Legea conservării și transformării energiei. Formularea și definirea legii conservării și transformării energiei

Legea conservării și transformării energiei este unul dintre cele mai importante postulate ale fizicii. Luați în considerare istoricul apariției sale, precum și principalele domenii de aplicare.

Pagini ale istoriei

În primul rând, să aflăm cine a descoperit legea conservării și transformării energiei. În 1841, fizicianul englez Joule și omul de știință rus Lenz, în paralel, au efectuat experimente, în urma căreia oamenii de știință au reușit să clarifice relația dintre munca mecanică și căldura.

Numeroase studii efectuate de fizicieni în diferite colțuri ale planetei noastre au determinat descoperirea legii conservării și transformării energiei. La mijlocul secolului al XIX-lea, savantul german Mayer a primit formula sa. Omul de știință a încercat să generalizeze toate informațiile despre electricitate, mișcare mecanică, magnetism, fiziologia umană care exista în acel moment.

Aproximativ în aceeași perioadă, idei similare au fost exprimate de oamenii de știință din Danemarca, Anglia, Germania.

Experimente cu căldură

În ciuda varietății de idei privind căldura, o imagine completă a acesteia a fost dată numai oamenilor de știință ruși Mikhail Vasilievich Lomonosov. Contemporanii nu și-au susținut ideea, crezând că căldura nu este asociată cu mișcarea celor mai mici particule care alcătuiesc substanța.

Legea conservării și transformării energiei mecanice, propusă de Lomonosov, a fost susținută numai după ce Rumford a reușit să demonstreze prezența mișcării particulelor în interiorul substanței în timpul experimentelor.

Pentru a obține căldură, fizicianul Davy a încercat să topească gheața, frecandu-și două bucăți de gheață unul împotriva celuilalt. El a prezentat o ipoteză potrivit căreia căldura a fost considerată ca o mișcare oscilantă a particulelor de materie.

Legea conservării și transformării energiei conform lui Mayer a presupus invarianța forțelor care provoacă apariția căldurii. O astfel de idee a fost criticată de alți oameni de știință, care au reamintit că forța este legată de viteză și masă, de aceea valoarea sa nu poate rămâne neschimbată.

La sfârșitul secolului al XIX-lea, Mayer și-a rezumat ideile într-o broșură și a încercat să rezolve problema reală a căldurii. Cum a fost folosită în acea vreme legea conservării și transformării energiei? În mecanica, nu a existat un consens cu privire la modul de a primi, de conversie a energiei, astfel încât până la sfârșitul secolului al XlX-lea, problema a rămas deschisă.

Elementul legii

Legea conservării și transformării energiei este una dintre cele fundamentale, permițând, în anumite condiții, măsurarea cantităților fizice. Se numește prima lege a termodinamicii, al cărei principal obiectiv este conservarea acestei cantități în condițiile unui sistem izolat.

Legea conservării și transformării energiei stabilește dependența cantității de căldură de diferiți factori. În cursul studiilor experimentale efectuate de Mayer, Helmholtz, Joule, s-au identificat diferite tipuri de energie: potențial, cinetic. Totalitatea acestor specii se numește mecanică, chimică, electrică, termică.

Legea conservării și transformarea energiei a avut următoarea formulă: "Schimbarea energiei cinetice este egală cu schimbarea energiei potențiale".

Mayer a ajuns la concluzia că toate soiurile din această valoare pot fi transformați unul in altul, în cazul rămâne aceeași cantitate totală de căldură.

Expresia matematică

De exemplu, ca expresie cantitativă a legii, industria chimică balanța energetică.

Legea conservării și transformării energiei stabilește o relație între cantitatea de energie termică care intră în zona de interacțiune a diferitelor substanțe, cu cantitatea pe care o părăsește zona dată.

Trecerea unui tip de energie în alta nu înseamnă că dispare. Nu, se observă numai transformarea sa într-o altă formă.

În același timp, există o corelație: energia de lucru. Legea conservării și transformării energiei implică constanța acestei cantități (cantitatea totală) pentru orice proces care apare în sistem izolat. Acest lucru indică faptul că, în procesul de tranziție a unui tip la altul, se observă o echivalență cantitativă. Pentru a oferi o descriere cantitativă a diferitelor tipuri de mișcări, energia termică nucleară, chimică, electromagnetică, termică a fost introdusă în fizică.

