A megmaradás és az energia átalakulásának törvénye a fizika egyik legfontosabb posztulátuma. Fontolja meg megjelenésének történetét, valamint a fő alkalmazási területeket.
Előzményoldalak
Először is nézzük meg, ki fedezte fel az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét. 1841-ben Joule angol fizikus és Lenz orosz tudós párhuzamosan végzett kísérleteket, amelyek eredményeként a tudósoknak sikerült a gyakorlatban kideríteniük a mechanikai munka és a hő összefüggését.
A fizikusok által bolygónk különböző részein végzett számos tanulmány előre meghatározta az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének felfedezését. A tizenkilencedik század közepén Mayer német tudós adta elő megfogalmazását. A tudós megpróbálta összefoglalni az elektromosságról, a mechanikai mozgásról, a mágnesességről és az emberi fiziológiáról akkoriban létező összes információt.
Ugyanebben az időszakban Dániában, Angliában és Németországban is hasonló gondolatokat fogalmaztak meg a tudósok.
Kísérletekmelegség
A hővel kapcsolatos elképzelések sokfélesége ellenére erről csak Mihail Vasziljevics Lomonoszov orosz tudós kapott teljes képet. A kortársak nem támogatták elképzeléseit, úgy vélték, hogy a hő nem kapcsolódik az anyagot alkotó legkisebb részecskék mozgásához.
A mechanikai energia megmaradásának és átalakulásának Lomonoszov által javasolt törvényét csak azután támogatták, hogy Rumfoordnak kísérletei során sikerült bizonyítania a részecskék mozgásának jelenlétét az anyagon belül.
Hőszerzés céljából Davy fizikus megpróbálta megolvasztani a jeget úgy, hogy két jégdarabot egymáshoz dörzsölt. Felállított egy hipotézist, amely szerint a hőt az anyagrészecskék rezgőmozgásának tekintik.
Mayer energiamegmaradási és -átalakítási törvénye feltételezi a hő megjelenését okozó erők megváltoztathatatlanságát. Ezt az elképzelést más tudósok is bírálták, emlékeztetve arra, hogy az erő a sebességgel és a tömeggel függ össze, ezért értéke nem maradhat változatlan.
A tizenkilencedik század végén Mayer egy röpiratban fogl alta össze elképzeléseit, és megpróbálta megoldani a hő aktuális problémáját. Hogyan használták akkoriban az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét? A mechanikában nem volt konszenzus az energia megszerzésének, átalakításának módját illetően, így ez a kérdés a 19. század végéig nyitott maradt.
A törvény jellemzője
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye az egyik alapvető törvény, amely lehetővé teszibizonyos feltételek a fizikai mennyiségek mérésére. Ezt a termodinamika első főtételének nevezik, amelynek fő célja ennek az értéknek a megőrzése egy elszigetelt rendszerben.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye megállapítja a hőmennyiség különböző tényezőktől való függőségét. A Mayer, Helmholtz, Joule által végzett kísérleti vizsgálatok során különféle energiafajtákat különböztettek meg: potenciális, kinetikus. Ezeknek a fajtáknak a kombinációját mechanikai, kémiai, elektromos, termikusnak nevezték.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye a következőképpen fogalmazódott meg: "A mozgási energia változása egyenlő a potenciális energia változásával."
Mayer arra a következtetésre jutott, hogy ennek a mennyiségnek minden fajtája képes egymásba átalakulni, ha a teljes hőmennyiség változatlan marad.
Matematikai kifejezés
Például a törvény mennyiségi kifejezéseként a vegyipar az energiamérleg.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye összefüggést hoz létre a különböző anyagok kölcsönhatási zónájába belépő hőenergia és az ebből a zónát elhagyó hőenergia mennyisége között.
Az egyik energiatípusról a másikra való átmenet nem jelenti azt, hogy az eltűnik. Nem, csak a másik formába való átalakulása figyelhető meg.
Ugyanakkor van kapcsolat: munka – energia. Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye ennek a mennyiségnek az állandóságát (összességétmennyiség) az elszigetelt rendszerben végbemenő bármely folyamatra. Ez azt jelzi, hogy az egyik fajról a másikra való átmenet folyamatában mennyiségi ekvivalencia figyelhető meg. A különböző mozgástípusok mennyiségi leírása érdekében a nukleáris, kémiai, elektromágneses, hőenergiát bevezették a fizikába.
