta inom modern fysik. Det var det som blev grunden för lagen om bevarande och omvandling av energi.
Meaning
Inom vetenskapen finns det inga undantag från denna lag, den styr alla naturfenomen. Det är på basis av detta postulat som man kan lägga fram hypoteser om olika motorer, inklusive vederläggning av verkligheten av utvecklingen av en evig mekanism. Den kan användas i alla fall där det är nödvändigt att förklara övergångarna av en energityp till en annan.
Mekaniska applikationer
Hur läses lagen om bevarande och omvandling av energi för närvarande? Dess väsen ligger i övergången av en typ av denna kvantitet till en annan, men samtidigt förblir dess totala värde oförändrat. De system där mekaniska processer utförs kallas konservativa. Sådana system är idealiserade, det vill säga de tar inte hänsyn till friktionskrafter, andra typer av motstånd som orsakar förlust av mekanisk energi.
I ett konservativt system sker endast ömsesidiga övergångar av potentiell energi till kinetisk energi.
Arbetet av krafter som verkar på en kropp i ett sådant system är inte relaterat till vägens form. Dess värdeberor på kroppens slutliga och initiala position. Som ett exempel på krafter av detta slag inom fysiken, betrakta tyngdkraften. I ett konservativt system är värdet av en krafts arbete i en sluten sektion noll, och lagen om energibevarande kommer att vara giltig i följande form: I ett konservativt slutet system, summan av den potentiella och kinetiska energin av de organ som utgör systemet förblir oförändrade.”
Till exempel, vid ett fritt fall av en kropp, förändras potentiell energi till en kinetisk form, medan det totala värdet av dessa typer inte förändras.
Avslutningsvis
Mekaniskt arbete kan betraktas som det enda sättet för ömsesidig övergång av mekanisk rörelse till andra former av materia.
Denna lag har funnit tillämpning inom teknik. Efter att ha stängt av bilmotorn sker en gradvis förlust av kinetisk energi, följt av ett stopp av fordonet. Studier har visat att i det här fallet frigörs en viss mängd värme, därför värms gnidningskropparna upp, vilket ökar deras inre energi. Vid friktion eller något motstånd mot rörelse observeras en övergång av mekanisk energi till ett internt värde, vilket indikerar lagens riktighet.
Dess moderna formulering ser ut så här: Energin i ett isolerat system försvinner inte in i ingenstans, dyker inte upp från ingenstans. I alla fenomen som existerar inom systemet sker en övergång av en typ av energi till en annan, överföring från en kropp till en annan, utankvantitativ förändring.”
Efter upptäckten av denna lag lämnar fysiker inte tanken på att skapa en evighetsmaskin, där det i en sluten cykel inte skulle ske någon förändring i mängden värme som överförs av systemet till omvärlden, i jämförelse med värmen som tas emot utifrån. En sådan maskin skulle kunna bli en outtömlig värmekälla, ett sätt att lösa mänsklighetens energiproblem.
