Energia jäävuse ja muundamise seadus on üks füüsika tähtsamaid postulaate. Võtke arvesse selle välimuse ajalugu ja peamisi kasutusvaldkondi.
Ajaloolehed
Esm alt uurime välja, kes avastas energia jäävuse ja muundamise seaduse. 1841. aastal viisid inglise füüsik Joule ja vene teadlane Lenz paralleelselt läbi katseid, mille tulemusena õnnestus teadlastel praktikas välja selgitada seos mehaanilise töö ja kuumuse vahel.
Arvukad füüsikute poolt meie planeedi eri osades läbi viidud uuringud määrasid kindlaks energia jäävuse ja muundamise seaduse avastamise. 19. sajandi keskel esitas Saksa teadlane Mayer oma sõnastuse. Teadlane püüdis kokku võtta kogu tol ajal eksisteerinud teabe elektri, mehaanilise liikumise, magnetismi ja inimese füsioloogia kohta.
Umbes samal perioodil väljendasid sarnaseid mõtteid Taani, Inglismaa ja Saksamaa teadlased.
Katsetagesoojus
Hoolimata soojuse alaste ideede mitmekesisusest, sai täieliku pildi sellest ainult vene teadlane Mihhail Vassiljevitš Lomonosov. Kaasaegsed ei toetanud tema ideid, nad uskusid, et soojust ei seostata ainet moodustavate väikseimate osakeste liikumisega.
Lomonosovi pakutud mehaanilise energia jäävuse ja muundamise seadus leidis toetust alles pärast seda, kui Rumfoordil õnnestus katsete käigus tõestada osakeste liikumise olemasolu aine sees.
Soojuse saamiseks püüdis füüsik Davy jääd sulatada, hõõrudes kahte jäätükki üksteise vastu. Ta esitas hüpoteesi, mille kohaselt peetakse soojust aineosakeste võnkuvaks liikumiseks.
Mayeri energia jäävuse ja muundamise seadus eeldas soojuse ilmnemist põhjustavate jõudude muutumatust. Seda ideed kritiseerisid teised teadlased, kes tuletasid meelde, et jõud on seotud kiiruse ja massiga, mistõttu ei saa selle väärtus muutumatuks jääda.
Üheksateistkümnenda sajandi lõpus võttis Mayer oma ideed brošüüris kokku ja püüdis lahendada tegelikku kuumuse probleemi. Kuidas kasutati tol ajal energia jäävuse ja muundamise seadust? Mehaanikas ei jõutud üksmeelele, kuidas energiat saada ja muundada, seega jäi see küsimus lahtiseks kuni üheksateistkümnenda sajandi lõpuni.
Seaduse tunnus
Energia jäävuse ja muundamise seadus on üks põhiseadustest, mis võimaldabteatud tingimused füüsikaliste suuruste mõõtmiseks. Seda nimetatakse termodünaamika esimeseks seaduseks, mille põhieesmärk on selle väärtuse säilitamine isoleeritud süsteemis.
Energia jäävuse ja muundamise seadus kehtestab soojushulga sõltuvuse erinevatest teguritest. Mayeri, Helmholtzi, Joule'i eksperimentaalsete uuringute käigus eristati erinevaid energialiike: potentsiaalne, kineetiline. Nende liikide kombinatsiooni nimetati mehaaniliseks, keemiliseks, elektriliseks, termiliseks.
Energia jäävuse ja muundamise seaduse sõnastus oli järgmine: "Kineetilise energia muutus võrdub potentsiaalse energia muutumisega."
Mayer jõudis järeldusele, et kõik selle koguse sordid on võimelised üksteiseks muutuma, kui soojuse koguhulk jääb muutumatuks.
Matemaatiline avaldis
Näiteks seaduse kvantitatiivse väljendusena on keemiatööstus energiabilanss.
Energia jäävuse ja muundamise seadus loob seose soojusenergia hulga vahel, mis siseneb erinevate ainete vastastikmõju tsooni, ja soojusenergia koguse vahel, mis sellest tsoonist väljub.
Üleminek ühelt energiatüübilt teisele ei tähenda, et see kaoks. Ei, täheldatakse ainult tema muutumist teiseks vormiks.
Samas on suhe: töö – energia. Energia jäävuse ja muundamise seadus eeldab selle suuruse (selle kogusumma) püsivustkogus) mis tahes isoleeritud süsteemis toimuvate protsesside jaoks. See näitab, et ühelt liigilt teisele ülemineku protsessis täheldatakse kvantitatiivset samaväärsust. Erinevate liikumistüüpide kvantitatiivseks kirjeldamiseks võeti füüsikas kasutusele tuuma-, keemiline, elektromagnetiline, soojusenergia.
