Zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije je eden najpomembnejših postulatov fizike. Upoštevajte zgodovino njegovega videza, pa tudi glavna področja uporabe.
Zgodovinske strani
Najprej ugotovimo, kdo je odkril zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije. Leta 1841 sta angleški fizik Joule in ruski znanstvenik Lenz vzporedno izvajala poskuse, zaradi katerih je znanstvenikom uspelo v praksi ugotoviti povezavo med mehanskim delom in toploto.
Številne študije, ki so jih izvedli fiziki v različnih delih našega planeta, so vnaprej določile odkritje zakona o ohranjanju in preoblikovanju energije. Sredi devetnajstega stoletja je svojo formulacijo dal nemški znanstvenik Mayer. Znanstvenik je poskušal povzeti vse informacije o elektriki, mehanskem gibanju, magnetizmu, človeški fiziologiji, ki so obstajale v tistem času.
Približno v istem obdobju so podobne misli izrazili znanstveniki na Danskem, v Angliji, Nemčiji.
Poskusi ztoplina
Kljub raznolikosti idej o toploti je popolno sliko o njej dal le ruski znanstvenik Mihail Vasiljevič Lomonosov. Sodobniki niso podpirali njegovih idej, verjeli so, da toplota ni povezana s gibanjem najmanjših delcev, ki sestavljajo snov.
Zakon ohranjanja in preoblikovanja mehanske energije, ki ga je predlagal Lomonosov, je bil podprt šele potem, ko je Rumfoordu med poskusi uspelo dokazati prisotnost gibanja delcev znotraj snovi.
Za pridobitev toplote je fizik Davy poskušal stopiti led tako, da je dva kosa ledu drgnil drug ob drugega. Postavil je hipotezo, po kateri se je toplota obravnavala kot oscilatorno gibanje delcev snovi.
Mayerjev zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije je predpostavljal nespremenljivost sil, ki povzročajo pojav toplote. To idejo so kritizirali drugi znanstveniki, ki so spomnili, da je sila povezana s hitrostjo in maso, zato njena vrednost ne more ostati nespremenjena.
Ob koncu devetnajstega stoletja je Mayer svoje ideje povzel v brošuri in poskušal rešiti dejanski problem toplote. Kako se je takrat uporabljal zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije? V mehaniki ni bilo soglasja o tem, kako pridobiti, preoblikovati energijo, zato je to vprašanje ostalo odprto do konca devetnajstega stoletja.
Značilnost zakona
Zakon ohranjanja in preoblikovanja energije je eden od temeljnih, ki omogočadoločene pogoje za merjenje fizikalnih veličin. Imenuje se prvi zakon termodinamike, katerega glavni cilj je ohranitev te vrednosti v izoliranem sistemu.
Zakon ohranjanja in preoblikovanja energije določa odvisnost količine toplote od različnih dejavnikov. Med eksperimentalnimi študijami, ki so jih izvedli Mayer, Helmholtz, Joule, so bile razločene različne vrste energije: potencialna, kinetična. Kombinacija teh vrst se je imenovala mehanska, kemična, električna, toplotna.
Zakon ohranjanja in preoblikovanja energije je imel naslednjo formulacijo: "Sprememba kinetične energije je enaka spremembi potencialne energije."
Mayer je prišel do zaključka, da se vse sorte te količine lahko preoblikujejo druga v drugo, če skupna količina toplote ostane nespremenjena.
Matematični izraz
Na primer, kot kvantitativni izraz zakona je kemična industrija energetska bilanca.
Zakon ohranjanja in transformacije energije vzpostavlja razmerje med količino toplotne energije, ki vstopi v območje interakcije različnih snovi, s količino, ki zapusti to območje.
Prehod iz ene vrste energije v drugo ne pomeni, da izgine. Ne, opaziti je le njeno preoblikovanje v drugo obliko.
Ob tem obstaja razmerje: delo - energija. Zakon ohranjanja in preoblikovanja energije predpostavlja konstantnost te količine (njena vsotakoličina) za vse procese, ki se pojavljajo v izoliranem sistemu. To kaže, da se v procesu prehoda iz ene vrste v drugo opazi kvantitativna enakovrednost. Za kvantitativni opis različnih vrst gibanja so v fiziko uvedli jedrsko, kemično, elektromagnetno in toplotno energijo.
