Zákon zachovania a premeny energie je jedným z najdôležitejších postulátov fyziky. Zvážte históriu jeho vzhľadu, ako aj hlavné oblasti použitia.
Stránky s históriou
Najprv zistíme, kto objavil zákon zachovania a premeny energie. V roku 1841 uskutočnili anglický fyzik Joule a ruský vedec Lenz paralelne experimenty, v dôsledku ktorých sa vedcom podarilo v praxi zistiť súvislosť medzi mechanickou prácou a teplom.
Početné štúdie fyzikov v rôznych častiach našej planéty predurčili objavenie zákona zachovania a transformácie energie. V polovici devätnásteho storočia dal nemecký vedec Mayer svoju formuláciu. Vedec sa pokúsil zhrnúť všetky informácie o elektrine, mechanickom pohybe, magnetizme, fyziológii človeka, ktoré v tom čase existovali.
Približne v tom istom období vyjadrili podobné myšlienky vedci v Dánsku, Anglicku, Nemecku.
Experimenty steplo
Napriek rôznorodosti predstáv o teple, úplný obraz o ňom dostal až ruský vedec Michail Vasiljevič Lomonosov. Súčasníci nepodporovali jeho myšlienky, verili, že teplo nie je spojené s pohybom najmenších častíc, ktoré tvoria hmotu.
Zákon zachovania a transformácie mechanickej energie, ktorý navrhol Lomonosov, bol podporený až potom, čo sa Rumfoordovi podarilo v priebehu experimentov dokázať prítomnosť pohybu častíc vo vnútri hmoty.
Na získanie tepla sa fyzik Davy pokúsil roztopiť ľad trením dvoch kusov ľadu o seba. Predložil hypotézu, podľa ktorej sa teplo považovalo za oscilačný pohyb častíc hmoty.
Mayerov zákon zachovania a premeny energie predpokladal nemennosť síl, ktoré spôsobujú vznik tepla. Túto myšlienku kritizovali iní vedci, ktorí pripomenuli, že sila súvisí s rýchlosťou a hmotnosťou, preto jej hodnota nemôže zostať nezmenená.
Koncom devätnásteho storočia Mayer zhrnul svoje myšlienky do brožúry a pokúsil sa vyriešiť skutočný problém tepla. Ako sa v tom čase využíval zákon zachovania a premeny energie? V mechanike neexistoval konsenzus o tom, ako získať, transformovať energiu, takže táto otázka zostala otvorená až do konca devätnásteho storočia.
Vlastnosť zákona
Zákon zachovania a premeny energie je jedným zo základných, ktorý umožňujeurčité podmienky na meranie fyzikálnych veličín. Nazýva sa to prvý zákon termodynamiky, ktorého hlavným cieľom je zachovanie tejto hodnoty v izolovanom systéme.
Zákon zachovania a premeny energie stanovuje závislosť množstva tepla od rôznych faktorov. V priebehu experimentálnych štúdií, ktoré uskutočnili Mayer, Helmholtz, Joule, boli rozlíšené rôzne druhy energie: potenciálna, kinetická. Kombinácia týchto druhov sa nazýva mechanická, chemická, elektrická, tepelná.
Zákon zachovania a premeny energie mal nasledujúcu formuláciu: „Zmena kinetickej energie sa rovná zmene potenciálnej energie.“
Mayer dospel k záveru, že všetky odrody tohto množstva sú schopné vzájomnej premeny, ak celkové množstvo tepla zostane nezmenené.
Matematický výraz
Napríklad, ako kvantitatívne vyjadrenie zákona, chemický priemysel je energetická bilancia.
Zákon zachovania a premeny energie stanovuje vzťah medzi množstvom tepelnej energie, ktorá vstupuje do zóny interakcie rôznych látok, a množstvom, ktoré túto zónu opúšťa.
Prechod z jedného typu energie na druhý neznamená, že zmizne. Nie, pozoruje sa iba jej premena do inej podoby.
Zároveň existuje vzťah: práca – energia. Zákon zachovania a premeny energie predpokladá stálosť tejto veličiny (jej celkovejmnožstvo) pre všetky procesy vyskytujúce sa v izolovanom systéme. To naznačuje, že v procese prechodu z jedného druhu na druhý sa pozoruje kvantitatívna ekvivalencia. S cieľom poskytnúť kvantitatívny popis rôznych typov pohybu bola vo fyzike zavedená jadrová, chemická, elektromagnetická a tepelná energia.
