Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είναι ένα από τα πιο σημαντικά αξιώματα της φυσικής. Εξετάστε το ιστορικό της εμφάνισής του, καθώς και τους κύριους τομείς εφαρμογής.
Σελίδες Ιστορίας
Αρχικά, ας μάθουμε ποιος ανακάλυψε το νόμο της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας. Το 1841, ο Άγγλος φυσικός Joule και ο Ρώσος επιστήμονας Lenz διεξήγαγαν παράλληλα πειράματα, με αποτέλεσμα οι επιστήμονες να καταφέρουν να ανακαλύψουν στην πράξη τη σύνδεση μεταξύ μηχανικής εργασίας και θερμότητας.
Πολυάριθμες μελέτες που έγιναν από φυσικούς σε διάφορα μέρη του πλανήτη μας προκαθόρισαν την ανακάλυψη του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας. Στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα, ο Γερμανός επιστήμονας Μάγιερ έδωσε τη διατύπωσή του. Ο επιστήμονας προσπάθησε να συνοψίσει όλες τις πληροφορίες σχετικά με τον ηλεκτρισμό, τη μηχανική κίνηση, τον μαγνητισμό, την ανθρώπινη φυσιολογία που υπήρχαν εκείνη την εποχή.
Περίπου την ίδια περίοδο, παρόμοιες σκέψεις εκφράστηκαν από επιστήμονες στη Δανία, την Αγγλία, τη Γερμανία.
Πειράματα μεζεστασιά
Παρά την ποικιλία των ιδεών σχετικά με τη θερμότητα, μια πλήρης εικόνα της δόθηκε μόνο στον Ρώσο επιστήμονα Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Οι σύγχρονοι δεν υποστήριξαν τις ιδέες του, πίστευαν ότι η θερμότητα δεν σχετίζεται με την κίνηση των μικρότερων σωματιδίων που αποτελούν την ύλη.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της μηχανικής ενέργειας, που προτάθηκε από τον Lomonosov, υποστηρίχθηκε μόνο αφού ο Rumfoord κατάφερε να αποδείξει την παρουσία κίνησης σωματιδίων μέσα στην ύλη κατά τη διάρκεια των πειραμάτων.
Για να αποκτήσει θερμότητα, ο φυσικός Davy προσπάθησε να λιώσει τον πάγο τρίβοντας δύο κομμάτια πάγου το ένα πάνω στο άλλο. Έθεσε μια υπόθεση σύμφωνα με την οποία η θερμότητα θεωρήθηκε ως μια ταλαντωτική κίνηση των σωματιδίων της ύλης.
Ο νόμος του Μάγιερ για τη διατήρηση και τον μετασχηματισμό της ενέργειας υπέθεσε την αμετάβλητη των δυνάμεων που προκαλούν την εμφάνιση της θερμότητας. Αυτή η ιδέα επικρίθηκε από άλλους επιστήμονες, οι οποίοι υπενθύμισαν ότι η δύναμη σχετίζεται με την ταχύτητα και τη μάζα, επομένως, η τιμή της δεν θα μπορούσε να παραμείνει αμετάβλητη.
Στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα, ο Mayer συνόψισε τις ιδέες του σε ένα φυλλάδιο και προσπάθησε να λύσει το πραγματικό πρόβλημα της θερμότητας. Πώς χρησιμοποιήθηκε ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας εκείνη την εποχή; Στη μηχανική, δεν υπήρχε συναίνεση σχετικά με τον τρόπο απόκτησης, μετατροπής ενέργειας, έτσι αυτό το ερώτημα παρέμεινε ανοιχτό μέχρι τα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα.
Χαρακτηριστικό του νόμου
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είναι ένας από τους θεμελιώδεις, που επιτρέπουνορισμένες συνθήκες για τη μέτρηση φυσικών μεγεθών. Ονομάζεται ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής, το κύριο αντικείμενο του οποίου είναι η διατήρηση αυτής της τιμής σε ένα απομονωμένο σύστημα.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας καθιερώνει την εξάρτηση της ποσότητας της θερμότητας από διάφορους παράγοντες. Κατά τη διάρκεια των πειραματικών μελετών που πραγματοποιήθηκαν από τους Mayer, Helmholtz, Joule, διακρίθηκαν διάφοροι τύποι ενέργειας: δυναμική, κινητική. Ο συνδυασμός αυτών των ειδών ονομάστηκε μηχανικός, χημικός, ηλεκτρικός, θερμικός.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας είχε την ακόλουθη διατύπωση: "Η μεταβολή της κινητικής ενέργειας είναι ίση με τη μεταβολή της δυνητικής ενέργειας."
