Die wet van behoud en die transformasie van energie is een van die belangrikste postulate van fisika. Oorweeg die geskiedenis van sy voorkoms, sowel as die hoofareas van toepassing.
Geskiedenisbladsye
Eers, kom ons vind uit wie die wet van behoud en transformasie van energie ontdek het. In 1841 het die Engelse fisikus Joule en die Russiese wetenskaplike Lenz eksperimente parallel uitgevoer, waardeur die wetenskaplikes daarin geslaag het om in die praktyk die verband tussen meganiese werk en hitte uit te vind.
Talle studies wat deur fisici in verskillende dele van ons planeet uitgevoer is, het die ontdekking van die wet van behoud en transformasie van energie vooraf bepaal. In die middel van die negentiende eeu het die Duitse wetenskaplike Mayer sy formulering gegee. Die wetenskaplike het probeer om al die inligting oor elektrisiteit, meganiese beweging, magnetisme, menslike fisiologie wat op daardie tydstip bestaan het, op te som.
Ongeveer dieselfde tydperk is soortgelyke gedagtes deur wetenskaplikes in Denemarke, Engeland, Duitsland uitgespreek.
Eksperimenteer metwarmte
Ondanks die verskeidenheid idees oor hitte, is 'n volledige prentjie daarvan slegs aan die Russiese wetenskaplike Mikhail Vasilyevich Lomonosov gegee. Tydgenote het nie sy idees ondersteun nie, hulle het geglo dat hitte nie geassosieer word met die beweging van die kleinste deeltjies waaruit materie bestaan nie.
Die wet van bewaring en transformasie van meganiese energie, voorgestel deur Lomonosov, is eers ondersteun nadat Rumfoord daarin geslaag het om die teenwoordigheid van beweging van deeltjies in materie in die loop van eksperimente te bewys.
Om hitte te verkry, het die fisikus Davy probeer om ys te smelt deur twee stukke ys teen mekaar te vryf. Hy het 'n hipotese voorgehou waarvolgens hitte beskou is as 'n ossillerende beweging van deeltjies van materie.
Mayer se wet van behoud en transformasie van energie het die onveranderlikheid van die kragte wat die voorkoms van hitte veroorsaak, aanvaar. Hierdie idee is gekritiseer deur ander wetenskaplikes, wat daaraan herinner het dat krag verband hou met spoed en massa, daarom kan die waarde daarvan nie onveranderd bly nie.
Aan die einde van die negentiende eeu het Mayer sy idees in 'n pamflet opgesom en probeer om die werklike probleem van hitte op te los. Hoe is die wet van behoud en transformasie van energie destyds gebruik? In meganika was daar geen konsensus oor hoe om energie te verkry, te transformeer nie, so hierdie vraag het oop gebly tot die einde van die negentiende eeu.
Kenmerk van die wet
Die wet van bewaring en die transformasie van energie is een van die fundamentele wette wat toelaatsekere voorwaardes om fisiese hoeveelhede te meet. Dit word die eerste wet van termodinamika genoem, waarvan die hoofdoel die behoud van hierdie waarde in 'n geïsoleerde sisteem is.
Die wet van behoud en transformasie van energie bepaal die afhanklikheid van die hoeveelheid hitte van verskeie faktore. In die loop van eksperimentele studies wat deur Mayer, Helmholtz, Joule uitgevoer is, is verskeie tipes energie onderskei: potensiaal, kineties. Die kombinasie van hierdie spesies is meganies, chemies, elektries, termies genoem.
Die wet van behoud en transformasie van energie het die volgende formulering gehad: "Die verandering in kinetiese energie is gelyk aan die verandering in potensiële energie."
Mayer het tot die gevolgtrekking gekom dat alle variëteite van hierdie hoeveelheid in staat is om in mekaar te transformeer as die totale hoeveelheid hitte onveranderd bly.
Wiskundige uitdrukking
Byvoorbeeld, as 'n kwantitatiewe uitdrukking van die wet, is die chemiese industrie die energiebalans.
Die wet van behoud en transformasie van energie vestig 'n verband tussen die hoeveelheid termiese energie wat die sone van interaksie van verskeie stowwe binnegaan, met die hoeveelheid wat hierdie sone verlaat.
Die oorgang van een tipe energie na 'n ander beteken nie dat dit verdwyn nie. Nee, net haar transformasie in 'n ander vorm word waargeneem.
Terselfdertyd is daar 'n verhouding: werk - energie. Die wet van behoud en transformasie van energie veronderstel die konstantheid van hierdie hoeveelheid (sy totaalhoeveelheid) vir enige prosesse wat in 'n geïsoleerde sisteem plaasvind. Dit dui daarop dat in die proses van oorgang van een spesie na 'n ander, kwantitatiewe ekwivalensie waargeneem word. Ten einde 'n kwantitatiewe beskrywing van verskillende tipes beweging te gee, is kern, chemiese, elektromagnetiese, termiese energie in fisika bekendgestel.