Moderné znenie
Ako sa dnes číta zákon zachovania a premeny energie? Klasická fyzika ponúka matematický zápis tohto postulátu vo forme zovšeobecnenej stavovej rovnice pre termodynamický uzavretý systém:
W=Wk + Wp + U
Táto rovnica ukazuje, že celková mechanická energia uzavretého systému je definovaná ako súčet kinetických, potenciálnych a vnútorných energií.
Zákon zachovania a transformácie energie, ktorého vzorec bol uvedený vyššie, vysvetľuje nemennosť tejto fyzikálnej veličiny v uzavretom systéme.
Hlavnou nevýhodou matematického zápisu je jeho relevantnosť len pre uzavretý termodynamický systém.
Otvorené systémy
Ak vezmeme do úvahy princíp prírastkov, je celkom možné rozšíriť zákon zachovania energie aj na neuzavreté fyzikálne systémy. Tento princíp odporúča písať matematické rovnice súvisiace s popisom stavu systému nie v absolútnych číslach, ale v ich numerických prírastkoch.
Na úplné zohľadnenie všetkých foriem energie bolo navrhnuté pridať ku klasickej rovnici ideálneho systémusúčet prírastkov energie, ktoré sú spôsobené zmenami stavu analyzovaného systému pod vplyvom rôznych foriem poľa.
V zovšeobecnenej verzii je stavová rovnica nasledovná:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Táto rovnica sa považuje za najkompletnejšiu v modernej fyzike. Práve to sa stalo základom zákona zachovania a premeny energie.
Význam
Vo vede neexistujú žiadne výnimky z tohto zákona, riadi sa ním všetky prírodné javy. Na základe tohto postulátu je možné predkladať hypotézy o rôznych motoroch, vrátane vyvrátenia reality vývoja večného mechanizmu. Dá sa použiť vo všetkých prípadoch, keď je potrebné vysvetliť prechody jedného druhu energie na iný.
Mechanické aplikácie
Ako sa v súčasnosti číta zákon zachovania a premeny energie? Jeho podstata spočíva v prechode jedného druhu tejto veličiny na druhý, no zároveň zostáva nezmenená jej celková hodnota. Systémy, v ktorých sa vykonávajú mechanické procesy, sa nazývajú konzervatívne. Takéto systémy sú idealizované, to znamená, že neberú do úvahy trecie sily, iné typy odporu, ktoré spôsobujú rozptyl mechanickej energie.
V konzervatívnom systéme dochádza len k vzájomným prechodom potenciálnej energie na kinetickú.
Práca síl, ktoré pôsobia na teleso v takomto systéme nesúvisí s tvarom dráhy. Jeho hodnotazávisí od konečnej a počiatočnej polohy tela. Ako príklad síl tohto druhu vo fyzike uvažujme gravitačnú silu. V konzervatívnom systéme je hodnota práce sily v uzavretom reze nulová a zákon zachovania energie bude platiť v tomto tvare: „V konzervatívnom uzavretom systéme je súčet potenciálnej a kinetickej energie. telies, ktoré tvoria systém, zostáva nezmenený.“
Napríklad v prípade voľného pádu telesa sa potenciálna energia mení na kinetickú formu, pričom celková hodnota týchto typov sa nemení.
Na záver
Mechanickú prácu možno považovať za jediný spôsob vzájomného prechodu mechanického pohybu do iných foriem hmoty.
Tento zákon našiel uplatnenie v technológii. Po vypnutí motora auta dochádza k postupnej strate kinetickej energie, po ktorej nasleduje zastavenie vozidla. Štúdie ukázali, že v tomto prípade sa uvoľňuje určité množstvo tepla, a preto sa trecie telesá zahrievajú, čím sa zvyšuje ich vnútorná energia. V prípade trenia alebo akéhokoľvek odporu voči pohybu je pozorovaný prechod mechanickej energie na vnútornú hodnotu, čo naznačuje správnosť zákona.
Jeho moderná formulácia vyzerá takto: „Energia izolovaného systému nikam nezmizne, odnikiaľ sa neobjaví. Pri akýchkoľvek javoch, ktoré existujú v systéme, dochádza k prechodu jedného typu energie na iný, prenosu z jedného tela do druhého bez toho, abykvantitatívna zmena.”
Po objavení tohto zákona fyzici neopúšťajú myšlienku vytvorenia stroja na večný pohyb, v ktorom by v uzavretom cykle nedochádzalo k žiadnej zmene množstva tepla prenášaného systémom do okolitého sveta v porovnaní s teplom prijatým zvonku. Takýto stroj by sa mohol stať nevyčerpateľným zdrojom tepla, spôsobom, ako vyriešiť energetický problém ľudstva.
