De wet van behoud en de transformatie van energie is een van de belangrijkste postulaten van de natuurkunde. Overweeg de geschiedenis van het uiterlijk, evenals de belangrijkste toepassingsgebieden.
Geschiedenispagina's
Laten we eerst eens kijken wie de wet van behoud en transformatie van energie heeft ontdekt. In 1841 voerden de Engelse natuurkundige Joule en de Russische wetenschapper Lenz parallel experimenten uit, waardoor de wetenschappers in de praktijk het verband tussen mechanische arbeid en warmte konden achterhalen.
Talloze onderzoeken uitgevoerd door natuurkundigen in verschillende delen van onze planeet bepaalden de ontdekking van de wet van behoud en transformatie van energie. In het midden van de negentiende eeuw gaf de Duitse wetenschapper Mayer zijn formulering. De wetenschapper probeerde alle informatie over elektriciteit, mechanische beweging, magnetisme, menselijke fysiologie die op dat moment bestond, samen te vatten.
Rond dezelfde periode werden soortgelijke gedachten geuit door wetenschappers in Denemarken, Engeland, Duitsland.
Experimenteer metwarmte
Ondanks de verscheidenheid aan ideeën over warmte, werd een volledig beeld ervan alleen gegeven aan de Russische wetenschapper Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Tijdgenoten steunden zijn ideeën niet, ze geloofden dat warmte niet geassocieerd was met de beweging van de kleinste deeltjes waaruit materie bestaat.
De wet van behoud en transformatie van mechanische energie, voorgesteld door Lomonosov, werd pas ondersteund nadat Rumfoord erin slaagde de aanwezigheid van beweging van deeltjes in materie te bewijzen tijdens experimenten.
Om warmte te verkrijgen, probeerde de natuurkundige Davy ijs te smelten door twee stukken ijs tegen elkaar te wrijven. Hij bracht een hypothese naar voren volgens welke warmte werd beschouwd als een oscillerende beweging van materiedeeltjes.
De wet van behoud en transformatie van energie van Mayer ging uit van de onveranderlijkheid van de krachten die het verschijnen van warmte veroorzaken. Dit idee werd bekritiseerd door andere wetenschappers, die eraan herinnerden dat kracht gerelateerd is aan snelheid en massa, daarom kon de waarde ervan niet ongewijzigd blijven.
Aan het einde van de negentiende eeuw vatte Mayer zijn ideeën samen in een pamflet en probeerde hij het werkelijke warmteprobleem op te lossen. Hoe werd in die tijd de wet van behoud en transformatie van energie gebruikt? In de mechanica was er geen consensus over het verkrijgen en transformeren van energie, dus deze vraag bleef open tot het einde van de negentiende eeuw.
Kenmerk van de wet
De wet van behoud en de transformatie van energie is een van de fundamentele, waardoorbepaalde voorwaarden om fysieke grootheden te meten. Het wordt de eerste wet van de thermodynamica genoemd, waarvan het belangrijkste doel het behoud van deze waarde in een geïsoleerd systeem is.
De wet van behoud en transformatie van energie stelt de afhankelijkheid van de hoeveelheid warmte vast van verschillende factoren. In de loop van experimentele studies uitgevoerd door Mayer, Helmholtz, Joule, werden verschillende soorten energie onderscheiden: potentieel, kinetisch. De combinatie van deze soorten werd mechanisch, chemisch, elektrisch, thermisch genoemd.
De wet van behoud en transformatie van energie had de volgende formulering: "De verandering in kinetische energie is gelijk aan de verandering in potentiële energie."
Mayer kwam tot de conclusie dat alle varianten van deze hoeveelheid in staat zijn om in elkaar over te gaan als de totale hoeveelheid warmte ongewijzigd blijft.
Wiskundige uitdrukking
Als kwantitatieve uitdrukking van de wet is de chemische industrie bijvoorbeeld de energiebalans.
De wet van behoud en transformatie van energie legt een verband tussen de hoeveelheid thermische energie die de zone van interactie van verschillende stoffen binnenkomt, met de hoeveelheid die deze zone verlaat.
De overgang van het ene type energie naar het andere betekent niet dat het verdwijnt. Nee, alleen haar transformatie in een andere vorm wordt waargenomen.
Tegelijkertijd is er een relatie: werk - energie. De wet van behoud en transformatie van energie veronderstelt de constantheid van deze hoeveelheid (de totalehoeveelheid) voor alle processen die plaatsvinden in een geïsoleerd systeem. Dit geeft aan dat in het proces van overgang van de ene soort naar de andere, kwantitatieve equivalentie wordt waargenomen. Om een kwantitatieve beschrijving te geven van verschillende soorten beweging, werd nucleaire, chemische, elektromagnetische en thermische energie in de natuurkunde geïntroduceerd.