Formularea modernă

Cum este legea conservării și transformării energiei în zilele noastre? Fizica clasică oferă o notație matematică a acestui postulat sub forma unei ecuații generalizate de stare pentru un sistem închis termodinamic:

W = Wk + Wp + U

Această ecuație arată că energia mecanică totală a unui sistem închis este definită ca suma energiilor cinetice, potențiale, interne.

Legea conservării și transformării energiei, formula a cărei formulă a fost prezentată mai sus, explică imutabilitatea acestei cantități fizice într-un sistem închis.

Principalul dezavantaj al notatiei matematice este relevanta numai pentru un sistem termodinamic inchis.

Sisteme neconfigurate

Dacă se ia în considerare principiul incrementării, este foarte posibil să se extindă legea conservării energiei la sistemele fizice neînchise. Acest principiu vă recomandă să notați ecuațiile matematice asociate cu descrierea stării sistemului, nu în termeni absoluți, ci în creșteri numerice.

Pentru a ține cont pe deplin de toate formele de energie, sa propus adăugarea la ecuația clasică a unui sistem ideal a sumelor incrementărilor energiilor care sunt cauzate de schimbările în starea sistemului analizat sub influența diferitelor forme de câmp.

În versiunea generalizată, ecuația de stat are următoarea formă:

dW = Sigma-i Ui dqi + Sigma-j Uj dqj

Această ecuație este considerată cea mai completă în fizica modernă. Asta a devenit temelia legii conservării și transformării energiei.

valoare

În știință nu există excepții de la această lege, ea controlează toate fenomenele naturale. Pe baza acestui postulat, se pot formula ipoteze despre diferite motoare, inclusiv despre refuzul realității dezvoltării mecanismului etern. Acesta poate fi folosit în toate cazurile când este necesar să se explice tranzițiile unui tip de energie la altul.

Aplicarea în mecanică

Cum se poate citi în prezent legea conservării și transformării energiei? Esența ei constă în trecerea unui fel de această cantitate în alta, dar valoarea sa generală rămâne neschimbată. Acele sisteme în care se efectuează procese mecanice sunt numite conservatoare. Astfel de sisteme sunt idealizate, adică nu iau în considerare forțele de frecare, alte tipuri de rezistențe care determină dispersia energiei mecanice.

Într-un sistem conservator se înregistrează numai tranziții reciproce ale energiei potențiale la cinetică.

Forțele de lucru care acționează într-un sistem similar cu corpul, nu este asociat cu forma traseului. Amploarea sa depinde de poziția finală și inițială a corpului. Ca un exemplu de forțe de acest fel în fizică, gravitatea este luată în considerare. Într-un sistem conservativ valoarea forței de muncă pe o suprafață închisă este zero, iar legea de conservare a energiei este valabilă în felul următor: „Într-un sistem închis, o cantitate conservatoare de energie potențială și cinetică a organismelor care alcătuiesc sistemul rămâne neschimbat“

De exemplu, în caz de cădere liberă a tranziției de energie potențială în formă cinetică, în care valoarea totală a acestor specii nu este schimbat.

În concluzie

Muncile mecanice pot fi considerate ca singura modalitate de trecere reciprocă a mișcării mecanice în alte forme de materie.

Această lege a găsit aplicații în inginerie. După oprirea motorului mașinii, există o pierdere treptată a energiei cinetice, oprirea ulterioară a vehiculului. Studiile au arătat că, în acest caz, se eliberează o anumită cantitate de căldură, astfel că corpurile de frecare se încălzesc, crescând energia internă. În cazul unei frecare sau a oricărei rezistențe la mișcare, energia mecanică se modifică la o valoare internă, ceea ce indică corectitudinea legii.

Formula sa modernă are forma: "Energia unui sistem izolat nu dispare nicăieri, nu apare din nicăieri. În orice fenomen care există în cadrul sistemului, există o tranziție a unui tip de energie în altul, transmiterea de la un organism la altul, fără o schimbare cantitativă ".

După deschiderea acestei legi a fizicii nu lasă nici o idee despre o mașină de mișcare perpetuă, în care cel puțin un ciclu închis nici o schimbare în cantitatea de căldură transmisă în afara sistemului mondial, în comparație pentru a primi caldura din exterior. O astfel de mașină ar putea deveni o sursă de căldură inepuizabilă, o modalitate de a rezolva problema energetică a omenirii.