Prawo zachowania i transformacji energii jest jednym z najważniejszych postulatów fizyki. Rozważ historię jego pojawienia się, a także główne obszary zastosowań.
Strony historii
Najpierw dowiedzmy się, kto odkrył prawo zachowania i transformacji energii. W 1841 r. angielski fizyk Joule i rosyjski naukowiec Lenz przeprowadzili równolegle eksperymenty, w wyniku których naukowcom udało się w praktyce odkryć związek między pracą mechaniczną a ciepłem.
Liczne badania przeprowadzone przez fizyków w różnych częściach naszej planety przesądziły o odkryciu prawa zachowania i transformacji energii. W połowie XIX wieku niemiecki naukowiec Mayer podał swoją formułę. Naukowiec próbował podsumować wszystkie informacje o elektryczności, ruchu mechanicznym, magnetyzmie, fizjologii człowieka, które istniały w tym czasie.
Mniej więcej w tym samym okresie podobne myśli wyrażali naukowcy z Danii, Anglii i Niemiec.
Eksperymenty zciepło
Pomimo różnorodności poglądów na temat ciepła, jego pełny obraz otrzymał tylko rosyjski naukowiec Michaił Wasiljewicz Łomonosow. Współcześni nie popierali jego pomysłów, wierzyli, że ciepło nie jest związane z ruchem najmniejszych cząstek, z których składa się materia.
Prawo zachowania i transformacji energii mechanicznej, zaproponowane przez Łomonosowa, znalazło poparcie dopiero po tym, jak Rumfoord zdołał w trakcie eksperymentów udowodnić obecność ruchu cząstek wewnątrz materii.
Aby uzyskać ciepło, fizyk Davy próbował stopić lód, pocierając o siebie dwa kawałki lodu. Postawił hipotezę, zgodnie z którą ciepło uważano za ruch oscylacyjny cząstek materii.
Prawo zachowania i transformacji energii Mayera zakładało niezmienność sił, które powodują pojawienie się ciepła. Pomysł ten został skrytykowany przez innych naukowców, którzy przypomnieli, że siła jest powiązana z prędkością i masą, dlatego jej wartość nie może pozostać niezmieniona.
Pod koniec XIX wieku Mayer podsumował swoje pomysły w broszurze i próbował rozwiązać rzeczywisty problem ciepła. Jak wówczas stosowano prawo zachowania i przemiany energii? W mechanice nie było zgody co do tego, jak pozyskiwać, przekształcać energię, więc pytanie to pozostawało otwarte do końca XIX wieku.
Cecha prawa
Prawo zachowania i transformacji energii jest jednym z podstawowych, pozwalającychpewne warunki do pomiaru wielkości fizycznych. Nazywa się to pierwszą zasadą termodynamiki, której głównym celem jest zachowanie tej wartości w układzie izolowanym.
Prawo zachowania i przemiany energii określa zależność ilości ciepła od różnych czynników. W trakcie badań eksperymentalnych prowadzonych przez Mayera, Helmholtza, Joule'a wyróżniono różne rodzaje energii: potencjalną, kinetyczną. Połączenie tych gatunków nazwano mechanicznym, chemicznym, elektrycznym, termicznym.
Prawo zachowania i transformacji energii ma następujące sformułowanie: "Zmiana energii kinetycznej jest równa zmianie energii potencjalnej."
Mayer doszedł do wniosku, że wszystkie odmiany o tej ilości są zdolne do przekształcania się w siebie, jeśli całkowita ilość ciepła pozostaje niezmieniona.
Wyrażenie matematyczne
Na przykład, jako ilościowy wyraz prawa, przemysł chemiczny to bilans energetyczny.
Prawo zachowania i przemiany energii ustala związek między ilością energii cieplnej, która wchodzi w strefę oddziaływania różnych substancji, a ilością, która opuszcza tę strefę.
Przejście z jednego rodzaju energii na inny nie oznacza, że znika. Nie, obserwuje się tylko jej przemianę w inną formę.
W tym samym czasie istnieje relacja: praca - energia. Prawo zachowania i przemiany energii zakłada stałość tej wielkości (jej sumailości) dla wszelkich procesów zachodzących w systemie izolowanym. Wskazuje to, że w procesie przejścia z jednego gatunku do drugiego obserwuje się równoważność ilościową. W celu ilościowego opisu różnych rodzajów ruchu w fizyce wprowadzono energię jądrową, chemiczną, elektromagnetyczną, cieplną.