Modern megfogalmazás
Hogy olvassák ma az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét? A klasszikus fizika ennek a posztulátumnak matematikai jelölését kínálja egy termodinamikai zárt rendszer általános állapotegyenletének formájában:
W=Hét + Wp + U
Ez az egyenlet azt mutatja, hogy egy zárt rendszer teljes mechanikai energiája a kinetikai, potenciális és belső energiák összege.
Az energia megmaradásának és átalakulásának törvénye, amelynek képletét fentebb bemutattuk, megmagyarázza ennek a fizikai mennyiségnek a változatlanságát egy zárt rendszerben.
A matematikai jelölés fő hátránya, hogy csak zárt termodinamikai rendszerre vonatkozik.
Nyílt rendszerek
Ha figyelembe vesszük a növekmény elvét, akkor teljesen lehetséges az energiamegmaradás törvényének kiterjesztése nem zárt fizikai rendszerekre is. Ez az elv azt javasolja, hogy a rendszer állapotának leírásához kapcsolódó matematikai egyenleteket ne abszolút értékben, hanem numerikus lépésekben írjunk.
Az energia minden formájának teljes körű figyelembevétele érdekében javasolták az ideális rendszer klasszikus egyenletének kiegészítését.azon energianövekmény összege, amelyet a vizsgált rendszer állapotának változásai okoznak a mező különböző formáinak hatására.
Az általánosított változatban az állapotegyenlet a következő:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ez az egyenlet a legteljesebb a modern fizikában. Ez lett az alapja az energia megmaradásának és átalakulásának törvényének.
Jelentés
A tudományban ez alól a törvény alól nincs kivétel, minden természeti jelenséget szabályoz. Ennek a posztulátumnak az alapján lehet hipotéziseket felállítani a különféle hajtóművekről, beleértve az örökös mechanizmus kialakulásának valóságának cáfolatát is. Minden olyan esetben használható, amikor meg kell magyarázni az egyik energiafajta átmenetét a másikba.
Mechanikai alkalmazások
Hogy olvassák jelenleg az energia megmaradásának és átalakulásának törvényét? Lényege ennek a mennyiségnek az egyik típusának a másikba való átmenetében rejlik, ugyanakkor összértéke változatlan marad. Azokat a rendszereket, amelyekben mechanikai folyamatokat hajtanak végre, konzervatívnak nevezzük. Az ilyen rendszerek idealizáltak, vagyis nem veszik figyelembe a súrlódási erőket, más típusú ellenállásokat, amelyek a mechanikai energia disszipációját okozzák.
Egy konzervatív rendszerben csak a potenciális energia kölcsönös átmenete történik kinetikus energiává.
Egy ilyen rendszerben a testre ható erők munkája nincs összefüggésben az út alakjával. Az értékea test végső és kezdeti helyzetétől függ. Példaként az ilyen jellegű erőkre a fizikában tekintsük a gravitációs erőt. Egy konzervatív rendszerben egy erő hatásának értéke egy zárt szakaszon nulla, és az energia megmaradás törvénye a következő formában lesz érvényes: „Konzervatív zárt rendszerben a potenciál és a mozgási energia összege. a rendszert alkotó testek száma változatlan marad.”
Például egy test szabadesése esetén a potenciális energia kinetikus formába változik, miközben ezen típusok összértéke nem változik.
Befejezésül
A mechanikai munka tekinthető az egyetlen módnak a mechanikai mozgásnak az anyag más formáiba való kölcsönös átmenetére.
Ez a törvény alkalmazásra talált a technológiában. Az autó motorjának leállítása után a kinetikus energia fokozatos elvesztése következik be, majd a jármű leáll. A vizsgálatok kimutatták, hogy ebben az esetben bizonyos mennyiségű hő szabadul fel, ezért a dörzsölő testek felmelegednek, növelve belső energiájukat. Súrlódás vagy bármilyen mozgási ellenállás esetén a mechanikai energia belső értékké való átmenete figyelhető meg, ami a törvény helyességét jelzi.
Modern megfogalmazása így néz ki: „Egy elszigetelt rendszer energiája nem tűnik el a semmibe, nem jelenik meg a semmiből. A rendszerben létező bármely jelenségben megtörténik az egyik energiafajta átmenete a másikba, az egyik testből a másikba való átmenet anélkül, hogymennyiségi változás.”
Ennek a törvénynek a felfedezése után a fizikusok nem hagyják el az örökmozgó létrehozásának gondolatát, amelyben egy zárt ciklusban nem változna a rendszer által átadott hőmennyiség. a környező világot, összehasonlítva a kívülről érkező hővel. Egy ilyen gép kimeríthetetlen hőforrássá válhat, az emberiség energiaproblémáinak megoldására.
