Zákon zachování a přeměny energie je jedním z nejdůležitějších postulátů fyziky. Zvažte historii jeho vzhledu a také hlavní oblasti použití.
Stránky s historií
Nejprve pojďme zjistit, kdo objevil zákon zachování a přeměny energie. V roce 1841 prováděli anglický fyzik Joule a ruský vědec Lenz paralelně experimenty, v jejichž důsledku se vědcům podařilo v praxi zjistit souvislost mezi mechanickou prací a teplem.
Četné studie provedené fyziky v různých částech naší planety předurčily objev zákona zachování a přeměny energie. V polovině devatenáctého století dal německý vědec Mayer svou formulaci. Vědec se pokusil shrnout všechny informace o elektřině, mechanickém pohybu, magnetismu, lidské fyziologii, které v té době existovaly.
Přibližně ve stejném období vyjádřili podobné myšlenky vědci v Dánsku, Anglii, Německu.
Experimenty steplo
Navzdory rozmanitosti myšlenek týkajících se tepla, úplný obrázek o něm získal pouze ruský vědec Michail Vasiljevič Lomonosov. Současníci jeho myšlenky nepodporovali, věřili, že teplo není spojeno s pohybem nejmenších částic, které tvoří hmotu.
Zákon zachování a přeměny mechanické energie, navržený Lomonosovem, byl podpořen až poté, co se Rumfoordovi podařilo v průběhu experimentů prokázat přítomnost pohybu částic uvnitř hmoty.
Pro získání tepla se fyzik Davy pokusil rozpustit led třením dvou kusů ledu o sebe. Předložil hypotézu, podle které bylo teplo považováno za oscilační pohyb částic hmoty.
Mayerův zákon zachování a přeměny energie předpokládal neměnnost sil, které způsobují vznik tepla. Tato myšlenka byla kritizována jinými vědci, kteří připomněli, že síla souvisí s rychlostí a hmotností, takže její hodnota nemůže zůstat nezměněna.
Na konci devatenáctého století shrnul Mayer své myšlenky do brožury a pokusil se vyřešit skutečný problém tepla. Jak se v té době využíval zákon zachování a přeměny energie? V mechanice neexistovala shoda na tom, jak získat, transformovat energii, takže tato otázka zůstala otevřená až do konce devatenáctého století.
Vlastnost zákona
Zákon zachování a přeměny energie je jedním ze základních, které umožňujíurčité podmínky pro měření fyzikálních veličin. Říká se tomu první zákon termodynamiky, jehož hlavním cílem je zachování této hodnoty v izolované soustavě.
Zákon zachování a přeměny energie stanoví závislost množství tepla na různých faktorech. V průběhu experimentálních studií provedených Mayerem, Helmholtzem, Jouleem byly rozlišeny různé druhy energie: potenciální, kinetická. Kombinace těchto druhů se nazývala mechanická, chemická, elektrická, tepelná.
Zákon zachování a přeměny energie měl následující formulaci: "Změna kinetické energie se rovná změně potenciální energie."
Mayer došel k závěru, že všechny odrůdy této veličiny jsou schopny přeměny jedna v druhou, pokud celkové množství tepla zůstane nezměněno.
Matematický výraz
Například, jako kvantitativní vyjádření zákona, chemický průmysl je energetická bilance.
Zákon zachování a přeměny energie stanovuje vztah mezi množstvím tepelné energie, které vstupuje do zóny interakce různých látek, a množstvím, které tuto zónu opouští.
Přechod z jednoho typu energie na jiný neznamená, že zmizí. Ne, je pozorována pouze její přeměna do jiné podoby.
Zároveň existuje vztah: práce – energie. Zákon zachování a přeměny energie předpokládá stálost této veličiny (její celkovémnožství) pro všechny procesy probíhající v izolovaném systému. To naznačuje, že v procesu přechodu z jednoho druhu na druhý je pozorována kvantitativní ekvivalence. S cílem poskytnout kvantitativní popis různých typů pohybu byla ve fyzice zavedena jaderná, chemická, elektromagnetická a tepelná energie.