Nowoczesne sformułowanie
Jak dziś czyta się prawo zachowania i transformacji energii? Fizyka klasyczna oferuje matematyczny zapis tego postulatu w postaci uogólnionego równania stanu dla termodynamicznego układu zamkniętego:
W=Wk + Wp + U
To równanie pokazuje, że całkowita energia mechaniczna układu zamkniętego jest zdefiniowana jako suma energii kinetycznej, potencjalnej i wewnętrznej.
Prawo zachowania i transformacji energii, którego wzór został przedstawiony powyżej, wyjaśnia niezmienność tej wielkości fizycznej w układzie zamkniętym.
Główną wadą zapisu matematycznego jest jego znaczenie tylko dla zamkniętego systemu termodynamicznego.
Systemy otwarte
Jeśli weźmiemy pod uwagę zasadę przyrostów, całkiem możliwe jest rozszerzenie prawa zachowania energii na niezamknięte układy fizyczne. Zasada ta zaleca pisanie równań matematycznych związanych z opisem stanu systemu nie w wartościach bezwzględnych, ale w ich przyrostach liczbowych.
Aby w pełni uwzględnić wszystkie formy energii, zaproponowano dodanie do klasycznego równania idealnego układusuma przyrostów energii, które są spowodowane zmianami stanu analizowanego układu pod wpływem różnych postaci pola.
W wersji uogólnionej równanie stanu wygląda następująco:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
To równanie jest uważane za najbardziej kompletne we współczesnej fizyce. To właśnie stało się podstawą prawa zachowania i przemiany energii.
Znaczenie
W nauce nie ma wyjątków od tego prawa, rządzi ono wszystkimi zjawiskami naturalnymi. To właśnie na podstawie tego postulatu można postawić hipotezy dotyczące różnych silników, w tym obalenie realności rozwoju wieczystego mechanizmu. Może być stosowany we wszystkich przypadkach, w których konieczne jest wyjaśnienie przejść jednego rodzaju energii w inny.
Zastosowania mechaniczne
Jak obecnie odczytuje się prawo zachowania i transformacji energii? Jego istota polega na przejściu jednego rodzaju tej wielkości na inny, ale jednocześnie jego ogólna wartość pozostaje niezmieniona. Systemy, w których przeprowadzane są procesy mechaniczne, nazywane są konserwatywnymi. Takie układy są wyidealizowane, to znaczy nie uwzględniają sił tarcia, innych rodzajów oporów, które powodują rozpraszanie energii mechanicznej.
W systemie konserwatywnym występują tylko wzajemne przejścia energii potencjalnej w energię kinetyczną.
Działanie sił działających na ciało w takim układzie nie jest związane z kształtem ścieżki. Jego wartośćzależy od ostatecznej i początkowej pozycji ciała. Jako przykład tego rodzaju sił w fizyce rozważ siłę grawitacji. W układzie zachowawczym wartość pracy siły w przekroju zamkniętym wynosi zero, a prawo zachowania energii będzie obowiązywać w postaci: „W układzie zachowawczym zamkniętym suma energii potencjalnej i kinetycznej ciał, które tworzą system, pozostaje niezmienione.”
Na przykład w przypadku swobodnego spadania ciała energia potencjalna zmienia się w formę kinetyczną, podczas gdy całkowita wartość tych typów nie ulega zmianie.
Na zakończenie
Praca mechaniczna może być uważana za jedyny sposób wzajemnego przejścia ruchu mechanicznego w inne formy materii.
To prawo znalazło zastosowanie w technologii. Po wyłączeniu silnika samochodu następuje stopniowa utrata energii kinetycznej, po której następuje zatrzymanie pojazdu. Badania wykazały, że w tym przypadku uwalniana jest pewna ilość ciepła, dlatego ciała trące nagrzewają się, zwiększając ich energię wewnętrzną. W przypadku tarcia lub jakiegokolwiek oporu ruchu obserwuje się przejście energii mechanicznej na wartość wewnętrzną, co wskazuje na poprawność prawa.
Jego nowoczesna formuła wygląda tak: „Energia izolowanego systemu nie znika w nikąd, nie pojawia się znikąd. W każdym zjawisku istniejącym w systemie następuje przejście jednego rodzaju energii do drugiego, przeniesienie z jednego ciała do drugiego, bezzmiana ilościowa.”
Po odkryciu tego prawa fizycy nie porzucają pomysłu stworzenia perpetuum mobile, w której w cyklu zamkniętym nie zmieniłaby się ilość ciepła przekazywanego przez system do otaczającego świata, w porównaniu z ciepłem odbieranym z zewnątrz. Taka maszyna mogłaby stać się niewyczerpanym źródłem ciepła, sposobem na rozwiązanie problemu energetycznego ludzkości.