Moodne sõnastus
Kuidas loetakse tänapäeval energia jäävuse ja muundamise seadust? Klassikaline füüsika pakub selle postulaadi matemaatilist tähistust termodünaamilise suletud süsteemi üldistatud olekuvõrrandi kujul:
W=Wk + Wp + U
See võrrand näitab, et suletud süsteemi mehaaniline koguenergia on määratletud kineetilise, potentsiaalse ja siseenergia summana.
Energia jäävuse ja muundamise seadus, mille valem on esitatud eespool, selgitab selle füüsikalise suuruse muutumatust suletud süsteemis.
Matemaatilise tähistuse peamine puudus on selle asjakohasus ainult suletud termodünaamilise süsteemi jaoks.
Avatud süsteemid
Kui võtta arvesse juurdekasvu põhimõtet, siis on täiesti võimalik laiendada energia jäävuse seadust ka mittesuletud füüsilistele süsteemidele. See põhimõte soovitab kirjutada süsteemi oleku kirjeldamisega seotud matemaatilisi võrrandeid mitte absoluutarvudes, vaid nende arvuliste sammudena.
Et täielikult arvesse võtta kõiki energiavorme, tehti ettepanek lisada ideaalse süsteemi klassikalisele võrrandileenergia juurdekasvu summa, mis on põhjustatud analüüsitava süsteemi oleku muutustest välja erinevate vormide mõjul.
Üldistatud versioonis on olekuvõrrand järgmine:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Seda võrrandit peetakse kaasaegses füüsikas kõige täiuslikumaks. See sai energia jäävuse ja muundamise seaduse aluseks.
Tähendus
Teaduses pole sellest seadusest erandeid, see reguleerib kõiki loodusnähtusi. Just selle postulaadi alusel saab püstitada hüpoteese erinevate mootorite kohta, sealhulgas ümber lükata igavese mehhanismi väljatöötamise tegelikkuse. Seda saab kasutada kõigil juhtudel, kui on vaja selgitada ühe energialiigi üleminekuid teisele.
Mehaanilised rakendused
Kuidas loetakse praegu energia jäävuse ja muundamise seadust? Selle olemus seisneb selle suuruse ühe tüübi üleminekus teisele, kuid samal ajal jääb selle koguväärtus muutumatuks. Neid süsteeme, milles teostatakse mehaanilisi protsesse, nimetatakse konservatiivseteks. Sellised süsteemid on idealiseeritud, see tähendab, et nad ei võta arvesse hõõrdejõude ega muud tüüpi takistusi, mis põhjustavad mehaanilise energia hajumist.
Konservatiivses süsteemis toimuvad ainult potentsiaalse energia vastastikused üleminekud kineetiliseks energiaks.
Kehale mõjuvate jõudude töö sellises süsteemis ei ole seotud tee kujuga. Selle väärtusoleneb keha lõplikust ja algsest asendist. Vaatleme seda tüüpi jõudude näitena füüsikas gravitatsioonijõudu. Konservatiivses süsteemis on jõu töö väärtus suletud lõigul null ja energia jäävuse seadus hakkab kehtima järgmisel kujul: „Konservatiivses suletud süsteemis on potentsiaalse ja kineetilise energia summa. süsteemi moodustavatest kehadest jääb muutumatuks.”
Näiteks keha vabalangemise korral muutub potentsiaalne energia kineetiliseks vormiks, samas kui nende tüüpide koguväärtus ei muutu.
Kokkuvõtteks
Mehaanilist tööd võib pidada ainsaks võimaluseks mehaanilise liikumise vastastikuseks üleminekuks muudesse ainevormidesse.
See seadus on leidnud rakenduse tehnoloogias. Pärast auto mootori väljalülitamist kaob järk-järgult kineetiline energia, millele järgneb sõiduki peatumine. Uuringud on näidanud, et sel juhul eraldub teatud kogus soojust, mistõttu hõõruvad kehad kuumenevad, suurendades nende sisemist energiat. Hõõrdumise või liikumistakistuse korral täheldatakse mehaanilise energia üleminekut siseväärtuseks, mis näitab seaduse õigsust.
Selle kaasaegne sõnastus näeb välja selline: „Isoleeritud süsteemi energia ei kao kuhugi, ei ilmu eikusagilt. Kõigis süsteemis esinevates nähtustes toimub üht tüüpi energia üleminek teisele, ülekandmine ühest kehast teise ilmakvantitatiivne muutus.”
Pärast selle seaduse avastamist ei jäta füüsikud ideed luua igiliikur, mille suletud tsüklis ei muutuks süsteemi poolt ülekantav soojushulk. ümbritsev maailm, võrreldes väljastpoolt tuleva soojusega. Sellisest masinast võib saada ammendamatu soojusallikas, viis inimkonna energiaprobleemi lahendamiseks.
