La llei de conservació i transformació de l'energia és un dels postulats més importants de la física. Tingueu en compte l'historial de la seva aparició, així com les principals àrees d'aplicació.
Pàgines d'història
Primer, anem a esbrinar qui va descobrir la llei de conservació i transformació de l'energia. El 1841, el físic anglès Joule i el científic rus Lenz van realitzar experiments en paral·lel, com a resultat dels quals els científics van aconseguir esbrinar a la pràctica la connexió entre el treball mecànic i la calor.
Nombrosos estudis realitzats per físics a diferents parts del nostre planeta van predeterminar el descobriment de la llei de conservació i transformació de l'energia. A mitjans del segle XIX, el científic alemany Mayer va donar la seva formulació. El científic va intentar resumir tota la informació sobre l'electricitat, el moviment mecànic, el magnetisme, la fisiologia humana que existia en aquell moment.
Al voltant del mateix període, científics de Dinamarca, Anglaterra i Alemanya van expressar pensaments similars.
Experiments ambcalor
Malgrat la varietat d'idees sobre la calor, només se'n va donar una imatge completa al científic rus Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Els contemporanis no donaven suport a les seves idees, creien que la calor no estava associada amb el moviment de les partícules més petites que formen la matèria.
La llei de conservació i transformació de l'energia mecànica, proposada per Lomonosov, només es va recolzar després que Rumfoord aconseguís demostrar la presència de moviment de partícules dins de la matèria en el curs dels experiments.
Per obtenir calor, el físic Davy va intentar fondre el gel fregant dos trossos de gel l'un contra l' altre. Va proposar una hipòtesi segons la qual la calor es considerava un moviment oscil·latori de partícules de matèria.
La llei de conservació i transformació de l'energia de Mayer va suposar la immutabilitat de les forces que provoquen l'aparició de la calor. Aquesta idea va ser criticada per altres científics, que van recordar que la força està relacionada amb la velocitat i la massa, per tant, el seu valor no podia mantenir-se sense canvis.
A finals del segle XIX, Mayer va resumir les seves idees en un pamflet i va intentar resoldre el problema real de la calor. Com s'utilitzava la llei de conservació i transformació de l'energia en aquella època? En mecànica, no hi havia consens sobre com obtenir, transformar l'energia, així que aquesta qüestió va romandre oberta fins a finals del segle XIX.
Característica de la llei
La llei de conservació i transformació de l'energia és una de les fonamentals, permetentdeterminades condicions per mesurar magnituds físiques. S'anomena primera llei de la termodinàmica, l'objecte principal de la qual és la conservació d'aquest valor en un sistema aïllat.
La llei de conservació i transformació de l'energia estableix la dependència de la quantitat de calor de diversos factors. En el decurs d'estudis experimentals realitzats per Mayer, Helmholtz, Joule, es van distingir diversos tipus d'energia: potencial, cinètica. La combinació d'aquestes espècies s'anomenava mecànica, química, elèctrica, tèrmica.
La llei de conservació i transformació de l'energia tenia la formulació següent: "El canvi d'energia cinètica és igual al canvi d'energia potencial."
Mayer va arribar a la conclusió que totes les varietats d'aquesta quantitat són capaces de transformar-se entre si si la quantitat total de calor no canvia.
Expressió matemàtica
Per exemple, com a expressió quantitativa de la llei, la indústria química és el balanç energètic.
La llei de conservació i transformació de l'energia estableix una relació entre la quantitat d'energia tèrmica que entra a la zona d'interacció de diverses substàncies, amb la quantitat que surt d'aquesta zona.
La transició d'un tipus d'energia a un altre no vol dir que desaparegui. No, només s'observa la seva transformació en una altra forma.
Al mateix temps, hi ha una relació: treball - energia. La llei de conservació i transformació de l'energia assumeix la constància d'aquesta magnitud (el seu totalquantitat) per a qualsevol procés que es produeixi en un sistema aïllat. Això indica que en el procés de transició d'una espècie a una altra s'observa equivalència quantitativa. Per tal de donar una descripció quantitativa dels diferents tipus de moviment, es va introduir a la física l'energia nuclear, química, electromagnètica i tèrmica.