Moderní znění
Jak se dnes čte zákon zachování a přeměny energie? Klasická fyzika nabízí matematický zápis tohoto postulátu ve formě zobecněné stavové rovnice pro termodynamický uzavřený systém:
W=Wk + Wp + U
Tato rovnice ukazuje, že celková mechanická energie uzavřeného systému je definována jako součet kinetických, potenciálních a vnitřních energií.
Zákon zachování a přeměny energie, jehož vzorec byl uveden výše, vysvětluje neměnnost této fyzikální veličiny v uzavřeném systému.
Hlavní nevýhodou matematického zápisu je jeho relevance pouze pro uzavřený termodynamický systém.
Otevřené systémy
Pokud vezmeme v úvahu princip přírůstků, je docela možné rozšířit zákon zachování energie na neuzavřené fyzikální systémy. Tento princip doporučuje psát matematické rovnice související s popisem stavu systému nikoli v absolutních hodnotách, ale v jejich číselných přírůstcích.
K plnému zohlednění všech forem energie bylo navrženo přidat ke klasické rovnici ideálního systémusoučet přírůstků energie, které jsou způsobeny změnami stavu analyzovaného systému pod vlivem různých forem pole.
V zobecněné verzi je stavová rovnice následující:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Tato rovnice je považována za nejúplnější v moderní fyzice. Právě ona se stala základem zákona zachování a přeměny energie.
Význam
Ve vědě neexistují žádné výjimky z tohoto zákona, řídí se jím všechny přírodní jevy. Právě na základě tohoto postulátu lze předložit hypotézy o různých motorech, včetně vyvrácení reality vývoje věčného mechanismu. Dá se použít ve všech případech, kdy je potřeba vysvětlit přechody jednoho druhu energie na jiný.
Mechanické aplikace
Jak se v současnosti čte zákon zachování a přeměny energie? Jeho podstata spočívá v přechodu jednoho typu této veličiny na druhý, ale zároveň zůstává její celková hodnota nezměněna. Systémy, ve kterých se provádějí mechanické procesy, se nazývají konzervativní. Takové systémy jsou idealizované, to znamená, že neberou v úvahu třecí síly, jiné typy odporu, které způsobují ztrátu mechanické energie.
V konzervativním systému dochází pouze k vzájemným přechodům potenciální energie na energii kinetickou.
Práce sil, které působí na těleso v takovém systému, nesouvisí s tvarem dráhy. Jeho hodnotazávisí na konečné a výchozí poloze těla. Jako příklad sil tohoto druhu ve fyzice uvažujme gravitační sílu. V konzervativním systému je hodnota práce síly v uzavřeném řezu nulová a zákon zachování energie bude platit v tomto tvaru: „V konzervativním uzavřeném systému je součet potenciální a kinetické energie součet potenciální a kinetické energie. těles, která tvoří systém, zůstává nezměněna.“
Například v případě volného pádu tělesa se potenciální energie mění na kinetickou formu, přičemž celková hodnota těchto typů se nemění.
Na závěr
Mechanickou práci lze považovat za jediný způsob vzájemného přechodu mechanického pohybu do jiných forem hmoty.
Tento zákon našel uplatnění v technologii. Po vypnutí motoru vozu dochází k postupné ztrátě kinetické energie a následně k zastavení vozidla. Studie ukázaly, že v tomto případě se uvolňuje určité množství tepla, a proto se třecí těla zahřívají a zvyšují jejich vnitřní energii. V případě tření nebo jakéhokoli odporu vůči pohybu je pozorován přechod mechanické energie na vnitřní hodnotu, což ukazuje na správnost zákona.
Jeho moderní formulace vypadá takto: „Energie izolovaného systému nikam nemizí, odnikud se neobjevuje. Ve všech jevech, které v systému existují, dochází k přechodu jednoho typu energie do druhého, přenosu z jednoho těla do druhého, aniž by došlokvantitativní změna.”
Po objevení tohoto zákona fyzici neopouštějí myšlenku vytvořit stroj s věčným pohybem, ve kterém by v uzavřeném cyklu nedocházelo ke změně množství tepla přenášeného systémem do okolní svět ve srovnání s teplem přijímaným zvenčí. Takový stroj by se mohl stát nevyčerpatelným zdrojem tepla, způsobem, jak vyřešit energetický problém lidstva.
