Energian säilymis- ja muunnoslaki on yksi fysiikan tärkeimmistä postulaateista. Harkitse sen ulkonäön historiaa sekä tärkeimpiä käyttöalueita.
Historiasivut
Otetaan ensin selvää, kuka keksi energian säilymisen ja muuntamisen lain. Vuonna 1841 englantilainen fyysikko Joule ja venäläinen tiedemies Lenz suorittivat rinnakkain kokeita, joiden tuloksena tiedemiehet onnistuivat käytännössä selvittämään mekaanisen työn ja lämmön välisen yhteyden.
Lukuisat tutkimukset, joita fyysikot tekivät planeettamme eri osissa, määrittelivät enn alta energian säilymisen ja muuntamisen lain löytämisen. 1800-luvun puolivälissä saksalainen tiedemies Mayer antoi muotoilunsa. Tiedemies yritti tiivistää kaikki siihen aikaan olemassa olleet tiedot sähköstä, mekaanisesta liikkeestä, magnetismista ja ihmisen fysiologiasta.
Samaan aikaan samanlaisia ajatuksia esittivät tutkijat Tanskassa, Englannissa ja Saksassa.
Kokeilelämpöä
Huolimatta lämpöä koskevien käsitysten moninaisuudesta, täydellinen kuva siitä annettiin vain venäläiselle tiedemiehelle Mihail Vasiljevitš Lomonosoville. Aikalaiset eivät tukeneet hänen ajatuksiaan, he uskoivat, että lämpö ei liittynyt aineen muodostavien pienimpien hiukkasten liikkeisiin.
Lomonosovin ehdottama mekaanisen energian säilymis- ja muunnoslaki sai tukea vasta sen jälkeen, kun Rumfoord onnistui osoittamaan kokeiden aikana hiukkasten liikkeen olemassaolon aineen sisällä.
Lämmön saamiseksi fyysikko Davy yritti sulattaa jäätä hankaamalla kahta jääpalaa toisiaan vasten. Hän esitti hypoteesin, jonka mukaan lämpöä pidettiin aineen hiukkasten värähtelevänä liikkeenä.
Mayerin energian säilymis- ja muunnoslaki olettaa lämmön ilmaantumista aiheuttavien voimien muuttumattomuuden. Tätä ajatusta kritisoivat muut tutkijat, jotka muistuttivat, että voima liittyy nopeuteen ja massaan, joten sen arvo ei voinut pysyä muuttumattomana.
Yhdeksännentoista vuosisadan lopulla Mayer tiivisti ideansa pamfletissa ja yritti ratkaista todellisen lämpöongelman. Miten energian säilymisen ja muuntamisen lakia käytettiin tuolloin? Mekaniikassa ei ollut yksimielisyyttä energian hankkimisesta, muuntamisesta, joten tämä kysymys jäi avoimeksi 1800-luvun loppuun asti.
Lain piirre
Energian säilymis- ja muunnoslaki on yksi peruslaki, joka mahdollistaatietyt olosuhteet fyysisten määrien mittaamiseksi. Sitä kutsutaan termodynamiikan ensimmäiseksi säännöksi, jonka päätavoitteena on tämän arvon säilyminen eristetyssä järjestelmässä.
Energian säilymisen ja muuntumisen laki määrittää lämmön määrän riippuvuuden eri tekijöistä. Mayerin, Helmholtzin, Joulen suorittamien kokeellisten tutkimusten aikana erotettiin erilaisia energiatyyppejä: potentiaalinen, kineettinen. Näiden lajien yhdistelmää kutsuttiin mekaaniseksi, kemialliseksi, sähköiseksi, termiseksi.
Energian säilymisen ja muuntamisen lailla oli seuraava muotoilu: "Kineettisen energian muutos on yhtä suuri kuin potentiaalienergian muutos."
Mayer tuli siihen tulokseen, että kaikki tämän määrän lajikkeet pystyvät muuntumaan toisikseen, jos lämmön kokonaismäärä pysyy ennallaan.
Matemaattinen lauseke
Esimerkiksi lain määrällisenä ilmaisuna kemianteollisuus on energiatase.
Energian säilymis- ja muunnoslaki määrittää suhteen eri aineiden vuorovaikutusalueelle tulevan lämpöenergian määrän ja tältä vyöhykkeeltä poistuvan määrän välillä.
Siirtymä energiatyypistä toiseen ei tarkoita, että se katoaa. Ei, vain hänen muuttumistaan toiseen muotoon havaitaan.
Samaan aikaan on olemassa suhde: työ - energia. Energian säilymisen ja muuntamisen laki olettaa tämän suuren (sen kokonaismäärän) pysyvyydenmäärä) kaikille eristetyssä järjestelmässä tapahtuville prosesseille. Tämä osoittaa, että siirtymisprosessissa yhdestä lajista toiseen havaitaan kvantitatiivinen vastaavuus. Jotta voitaisiin antaa kvantitatiivinen kuvaus erityyppisistä liikkeistä, fysiikassa otettiin käyttöön ydin-, kemiallinen, sähkömagneettinen ja lämpöenergia.
