Enerģijas nezūdamības un transformācijas likums ir viens no svarīgākajiem fizikas postulātiem. Apsveriet tā parādīšanās vēsturi, kā arī galvenās pielietošanas jomas.
Vēstures lapas
Vispirms noskaidrosim, kurš atklāja enerģijas nezūdamības un transformācijas likumu. 1841. gadā angļu fiziķis Džouls un krievu zinātnieks Lencs paralēli veica eksperimentus, kuru rezultātā zinātniekiem izdevās praksē noskaidrot mehāniskā darba saistību ar siltumu.
Daudzi pētījumi, ko dažādās mūsu planētas vietās veica fiziķi, noteica enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likuma atklāšanu. Deviņpadsmitā gadsimta vidū vācu zinātnieks Maijers sniedza savu formulējumu. Zinātnieks mēģināja apkopot visu tajā laikā pastāvošo informāciju par elektrību, mehānisko kustību, magnētismu, cilvēka fizioloģiju.
Ap to pašu laika posmu līdzīgas domas izteica Dānijas, Anglijas, Vācijas zinātnieki.
Eksperimentējiet arsiltums
Neskatoties uz daudzajām idejām par siltumu, pilnīgu priekšstatu par to sniedza tikai krievu zinātnieks Mihails Vasiļjevičs Lomonosovs. Laikabiedri neatbalstīja viņa idejas, viņi uzskatīja, ka siltums nav saistīts ar mazāko daļiņu kustību, kas veido matēriju.
Lomonosova ierosinātais mehāniskās enerģijas saglabāšanas un transformācijas likums tika atbalstīts tikai pēc tam, kad Rumfordam eksperimentu gaitā izdevās pierādīt daļiņu kustības esamību matērijā.
Lai iegūtu siltumu, fiziķis Deivijs mēģināja izkausēt ledu, berzējot divus ledus gabalus vienu pret otru. Viņš izvirzīja hipotēzi, saskaņā ar kuru siltums tika uzskatīts par vielas daļiņu svārstību kustību.
Maijera enerģijas saglabāšanas un pārveidošanas likums pieņēma to spēku nemainīgumu, kas izraisa siltuma parādīšanos. Šo ideju kritizēja citi zinātnieki, atgādinot, ka spēks ir saistīts ar ātrumu un masu, tāpēc tā vērtība nevar palikt nemainīga.
Deviņpadsmitā gadsimta beigās Majers apkopoja savas idejas brošūrā un mēģināja atrisināt aktuālo siltuma problēmu. Kā tajā laikā tika izmantots enerģijas nezūdamības un transformācijas likums? Mehānikā nebija vienprātības par to, kā iegūt, pārveidot enerģiju, tāpēc šis jautājums palika atklāts līdz deviņpadsmitā gadsimta beigām.
Likuma iezīme
Enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likums ir viens no pamatlikumiem, kas ļaujnoteikti nosacījumi fizisko lielumu mērīšanai. To sauc par pirmo termodinamikas likumu, kura galvenais mērķis ir šīs vērtības saglabāšana izolētā sistēmā.
Enerģijas nezūdamības un transformācijas likums nosaka siltuma daudzuma atkarību no dažādiem faktoriem. Meijera, Helmholca, Džoula eksperimentālo pētījumu gaitā tika izdalīti dažādi enerģijas veidi: potenciālā, kinētiskā. Šo sugu kombināciju sauca par mehānisko, ķīmisko, elektrisko, termisko.
Enerģijas nezūdamības un transformācijas likumam bija šāds formulējums: "Kinētiskās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar potenciālās enerģijas izmaiņām."
Maijers secināja, ka visas šī daudzuma šķirnes spēj pārveidoties viena par otru, ja kopējais siltuma daudzums paliek nemainīgs.
Matemātiskā izteiksme
Piemēram, kā likuma kvantitatīvā izteiksme ķīmiskā rūpniecība ir enerģijas bilance.
Enerģijas nezūdamības un transformācijas likums nosaka sakarību starp siltumenerģijas daudzumu, kas nonāk dažādu vielu mijiedarbības zonā, un daudzumu, kas atstāj šo zonu.
Pāreja no viena enerģijas veida uz citu nenozīmē, ka tā pazūd. Nē, tiek novērota tikai viņas pārtapšana citā formā.
Tajā pašā laikā pastāv attiecības: darbs - enerģija. Enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likums pieņem šī daudzuma (tā kopsummas) nemainīgumudaudzums) jebkuriem procesiem, kas notiek izolētā sistēmā. Tas norāda, ka pārejas procesā no vienas sugas uz otru tiek novērota kvantitatīvā ekvivalence. Lai sniegtu dažādu kustību veidu kvantitatīvu aprakstu, fizikā tika ieviesta kodolenerģija, ķīmiskā, elektromagnētiskā, siltumenerģija.