Ο Μάγιερ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι όλες οι ποικιλίες αυτής της ποσότητας μπορούν να μεταμορφωθούν η μία στην άλλη εάν η συνολική ποσότητα θερμότητας παραμείνει αμετάβλητη.
Μαθηματική έκφραση
Για παράδειγμα, ως ποσοτική έκφραση του νόμου, η χημική βιομηχανία είναι το ενεργειακό ισοζύγιο.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας καθιερώνει μια σχέση μεταξύ της ποσότητας θερμικής ενέργειας που εισέρχεται στη ζώνη αλληλεπίδρασης διαφόρων ουσιών, με την ποσότητα που εξέρχεται από αυτή τη ζώνη.
Η μετάβαση από ένα είδος ενέργειας σε άλλο δεν σημαίνει ότι εξαφανίζεται. Όχι, παρατηρείται μόνο η μεταμόρφωσή της σε άλλη μορφή.
Ταυτόχρονα, υπάρχει μια σχέση: δουλειά - ενέργεια. Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας προϋποθέτει τη σταθερότητα αυτής της ποσότητας (το σύνολο τουποσότητα) για οποιεσδήποτε διεργασίες συμβαίνουν σε ένα απομονωμένο σύστημα. Αυτό δείχνει ότι στη διαδικασία μετάβασης από το ένα είδος στο άλλο, παρατηρείται ποσοτική ισοδυναμία. Προκειμένου να δοθεί μια ποσοτική περιγραφή διαφορετικών τύπων κίνησης, εισήχθη στη φυσική η πυρηνική, η χημική, η ηλεκτρομαγνητική, η θερμική ενέργεια.
Σύγχρονη διατύπωση
Πώς διαβάζεται σήμερα ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας; Η κλασική φυσική προσφέρει μια μαθηματική σημειογραφία αυτού του αξιώματος με τη μορφή μιας γενικευμένης εξίσωσης κατάστασης για ένα θερμοδυναμικό κλειστό σύστημα:
W=Wk + Wp + U
Αυτή η εξίσωση δείχνει ότι η συνολική μηχανική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος ορίζεται ως το άθροισμα των κινητικών, δυναμικών, εσωτερικών ενεργειών.
Ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας, ο τύπος του οποίου παρουσιάστηκε παραπάνω, εξηγεί την αμετάβλητη αυτής της φυσικής ποσότητας σε ένα κλειστό σύστημα.
Το κύριο μειονέκτημα της μαθηματικής σημειογραφίας είναι η συνάφειά της μόνο για ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα.
Ανοιχτά συστήματα
Αν λάβουμε υπόψη την αρχή των αυξήσεων, είναι πολύ πιθανό να επεκταθεί ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας σε μη κλειστά φυσικά συστήματα. Αυτή η αρχή συνιστά τη σύνταξη μαθηματικών εξισώσεων που σχετίζονται με την περιγραφή της κατάστασης του συστήματος, όχι σε απόλυτες τιμές, αλλά σε αριθμητικές προσαυξήσεις τους.
Για να ληφθούν πλήρως υπόψη όλες οι μορφές ενέργειας, προτάθηκε η προσθήκη στην κλασική εξίσωση ενός ιδανικού συστήματοςτο άθροισμα των ενεργειακών αυξήσεων που προκαλούνται από αλλαγές στην κατάσταση του αναλυόμενου συστήματος υπό την επίδραση διαφόρων μορφών πεδίου.
Στη γενικευμένη έκδοση, η εξίσωση κατάστασης είναι η εξής:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Αυτή η εξίσωση θεωρείται η πληρέστερη στη σύγχρονη φυσική. Ήταν αυτό που έγινε η βάση του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας.
Σημασία
Στην επιστήμη δεν υπάρχουν εξαιρέσεις σε αυτόν τον νόμο, διέπει όλα τα φυσικά φαινόμενα. Με βάση αυτό το αξίωμα μπορεί κανείς να διατυπώσει υποθέσεις για διάφορους κινητήρες, συμπεριλαμβανομένης της διάψευσης της πραγματικότητας της ανάπτυξης ενός διαρκούς μηχανισμού. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλες τις περιπτώσεις όπου είναι απαραίτητο να εξηγηθούν οι μεταβάσεις ενός τύπου ενέργειας σε άλλο.