Moderne bewoording
Hoe word die wet van bewaring en transformasie van energie vandag gelees? Klassieke fisika bied 'n wiskundige notasie van hierdie postulaat in die vorm van 'n algemene toestandsvergelyking vir 'n termodinamiese geslote sisteem:
W=Wk + Wp + U
Hierdie vergelyking wys dat die totale meganiese energie van 'n geslote sisteem gedefinieer word as die som van kinetiese, potensiële, interne energieë.
Die wet van behoud en transformasie van energie, waarvan die formule hierbo aangebied is, verduidelik die invariansie van hierdie fisiese grootheid in 'n geslote sisteem.
Die grootste nadeel van wiskundige notasie is die relevansie daarvan slegs vir 'n geslote termodinamiese stelsel.
Oop stelsels
As ons die beginsel van inkremente in ag neem, is dit heel moontlik om die wet van behoud van energie uit te brei na nie-geslote fisiese sisteme. Hierdie beginsel beveel aan om wiskundige vergelykings te skryf wat verband hou met die beskrywing van die toestand van die stelsel, nie in absolute terme nie, maar in hul numeriese inkremente.
Om alle vorme van energie ten volle in ag te neem, is voorgestel om by die klassieke vergelyking van 'n ideale stelsel te voegdie som van energie-inkremente wat veroorsaak word deur veranderinge in die toestand van die geanaliseerde sisteem onder die invloed van verskeie vorme van die veld.
In die algemene weergawe is die toestandsvergelyking soos volg:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Hierdie vergelyking word as die mees volledige in moderne fisika beskou. Dit was dit wat die basis geword het van die wet van behoud en transformasie van energie.
Betekenis
In die wetenskap is daar geen uitsonderings op hierdie wet nie, dit beheer alle natuurverskynsels. Dit is op grond van hierdie postulaat dat 'n mens hipoteses oor verskeie enjins kan stel, insluitend weerlegging van die realiteit van die ontwikkeling van 'n ewigdurende meganisme. Dit kan gebruik word in alle gevalle waar dit nodig is om die oorgange van een tipe energie na 'n ander te verduidelik.
Meganiese toepassings
Hoe word die wet van behoud en transformasie van energie tans gelees? Die essensie daarvan lê in die oorgang van een tipe van hierdie hoeveelheid na 'n ander, maar terselfdertyd bly die algehele waarde daarvan onveranderd. Daardie stelsels waarin meganiese prosesse uitgevoer word, word konserwatief genoem. Sulke stelsels is geïdealiseer, dit wil sê hulle neem nie wrywingskragte, ander tipes weerstand in ag wat die verspreiding van meganiese energie veroorsaak nie.
In 'n konserwatiewe stelsel vind slegs wedersydse oorgange van potensiële energie na kinetiese energie plaas.
Die werk van kragte wat op 'n liggaam in so 'n stelsel inwerk, hou nie verband met die vorm van die pad nie. Die waarde daarvanhang af van die finale en aanvanklike posisie van die liggaam. Beskou die swaartekrag as 'n voorbeeld van hierdie soort kragte in fisika. In 'n konserwatiewe sisteem is die waarde van die werk van 'n krag in 'n geslote gedeelte nul, en die wet van behoud van energie sal in die volgende vorm geldig wees: In 'n konserwatiewe geslote sisteem, die som van die potensiële en kinetiese energie van die liggame waaruit die stelsel bestaan, bly onveranderd.”
Byvoorbeeld, in die geval van 'n vrye val van 'n liggaam, verander potensiële energie in 'n kinetiese vorm, terwyl die totale waarde van hierdie tipes nie verander nie.
Ten slot
Meganiese werk kan beskou word as die enigste manier van wedersydse oorgang van meganiese beweging na ander vorme van materie.
Hierdie wet het toepassing gevind in tegnologie. Nadat die motorenjin afgeskakel is, is daar 'n geleidelike verlies aan kinetiese energie, gevolg deur 'n stop van die voertuig. Studies het getoon dat in hierdie geval 'n sekere hoeveelheid hitte vrygestel word, daarom word die vryfliggame warm, wat hul interne energie verhoog. In die geval van wrywing of enige weerstand teen beweging, word 'n oorgang van meganiese energie na 'n interne waarde waargeneem, wat die korrektheid van die wet aandui.
Die moderne formulering daarvan lyk soos volg: “Die energie van 'n geïsoleerde sisteem verdwyn nie in nêrens nie, verskyn nie van nêrens nie. In enige verskynsel wat binne die sisteem bestaan, is daar 'n oorgang van een tipe energie na 'n ander, oordrag van een liggaam na 'n ander, sonderkwantitatiewe verandering.”
Na die ontdekking van hierdie wet verlaat fisici nie die idee om 'n ewigdurende bewegingsmasjien te skep nie, waarin daar in 'n geslote siklus geen verandering in die hoeveelheid hitte wat deur die stelsel oorgedra word na die omliggende wêreld, in vergelyking met die hitte wat van buite ontvang word. So 'n masjien kan 'n onuitputlike bron van hitte word, 'n manier om die energieprobleem van die mensdom op te los.
