Законът за запазване и трансформацията на енергията е един от най-важните постулати на физиката. Разгледайте историята на появата му, както и основните области на приложение.
Страници с история
Първо, нека разберем кой е открил закона за запазване и преобразуване на енергията. През 1841 г. английският физик Джоул и руският учен Ленц провеждат паралелно експерименти, в резултат на които учените успяват да открият на практика връзката между механичната работа и топлината.
Многобройни изследвания, проведени от физици в различни части на нашата планета, предопределиха откриването на закона за запазване и преобразуване на енергията. В средата на деветнадесети век немският учен Майер дава своята формулировка. Ученият се опита да обобщи цялата информация за електричеството, механичното движение, магнетизма, човешката физиология, която е съществувала по това време.
Приблизително през същия период подобни мисли бяха изразени от учени в Дания, Англия, Германия.
Експерименти стоплина
Въпреки разнообразието от идеи относно топлината, пълна представа за нея е дадена само на руския учен Михаил Василиевич Ломоносов. Съвременниците не подкрепят идеите му, те вярват, че топлината не е свързана с движението на най-малките частици, които съставляват материята.
Законът за запазване и преобразуване на механичната енергия, предложен от Ломоносов, беше подкрепен едва след като Румфорд успя да докаже наличието на движение на частици вътре в материята в хода на експериментите.
За да получи топлина, физикът Дейви се опита да разтопи леда, като трие две парчета лед едно в друго. Той изложи хипотеза, според която топлината се разглежда като осцилаторно движение на частици материя.
Законът на Майер за запазване и преобразуване на енергията приема неизменността на силите, които причиняват появата на топлина. Тази идея беше критикувана от други учени, които напомниха, че силата е свързана със скоростта и масата, поради което стойността й не може да остане непроменена.
В края на деветнадесети век Майер обобщава идеите си в брошура и се опитва да разреши действителния проблем с топлината. Как се използва законът за запазване и преобразуване на енергията по това време? В механиката няма консенсус за това как да се получи, трансформира енергия, така че този въпрос остава отворен до края на деветнадесети век.
Характеристика на закона
Законът за запазване и преобразуването на енергията е един от основните, позволяващопределени условия за измерване на физически величини. Нарича се първият закон на термодинамиката, чийто основен обект е запазването на тази стойност в изолирана система.
Законът за запазване и преобразуване на енергията установява зависимостта на количеството топлина от различни фактори. В хода на експериментални изследвания, проведени от Майер, Хелмхолц, Джоул, бяха разграничени различни видове енергия: потенциална, кинетична. Комбинацията от тези видове се нарича механична, химична, електрическа, термична.
Законът за запазване и преобразуване на енергията имаше следната формулировка: "Промяната в кинетичната енергия е равна на промяната в потенциалната енергия."
Майер стигна до заключението, че всички разновидности на това количество могат да се трансформират един в друг, ако общото количество топлина остане непроменено.
Математически израз
Например, като количествен израз на закона, химическата индустрия е енергийният баланс.
Законът за запазване и преобразуване на енергията установява връзка между количеството топлинна енергия, което влиза в зоната на взаимодействие на различни вещества, с количеството, което напуска тази зона.
Преходът от един вид енергия към друг не означава, че тя изчезва. Не, наблюдава се само нейната трансформация в друга форма.
В същото време има връзка: работа - енергия. Законът за запазване и преобразуване на енергията приема постоянството на това количество (неговото общоколичество) за всички процеси, протичащи в изолирана система. Това показва, че в процеса на преход от един вид към друг се наблюдава количествена еквивалентност. За да се даде количествено описание на различните видове движение, във физиката е въведена ядрена, химическа, електромагнитна, топлинна енергия.
Модерна формулировка
Как се чете днес законът за запазване и преобразуване на енергията? Класическата физика предлага математическа нотация на този постулат под формата на обобщено уравнение на състоянието за термодинамична затворена система:
W=Wk + Wp + U
Това уравнение показва, че общата механична енергия на затворена система се дефинира като сума от кинетични, потенциални, вътрешни енергии.
Законът за запазване и преобразуване на енергията, чиято формула беше представена по-горе, обяснява инвариантността на това физическо количество в затворена система.
Основният недостатък на математическата нотация е нейната приложимост само за затворена термодинамична система.
Отворени системи
Ако вземем предвид принципа на инкрементите, е напълно възможно да разширим закона за запазване на енергията към незатворени физически системи. Този принцип препоръчва писането на математически уравнения, свързани с описанието на състоянието на системата, не в абсолютни стойности, а в техните числови нараствания.
За да се отчетат напълно всички форми на енергия, беше предложено да се добави към класическото уравнение на идеална системасумата от енергийните нараствания, причинени от промени в състоянието на анализираната система под влиянието на различни форми на полето.
В обобщената версия уравнението на състоянието е както следва:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Това уравнение се счита за най-пълното в съвременната физика. Именно той стана в основата на закона за запазване и преобразуване на енергията.
Значение
В науката няма изключения от този закон, той управлява всички природни явления. Въз основа на този постулат могат да се излагат хипотези за различни двигатели, включително опровергаване на реалността на развитието на вечен механизъм. Може да се използва във всички случаи, когато е необходимо да се обяснят преходите на един вид енергия към друг.
Механични приложения
Как се чете законът за запазване и преобразуване на енергията в момента? Същността му се крие в прехода на един вид от това количество към друг, но в същото време общата му стойност остава непроменена. Тези системи, в които се извършват механични процеси, се наричат консервативни. Такива системи са идеализирани, тоест не отчитат силите на триене, други видове съпротивление, които причиняват разсейване на механичната енергия.
В консервативна система се случват само взаимни преходи на потенциална енергия в кинетична.
Работата на силите, които действат върху тяло в такава система, не е свързана с формата на пътя. Неговата стойностзависи от крайното и първоначалното положение на тялото. Като пример за сили от този вид във физиката разгледайте силата на гравитацията. В консервативна система стойността на работата на сила в затворено сечение е нула и законът за запазване на енергията ще бъде валиден в следната форма: „В консервативна затворена система сумата от потенциалната и кинетичната енергия от телата, които съставляват системата, остава непроменен."
Например, в случай на свободно падане на тяло, потенциалната енергия се променя в кинетична форма, докато общата стойност на тези типове не се променя.
В заключение
Механичната работа може да се разглежда като единствения начин за взаимен преход на механичното движение в други форми на материя.
Този закон е намерил приложение в технологиите. След изключване на двигателя на автомобила има постепенна загуба на кинетична енергия, последвана от спиране на превозното средство. Проучванията показват, че в този случай се отделя известно количество топлина, следователно, триещите тела се нагряват, увеличавайки вътрешната им енергия. В случай на триене или каквото и да е съпротивление на движение, се наблюдава преход на механичната енергия във вътрешна стойност, което показва правилността на закона.
Модерната му формулировка изглежда така: „Енергията на изолирана система не изчезва в нищото, не се появява от нищото. При всяко явление, което съществува в системата, има преход на един вид енергия към друг, прехвърляне от едно тяло в друго, безколичествена промяна.“
След откриването на този закон, физиците не оставят идеята за създаване на вечен двигател, в който в затворен цикъл няма да има промяна в количеството топлина, предадено от системата към околния свят, в сравнение с топлината, получена отвън. Такава машина може да се превърне в неизчерпаем източник на топлина, начин за решаване на енергийния проблем на човечеството.