Sodobno besedilo
Kako se danes bere zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije? Klasična fizika ponuja matematični zapis tega postulata v obliki posplošene enačbe stanja za termodinamični zaprt sistem:
W=Wk + Wp + U
Ta enačba kaže, da je skupna mehanska energija zaprtega sistema definirana kot vsota kinetičnih, potencialnih, notranjih energij.
Zakon ohranjanja in preoblikovanja energije, katerega formula je bila predstavljena zgoraj, pojasnjuje invariantnost te fizikalne količine v zaprtem sistemu.
Glavna pomanjkljivost matematične notacije je njena relevantnost samo za zaprt termodinamični sistem.
Odprti sistemi
Če upoštevamo načelo prirastkov, je povsem mogoče razširiti zakon o ohranjanju energije na nezaprte fizične sisteme. To načelo priporoča pisanje matematičnih enačb, povezanih z opisom stanja sistema, ne v absolutnih vrednostih, ampak v njihovih številskih prirastkih.
Za popolno upoštevanje vseh oblik energije je bilo predlagano dodati klasični enačbi idealnega sistemavsota energijskih prirastkov, ki nastanejo zaradi sprememb v stanju analiziranega sistema pod vplivom različnih oblik polja.
V posplošeni različici je enačba stanja naslednja:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ta enačba velja za najbolj popolno v sodobni fiziki. Prav to je postalo osnova zakona o ohranjanju in preoblikovanju energije.
pomen
V znanosti ni izjem od tega zakona, ureja vse naravne pojave. Na podlagi tega postulata je mogoče postaviti hipoteze o različnih motorjih, vključno z zavračanjem realnosti razvoja večnega mehanizma. Uporablja se lahko v vseh primerih, ko je treba pojasniti prehode ene vrste energije v drugo.
mehanske aplikacije
Kako se trenutno bere zakon o ohranjanju in preoblikovanju energije? Njegovo bistvo je v prehodu ene vrste te količine v drugo, hkrati pa njegova skupna vrednost ostane nespremenjena. Tisti sistemi, v katerih se izvajajo mehanski procesi, se imenujejo konzervativni. Takšni sistemi so idealizirani, to pomeni, da ne upoštevajo sil trenja, drugih vrst uporov, ki povzročajo disipacijo mehanske energije.
V konzervativnem sistemu se pojavljajo samo medsebojni prehodi potencialne energije v kinetično.
Delo sil, ki delujejo na telo v takem sistemu, ni povezano z obliko poti. Njegova vrednostodvisno od končnega in začetnega položaja telesa. Kot primer tovrstnih sil v fiziki upoštevajte silo gravitacije. V konzervativnem sistemu je vrednost dela sile v zaprtem prerezu nič, zakon o ohranjanju energije pa bo veljal v naslednji obliki: »V konzervativnem zaprtem sistemu je vsota potencialne in kinetične energije teles, ki sestavljajo sistem, ostane nespremenjen."
Na primer, v primeru prostega padca telesa se potencialna energija spremeni v kinetično obliko, medtem ko se skupna vrednost teh vrst ne spremeni.
Za zaključek
Mehansko delo lahko obravnavamo kot edini način medsebojnega prehoda mehanskega gibanja v druge oblike snovi.
Ta zakon je našel uporabo v tehnologiji. Po ugasnitvi avtomobilskega motorja pride do postopne izgube kinetične energije, čemur sledi ustavitev vozila. Študije so pokazale, da se v tem primeru sprosti določena količina toplote, zato se drgneča telesa segrejejo in povečajo njihovo notranjo energijo. V primeru trenja ali kakršnega koli upora proti gibanju opazimo prehod mehanske energije v notranjo vrednost, kar kaže na pravilnost zakona.
Njegova sodobna formulacija izgleda takole: »Energija izoliranega sistema ne izgine nikamor, se ne pojavi od nikoder. Pri vseh pojavih, ki obstajajo v sistemu, pride do prehoda ene vrste energije v drugo, prenosa iz enega telesa v drugo, brezkoličinska sprememba."
Po odkritju tega zakona fiziki ne zapuščajo ideje o ustvarjanju večnega motorja, v katerem v zaprtem ciklu ne bi prišlo do spremembe količine toplote, ki jo sistem prenese na okoliškega sveta v primerjavi s toploto, prejeto od zunaj. Takšen stroj bi lahko postal neizčrpen vir toplote, način za reševanje energetskega problema človeštva.