Mūsdienu formulējums
Kā mūsdienās tiek lasīts enerģijas nezūdamības un transformācijas likums? Klasiskā fizika piedāvā šī postulāta matemātisko apzīmējumu vispārināta stāvokļa vienādojuma veidā termodinamiskai slēgtai sistēmai:
W=Wk + Wp + U
Šis vienādojums parāda, ka slēgtas sistēmas kopējā mehāniskā enerģija ir definēta kā kinētiskās, potenciālās un iekšējās enerģijas summa.
Enerģijas nezūdamības un transformācijas likums, kura formula tika prezentēta iepriekš, izskaidro šī fiziskā lieluma nemainīgumu slēgtā sistēmā.
Matemātiskā pieraksta galvenais trūkums ir tā atbilstība tikai slēgtai termodinamiskai sistēmai.
Atvērtās sistēmas
Ja ņemam vērā pieauguma principu, ir pilnīgi iespējams attiecināt enerģijas nezūdamības likumu uz neslēgtām fiziskām sistēmām. Šis princips iesaka rakstīt matemātiskos vienādojumus, kas saistīti ar sistēmas stāvokļa aprakstu, nevis absolūtos skaitļos, bet gan to skaitliskā pieaugumā.
Lai pilnībā ņemtu vērā visus enerģijas veidus, tika ierosināts klasiskajam ideālas sistēmas vienādojumam pievienotenerģijas pieauguma summa, ko izraisa analizējamās sistēmas stāvokļa izmaiņas dažādu lauka formu ietekmē.
Vispārinātajā versijā stāvokļa vienādojums ir šāds:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Šis vienādojums tiek uzskatīts par vispilnīgāko mūsdienu fizikā. Tas kļuva par enerģijas nezūdamības un pārveidošanas likuma pamatu.
Nozīme
Zinātnē šim likumam nav izņēmumu, tas regulē visas dabas parādības. Pamatojoties uz šo postulātu, var izvirzīt hipotēzes par dažādiem dzinējiem, tostarp atspēkot mūžīgā mehānisma attīstības realitāti. To var izmantot visos gadījumos, kad nepieciešams izskaidrot viena enerģijas veida pārejas uz citu.
Mehāniskie pielietojumi
Kā mūsdienās tiek lasīts enerģijas nezūdamības un transformācijas likums? Tās būtība ir viena šī daudzuma veida pāreja uz citu, bet tajā pašā laikā tā kopējā vērtība paliek nemainīga. Tās sistēmas, kurās tiek veikti mehāniskie procesi, sauc par konservatīvām. Šādas sistēmas ir idealizētas, tas ir, tās neņem vērā berzes spēkus, citus pretestības veidus, kas izraisa mehāniskās enerģijas izkliedi.
Konservatīvā sistēmā notiek tikai savstarpējas potenciālās enerģijas pārejas kinētiskajā enerģijā.
Spēku darbs, kas iedarbojas uz ķermeni šādā sistēmā, nav saistīts ar ceļa formu. Tā vērtībaatkarīgs no ķermeņa galīgās un sākotnējās pozīcijas. Kā piemēru šāda veida spēkiem fizikā apsveriet gravitācijas spēku. Konservatīvā sistēmā spēka darba vērtība slēgtā griezumā ir nulle, un enerģijas nezūdamības likums būs spēkā šādā formā: “Konservatīvā slēgtā sistēmā potenciālās un kinētiskās enerģijas summa. ķermeņi, kas veido sistēmu, paliek nemainīgi.”
Piemēram, ķermeņa brīvā kritiena gadījumā potenciālā enerģija pāriet kinētiskā formā, savukārt šo tipu kopējā vērtība nemainās.
Nobeigumā
Mehānisko darbu var uzskatīt par vienīgo veidu mehāniskās kustības savstarpējai pārejai uz citām matērijas formām.
Šis likums ir atradis pielietojumu tehnoloģijā. Pēc automašīnas dzinēja izslēgšanas notiek pakāpeniska kinētiskās enerģijas zudums, kam seko transportlīdzekļa apstāšanās. Pētījumi liecina, ka šajā gadījumā izdalās noteikts siltuma daudzums, tāpēc berzes ķermeņi uzsilst, palielinot to iekšējo enerģiju. Berzes vai jebkādas kustības pretestības gadījumā tiek novērota mehāniskās enerģijas pāreja iekšējā vērtībā, kas norāda uz likuma pareizību.
Tā mūsdienu formulējums izskatās šādi: “Izolētas sistēmas enerģija nepazūd nekurienē, nerodas no nekurienes. Jebkurās parādībās, kas pastāv sistēmā, notiek viena enerģijas veida pāreja uz citu, pārnešana no viena ķermeņa uz otru, bezkvantitatīvās izmaiņas.”
Pēc šī likuma atklāšanas fiziķi neatstāj domu izveidot mūžīgo kustību mašīnu, kurā slēgtā ciklā nemainītos sistēmas pārnestā siltuma daudzums. apkārtējā pasaule, salīdzinot ar no ārpuses saņemto siltumu. Šāda iekārta varētu kļūt par neizsīkstošu siltuma avotu, veidu, kā atrisināt cilvēces enerģijas problēmu.
