Energijos tvermės ir transformacijos dėsnis yra vienas iš svarbiausių fizikos postulatų. Apsvarstykite jo atsiradimo istoriją, taip pat pagrindines taikymo sritis.
Istorijos puslapiai
Pirmiausia išsiaiškinkime, kas atrado energijos tvermės ir transformacijos dėsnį. 1841 metais anglų fizikas Džaulis ir rusų mokslininkas Lencas lygiagrečiai atliko eksperimentus, dėl kurių mokslininkams pavyko praktiškai išsiaiškinti ryšį tarp mechaninio darbo ir šilumos.
Daugybė fizikų įvairiose mūsų planetos vietose atliktų tyrimų lėmė energijos tvermės ir transformacijos dėsnio atradimą. Devynioliktojo amžiaus viduryje vokiečių mokslininkas Mayeris pateikė savo formuluotę. Mokslininkas bandė apibendrinti visą tuo metu egzistavusią informaciją apie elektrą, mechaninį judėjimą, magnetizmą, žmogaus fiziologiją.
Maždaug tuo pačiu laikotarpiu panašias mintis išsakė Danijos, Anglijos, Vokietijos mokslininkai.
Eksperimentai sušiluma
Nepaisant idėjų apie šilumą įvairovės, išsamus jo vaizdas buvo pateiktas tik rusų mokslininkui Michailui Vasiljevičiui Lomonosovui. Amžininkai nepritarė jo idėjoms, tikėjo, kad šiluma nesusijusi su mažiausių dalelių, sudarančių materiją, judėjimu.
Lomonosovo pasiūlytas mechaninės energijos tvermės ir transformacijos įstatymas buvo patvirtintas tik po to, kai Rumfoordas eksperimentų metu sugebėjo įrodyti dalelių judėjimą materijoje.
Siekdamas gauti šilumos, fizikas Deivis bandė ištirpdyti ledą trindamas du ledo gabalus vienas į kitą. Jis iškėlė hipotezę, pagal kurią šiluma buvo laikoma svyruojančiu medžiagos dalelių judėjimu.
Mayerio energijos tvermės ir transformacijos dėsnis prisiėmė jėgų, sukeliančių šilumos atsiradimą, nekintamumą. Šią idėją kritikavo ir kiti mokslininkai, primindami, kad jėga yra susijusi su greičiu ir mase, todėl jos reikšmė negali likti nepakitusi.
Devynioliktojo amžiaus pabaigoje Mayeris savo idėjas apibendrino brošiūroje ir bandė išspręsti tikrąją šilumos problemą. Kaip tuo metu buvo naudojamas energijos tvermės ir transformacijos dėsnis? Mechanikoje nebuvo sutarimo, kaip gauti, transformuoti energiją, todėl šis klausimas liko atviras iki XIX amžiaus pabaigos.
Įstatymo bruožas
Energijos tvermės ir transformacijos dėsnis yra vienas iš pagrindinių, leidžiančiųtam tikros sąlygos fiziniams dydžiams matuoti. Jis vadinamas pirmuoju termodinamikos dėsniu, kurio pagrindinis tikslas yra šios vertės išsaugojimas izoliuotoje sistemoje.
Energijos tvermės ir transformacijos dėsnis nustato šilumos kiekio priklausomybę nuo įvairių veiksnių. Mayer, Helmholtz, Joule atliktų eksperimentinių tyrimų metu buvo išskirtos įvairios energijos rūšys: potencialinė, kinetinė. Šių rūšių derinys buvo vadinamas mechaniniu, cheminiu, elektriniu, terminiu.
Energijos tvermės ir transformacijos dėsnio formuluotė buvo tokia: "Kinetinės energijos pokytis yra lygus potencialios energijos pokyčiui."
Mayer padarė išvadą, kad visos šio kiekio veislės gali virsti viena į kitą, jei bendras šilumos kiekis nesikeičia.
Matematinė išraiška
Pavyzdžiui, kaip kiekybinė įstatymo išraiška, chemijos pramonė yra energijos balansas.
Energijos tvermės ir transformacijos dėsnis nustato ryšį tarp šiluminės energijos kiekio, kuris patenka į įvairių medžiagų sąveikos zoną, ir kiekio, kuris palieka šią zoną.
Perėjimas nuo vienos energijos rūšies prie kitos nereiškia, kad ji išnyksta. Ne, stebimas tik jos virsmas kitu pavidalu.
Tuo pat metu egzistuoja santykis: darbas – energija. Energijos tvermės ir transformacijos dėsnis prisiima šio kiekio pastovumą (jo bendrąkiekis) bet kokiems procesams, vykstantiems izoliuotoje sistemoje. Tai rodo, kad perėjimo iš vienos rūšies į kitą procese stebimas kiekybinis lygiavertiškumas. Siekiant kiekybiškai apibūdinti įvairius judėjimo tipus, fizikoje buvo pradėta naudoti branduolinė, cheminė, elektromagnetinė, šiluminė energija.