Moderni sanamuoto
Miten energian säilymisen ja muuntumisen lakia luetaan nykyään? Klassinen fysiikka tarjoaa tämän postulaatin matemaattisen merkinnän termodynaamisen suljetun järjestelmän yleisen tilayhtälön muodossa:
W=Vk + Vp + U
Tämä yhtälö osoittaa, että suljetun järjestelmän mekaaninen kokonaisenergia määritellään kineettisten, potentiaalisten ja sisäisten energioiden summana.
Energian säilymisen ja muuntamisen laki, jonka kaava esitettiin yllä, selittää tämän fysikaalisen suuren muuttumattomuuden suljetussa järjestelmässä.
Matemaattisen merkinnän suurin haitta on sen merkitys vain suljetulle termodynaamiselle järjestelmälle.
Avoimet järjestelmät
Jos otamme huomioon inkrementtien periaatteen, on täysin mahdollista laajentaa energian säilymislakia ei-suljettuihin fyysisiin järjestelmiin. Tämä periaate suosittelee järjestelmän tilan kuvaukseen liittyvien matemaattisten yhtälöiden kirjoittamista, ei absoluuttisina, vaan numeerisina lisäyksinä.
Kaikkien energiamuotojen huomioon ottamiseksi ehdotettiin lisäämistä ideaalijärjestelmän klassiseen yhtälöön.niiden energialisäysten summa, jotka aiheutuvat analysoitavan järjestelmän tilan muutoksista kentän eri muotojen vaikutuksesta.
Yleistetyssä versiossa tilayhtälö on seuraava:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Tätä yhtälöä pidetään modernin fysiikan täydellisimpana. Siitä tuli energian säilymisen ja muuntamisen lain perusta.
Merkitys
Tieteessä tähän lakiin ei ole poikkeuksia, se hallitsee kaikkia luonnonilmiöitä. Tämän postulaatin perusteella voidaan esittää hypoteeseja erilaisista moottoreista, mukaan lukien ikuisen mekanismin kehityksen todellisuuden kumoaminen. Sitä voidaan käyttää kaikissa tapauksissa, joissa on tarpeen selittää yhden energiatyypin siirtymät toiseen.
Mekaaniset sovellukset
Miten energian säilymisen ja muuntumisen lakia luetaan tällä hetkellä? Sen ydin on tämän suuren yhden tyypin siirtyminen toiseen, mutta samalla sen kokonaisarvo pysyy muuttumattomana. Sellaisia järjestelmiä, joissa suoritetaan mekaanisia prosesseja, kutsutaan konservatiivisiksi. Tällaiset järjestelmät ovat idealisoituja, eli ne eivät ota huomioon kitkavoimia, muita vastustustyyppejä, jotka aiheuttavat mekaanisen energian hajoamista.
Konservatiivisessa järjestelmässä tapahtuu vain potentiaalienergian keskinäisiä siirtymiä liike-energiaksi.
Kehoon vaikuttavien voimien työ tällaisessa järjestelmässä ei liity polun muotoon. Sen arvoriippuu kehon lopullisesta ja alkuasennosta. Esimerkkinä tällaisista voimista fysiikassa harkitse painovoimaa. Konservatiivisessa järjestelmässä voiman työn arvo suljetussa osassa on nolla ja energian säilymisen laki pätee seuraavassa muodossa: Konservatiivisessa suljetussa järjestelmässä potentiaalin ja liike-energian summa järjestelmän muodostavista kappaleista pysyy muuttumattomana.”
Esimerkiksi kehon vapaan pudotuksen tapauksessa potentiaalienergia muuttuu kineettiseen muotoon, kun taas näiden tyyppien kokonaisarvo ei muutu.
Lopuksi
Mekaanista työtä voidaan pitää ainoana keinona mekaanisen liikkeen keskinäiseen siirtymiseen muihin aineen muotoihin.
Tämä laki on löytänyt sovelluksen teknologiassa. Auton moottorin sammuttamisen jälkeen liike-energia häviää asteittain, minkä jälkeen ajoneuvo pysähtyy. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tässä tapauksessa vapautuu tietty määrä lämpöä, joten hankauskappaleet kuumenevat, mikä lisää niiden sisäistä energiaa. Kitkan tai liikkeen vastustuksen tapauksessa havaitaan mekaanisen energian siirtyminen sisäiseen arvoon, mikä osoittaa lain oikeellisuuden.
Sen moderni muotoilu näyttää tältä: Eristetyn järjestelmän energia ei katoa mihinkään, ei ilmesty tyhjästä. Kaikissa järjestelmässä esiintyvissä ilmiöissä tapahtuu yhden energiatyypin siirtymä toiseen, siirtyminen kehosta toiseen ilmanmäärällinen muutos.”
Tämän lain löytämisen jälkeen fyysikot eivät jätä ajatusta ikuisen liikkeen luomisesta, jossa suljetussa syklissä ei järjestelmän siirtämän lämmön määrässä tapahtuisi muutoksia. ympäröivään maailmaan verrattuna ulkopuolelta tulevaan lämpöön. Tällaisesta koneesta voisi tulla ehtymätön lämmönlähde, tapa ratkaista ihmiskunnan energiaongelma.