Moderne formulering
Hoe wordt de wet van behoud en transformatie van energie tegenwoordig gelezen? De klassieke natuurkunde biedt een wiskundige notatie van dit postulaat in de vorm van een algemene toestandsvergelijking voor een thermodynamisch gesloten systeem:
W=Wk + Wp + U
Deze vergelijking laat zien dat de totale mechanische energie van een gesloten systeem wordt gedefinieerd als de som van kinetische, potentiële, interne energieën.
De wet van behoud en transformatie van energie, waarvan de formule hierboven werd gepresenteerd, verklaart de onveranderlijkheid van deze fysieke grootheid in een gesloten systeem.
Het belangrijkste nadeel van wiskundige notatie is dat het alleen relevant is voor een gesloten thermodynamisch systeem.
Open systemen
Als we rekening houden met het principe van incrementen, is het heel goed mogelijk om de wet van behoud van energie uit te breiden tot niet-gesloten fysieke systemen. Dit principe beveelt aan om wiskundige vergelijkingen te schrijven die betrekking hebben op de beschrijving van de toestand van het systeem, niet in absolute termen, maar in hun numerieke stappen.
Om volledig rekening te houden met alle vormen van energie, werd voorgesteld om toe te voegen aan de klassieke vergelijking van een ideaal systeemde som van energietoenames die worden veroorzaakt door veranderingen in de toestand van het geanalyseerde systeem onder invloed van verschillende vormen van het veld.
In de algemene versie is de toestandsvergelijking als volgt:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Deze vergelijking wordt beschouwd als de meest complete in de moderne natuurkunde. Het was het dat de basis werd van de wet van behoud en transformatie van energie.
Betekenis
In de wetenschap zijn er geen uitzonderingen op deze wet, deze regelt alle natuurlijke fenomenen. Het is op basis van dit postulaat dat men hypothesen naar voren kan brengen over verschillende motoren, inclusief de weerlegging van de realiteit van de ontwikkeling van een eeuwigdurend mechanisme. Het kan worden gebruikt in alle gevallen waarin het nodig is om de overgangen van het ene type energie naar het andere uit te leggen.
Mechanische toepassingen
Hoe wordt de wet van behoud en transformatie van energie op dit moment gelezen? De essentie ervan ligt in de overgang van het ene type van deze hoeveelheid naar het andere, maar tegelijkertijd blijft de totale waarde ervan ongewijzigd. Die systemen waarin mechanische processen worden uitgevoerd, worden conservatief genoemd. Dergelijke systemen zijn geïdealiseerd, dat wil zeggen, ze houden geen rekening met wrijvingskrachten, andere soorten weerstand die dissipatie van mechanische energie veroorzaken.
In een conservatief systeem vinden alleen onderlinge overgangen van potentiële energie in kinetische energie plaats.
Het werk van krachten die inwerken op een lichaam in zo'n systeem is niet gerelateerd aan de vorm van het pad. Zijn waardehangt af van de eind- en beginpositie van het lichaam. Als voorbeeld van dit soort krachten in de natuurkunde beschouwen we de zwaartekracht. In een conservatief systeem is de waarde van de arbeid van een kracht in een gesloten sectie nul, en de wet van behoud van energie is geldig in de volgende vorm: In een conservatief gesloten systeem is de som van de potentiële en kinetische energie van de lichamen waaruit het systeem bestaat, blijft ongewijzigd.”
Bij een vrije val van een lichaam verandert potentiële energie bijvoorbeeld in een kinetische vorm, terwijl de totale waarde van deze typen niet verandert.
Tot slot
Mechanisch werk kan worden beschouwd als de enige manier van wederzijdse overgang van mechanische beweging naar andere vormen van materie.
Deze wet heeft toepassing gevonden in de technologie. Na het afzetten van de automotor is er een geleidelijk verlies van kinetische energie, gevolgd door een stop van het voertuig. Studies hebben aangetoond dat in dit geval een bepaalde hoeveelheid warmte vrijkomt, waardoor de wrijvende lichamen opwarmen, waardoor hun interne energie toeneemt. In het geval van wrijving of enige bewegingsweerstand, wordt een overgang van mechanische energie naar een interne waarde waargenomen, die de juistheid van de wet aangeeft.
De moderne formulering ziet er als volgt uit: De energie van een geïsoleerd systeem verdwijnt niet in het niets, verschijnt niet uit het niets. Bij elk fenomeen dat zich binnen het systeem voordoet, is er een overgang van het ene type energie naar het andere, overdracht van het ene lichaam naar het andere, zonderkwantitatieve verandering.”
Na de ontdekking van deze wet laten natuurkundigen het idee van het creëren van een perpetuum mobile niet los, waarin, in een gesloten cyclus, er geen verandering zou zijn in de hoeveelheid warmte die door het systeem wordt overgedragen aan de omringende wereld, in vergelijking met de warmte die van buitenaf wordt ontvangen. Zo'n machine zou een onuitputtelijke warmtebron kunnen worden, een manier om het energieprobleem van de mensheid op te lossen.