Šiuolaikinė formuluotė
Kaip šiandien skaitomas energijos tvermės ir transformacijos įstatymas? Klasikinė fizika siūlo matematinį šio postulato žymėjimą apibendrintos būsenos lygties forma termodinaminei uždarai sistemai:
W=Wk + Wp + U
Ši lygtis rodo, kad visa uždaros sistemos mechaninė energija apibrėžiama kaip kinetinės, potencialinės, vidinės energijos suma.
Energijos tvermės ir virsmo dėsnis, kurio formulė buvo pateikta aukščiau, paaiškina šio fizikinio dydžio nekintamumą uždaroje sistemoje.
Pagrindinis matematinio žymėjimo trūkumas yra jo tinkamumas tik uždarai termodinaminei sistemai.
Atviros sistemos
Jei atsižvelgsime į prieaugio principą, visiškai įmanoma išplėsti energijos tvermės dėsnį ir neuždaroms fizinėms sistemoms. Pagal šį principą matematines lygtis, susijusias su sistemos būsenos aprašymu, rekomenduojama rašyti ne absoliučiais dydžiais, o jų skaitiniais žingsniais.
Kad būtų visiškai atsižvelgta į visas energijos formas, buvo pasiūlyta pridėti prie klasikinės idealios sistemos lygtiesenergijos prieaugių suma, kurią sukelia analizuojamos sistemos būklės pokyčiai, veikiant įvairioms lauko formoms.
Apibendrintame variante būsenos lygtis yra tokia:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ši lygtis laikoma išsamiausia šiuolaikinėje fizikoje. Būtent jis tapo energijos tvermės ir transformacijos dėsnio pagrindu.
Reikšmė
Moksle šio dėsnio išimčių nėra, jis valdo visus gamtos reiškinius. Remiantis šiuo postulatu, galima iškelti hipotezes apie įvairius variklius, įskaitant amžinojo mechanizmo kūrimo realybės paneigimą. Jis gali būti naudojamas visais atvejais, kai reikia paaiškinti vienos energijos rūšies perėjimus į kitą.
Mechaniniai pritaikymai
Kaip šiuo metu skaitomas energijos tvermės ir transformacijos dėsnis? Jo esmė slypi vieno šio kiekio tipo perėjimu prie kito, tačiau tuo pačiu jo bendra vertė išlieka nepakitusi. Tos sistemos, kuriose atliekami mechaniniai procesai, vadinamos konservatyviomis. Tokios sistemos yra idealizuotos, tai yra, jose neatsižvelgiama į trinties jėgas, kitus pasipriešinimo tipus, kurie sukelia mechaninės energijos išsklaidymą.
Konservatyvioje sistemoje vyksta tik abipusiai potencialios energijos perėjimai į kinetinę energiją.
Jėgų, veikiančių kūną tokioje sistemoje, darbas nesusijęs su kelio forma. Jo vertėpriklauso nuo galutinės ir pradinės kūno padėties. Tokio pobūdžio jėgų pavyzdžiu fizikoje apsvarstykite gravitacijos jėgą. Konservatyvioje sistemoje jėgos darbo vertė uždarame ruože lygi nuliui, o energijos tvermės dėsnis galios tokia forma: „Konservatyvioje uždaroje sistemoje potencialios ir kinetinės energijos suma kūnų, sudarančių sistemą, dalis išlieka nepakitusi.“
Pavyzdžiui, kūno laisvo kritimo atveju potenciali energija pasikeičia į kinetinę formą, o bendra šių tipų vertė nesikeičia.
Pabaigoje
Mechaninis darbas gali būti laikomas vieninteliu būdu abipusiam mechaninio judėjimo perėjimui į kitas materijos formas.
Šis įstatymas buvo pritaikytas technologijose. Išjungus automobilio variklį, laipsniškai prarandama kinetinė energija, o paskui sustoja transporto priemonė. Tyrimai parodė, kad tokiu atveju išsiskiria tam tikras šilumos kiekis, todėl besitrinantys kūnai įkaista, padidindami jų vidinę energiją. Trinties ar bet kokio pasipriešinimo judėjimui atveju stebimas mechaninės energijos perėjimas į vidinę vertę, o tai rodo dėsnio teisingumą.
Šiuolaikinė formuluotė atrodo taip: „Izoliuotos sistemos energija nedingsta į niekur, neatsiranda iš niekur. Bet kuriame sistemoje egzistuojančiame reiškinyje vyksta vienos rūšies energijos perėjimas į kitą, perėjimas iš vieno kūno į kitą, bekiekybinis pokytis.“
Atradę šį dėsnį, fizikai nepalieka idėjos sukurti amžinąjį variklį, kuriame uždarame cikle nesikeistų sistemos perduodamos šilumos kiekis. supantį pasaulį, palyginti su iš išorės gaunama šiluma. Tokia mašina galėtų tapti neišsenkančiu šilumos š altiniu, būdu išspręsti žmonijos energijos problemą.