Μηχανικές εφαρμογές
Πώς διαβάζεται ο νόμος της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας αυτή τη στιγμή; Η ουσία του έγκειται στη μετάβαση ενός τύπου αυτής της ποσότητας σε άλλο, αλλά ταυτόχρονα η συνολική του αξία παραμένει αμετάβλητη. Τα συστήματα στα οποία εκτελούνται μηχανικές διεργασίες ονομάζονται συντηρητικά. Τέτοια συστήματα εξιδανικεύονται, δηλαδή δεν λαμβάνουν υπόψη τις δυνάμεις τριβής, άλλα είδη αντίστασης που προκαλούν διασπορά της μηχανικής ενέργειας.
Σε ένα συντηρητικό σύστημα, συμβαίνουν μόνο αμοιβαίες μεταβάσεις δυναμικής ενέργειας σε κινητική ενέργεια.
Το έργο των δυνάμεων που δρουν σε ένα σώμα σε ένα τέτοιο σύστημα δεν σχετίζεται με το σχήμα της διαδρομής. Η αξία τουεξαρτάται από την τελική και αρχική θέση του σώματος. Ως παράδειγμα δυνάμεων αυτού του είδους στη φυσική θεωρήστε τη δύναμη της βαρύτητας. Σε ένα συντηρητικό σύστημα, η τιμή του έργου μιας δύναμης σε ένα κλειστό τμήμα είναι μηδέν και ο νόμος διατήρησης της ενέργειας θα ισχύει με την ακόλουθη μορφή: «Σε ένα συντηρητικό κλειστό σύστημα, το άθροισμα του δυναμικού και της κινητικής ενέργειας των σωμάτων που συνθέτουν το σύστημα παραμένει αμετάβλητο."
Για παράδειγμα, στην περίπτωση ελεύθερης πτώσης ενός σώματος, η δυναμική ενέργεια μεταβάλλεται σε κινητική μορφή, ενώ η συνολική τιμή αυτών των τύπων δεν αλλάζει.
Συμπερασματικά
Η μηχανική εργασία μπορεί να θεωρηθεί ως ο μόνος τρόπος αμοιβαίας μετάβασης της μηχανικής κίνησης σε άλλες μορφές ύλης.
Αυτός ο νόμος έχει βρει εφαρμογή στην τεχνολογία. Μετά το σβήσιμο του κινητήρα του αυτοκινήτου, υπάρχει σταδιακή απώλεια κινητικής ενέργειας, ακολουθούμενη από ακινητοποίηση του οχήματος. Μελέτες έχουν δείξει ότι σε αυτή την περίπτωση, απελευθερώνεται μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας, επομένως, τα σώματα τριβής θερμαίνονται, αυξάνοντας την εσωτερική τους ενέργεια. Σε περίπτωση τριβής ή οποιασδήποτε αντίστασης στην κίνηση, παρατηρείται μετάβαση της μηχανικής ενέργειας σε εσωτερική τιμή, η οποία δείχνει την ορθότητα του νόμου.
Η σύγχρονη διατύπωσή του μοιάζει: «Η ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος δεν εξαφανίζεται στο πουθενά, δεν εμφανίζεται από το πουθενά. Σε όλα τα φαινόμενα που υπάρχουν μέσα στο σύστημα, υπάρχει μετάβαση ενός τύπου ενέργειας σε άλλο, μεταφορά από το ένα σώμα στο άλλο, χωρίςποσοτική αλλαγή."
Μετά την ανακάλυψη αυτού του νόμου, οι φυσικοί δεν εγκαταλείπουν την ιδέα της δημιουργίας μιας μηχανής αέναης κίνησης, στην οποία, σε έναν κλειστό κύκλο, δεν θα υπήρχε καμία αλλαγή στην ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται από το σύστημα στο τον περιβάλλοντα κόσμο, σε σύγκριση με τη θερμότητα που λαμβάνεται από το εξωτερικό. Μια τέτοια μηχανή θα μπορούσε να γίνει μια ανεξάντλητη πηγή θερμότητας, ένας τρόπος για να λυθεί το ενεργειακό πρόβλημα της ανθρωπότητας.