Escriptura moderna
Com es llegeix avui la llei de conservació i transformació de l'energia? La física clàssica ofereix una notació matemàtica d'aquest postulat en forma d'equació d'estat generalitzada per a un sistema tancat termodinàmic:
W=Setmana + Wp + U
Aquesta equació mostra que l'energia mecànica total d'un sistema tancat es defineix com la suma d'energies cinètiques, potencials i internes.
La llei de conservació i transformació de l'energia, la fórmula de la qual es va presentar més amunt, explica la invariància d'aquesta magnitud física en un sistema tancat.
El principal desavantatge de la notació matemàtica és la seva rellevància només per a un sistema termodinàmic tancat.
Sistemes oberts
Si tenim en compte el principi dels increments, és molt possible estendre la llei de conservació de l'energia a sistemes físics no tancats. Aquest principi recomana escriure equacions matemàtiques relacionades amb la descripció de l'estat del sistema, no en termes absoluts, sinó en els seus increments numèrics.
Per tenir en compte plenament totes les formes d'energia, es va proposar afegir a l'equació clàssica d'un sistema idealla suma dels increments d'energia que són causats pels canvis en l'estat del sistema analitzat sota la influència de diverses formes del camp.
A la versió generalitzada, l'equació d'estat és la següent:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Aquesta equació es considera la més completa de la física moderna. Va ser el que es va convertir en la base de la llei de conservació i transformació de l'energia.
Significat
En ciència no hi ha excepcions a aquesta llei, regeix tots els fenòmens naturals. És sobre la base d'aquest postulat que es poden plantejar hipòtesis sobre diversos motors, inclosa la refutació de la realitat del desenvolupament d'un mecanisme perpetu. Es pot utilitzar en tots els casos en què calgui explicar les transicions d'un tipus d'energia a un altre.
Aplicacions mecàniques
Com es llegeix la llei de conservació i transformació de l'energia en el moment actual? La seva essència rau en la transició d'un tipus d'aquesta quantitat a un altre, però al mateix temps el seu valor global es manté in alterat. Aquells sistemes en els quals es duen a terme processos mecànics s'anomenen conservadors. Aquests sistemes estan idealitzats, és a dir, no tenen en compte les forces de fricció, altres tipus de resistència que provoquen la dissipació d'energia mecànica.
En un sistema conservador, només es produeixen transicions mútues d'energia potencial a energia cinètica.
El treball de les forces que actuen sobre un cos en aquest sistema no està relacionat amb la forma del camí. El seu valordepèn de la posició final i inicial del cos. Com a exemple de forces d'aquest tipus en física considerem la força de la gravetat. En un sistema conservador, el valor del treball d'una força en una secció tancada és zero, i la llei de conservació de l'energia serà vàlida de la forma següent: “En un sistema tancat conservador, la suma de l'energia potencial i cinètica. dels cossos que conformen el sistema es manté sense canvis."
Per exemple, en el cas d'una caiguda lliure d'un cos, l'energia potencial canvia a una forma cinètica, mentre que el valor total d'aquests tipus no canvia.
En conclusió
El treball mecànic es pot considerar com l'única manera de transició mútua del moviment mecànic a altres formes de matèria.
Aquesta llei ha trobat aplicació a la tecnologia. Després d'apagar el motor del cotxe, hi ha una pèrdua gradual d'energia cinètica, seguida d'una aturada del vehicle. Els estudis han demostrat que, en aquest cas, s'allibera una certa quantitat de calor, per tant, els cossos de fregament s'escalfen, augmentant la seva energia interna. En el cas de fricció o qualsevol resistència al moviment, s'observa una transició de l'energia mecànica a un valor intern, que indica la correcció de la llei.
La seva formulació moderna sembla: “L'energia d'un sistema aïllat no desapareix en el no-res, no apareix del no-res. En qualsevol fenomen que existeixi dins del sistema, hi ha una transició d'un tipus d'energia a un altre, transferència d'un cos a un altre, sensecanvi quantitatiu."
Després del descobriment d'aquesta llei, els físics no abandonen la idea de crear una màquina de moviment perpetu, en la qual, en un cicle tancat, no hi hauria cap canvi en la quantitat de calor transferida pel sistema a el món circumdant, en comparació amb la calor rebuda de l'exterior. Aquesta màquina podria convertir-se en una font inesgotable de calor, una manera de resoldre el problema energètic de la humanitat.
