Закон за опазване и преобразуване на енергията. Формулирането и определянето на закона за опазване и преобразуване на енергията

Законът за опазване и преобразуване на енергия е един от най-важните постулати на физиката. Обмислете историята на нейния външен вид, както и основните области на приложение.

Страници с история

Първо, нека разберем кой е открил закона за опазване и трансформация на енергията. През 1841 г. английският физик Джаул и руският учен Ленц паралелно провеждат експерименти, в резултат на които учените успяват да изяснят връзката между механичната работа и топлината.

Многобройни изследвания, проведени от физици в различни краища на нашата планета, предопределиха откриването на закона за опазване и преобразуване на енергията. В средата на деветнадесети век германският учен Майер получава формулировката си. Ученият се опитва да обобщи цялата информация за електричеството, механичното движение, магнетизма, физиологията на човека, съществувала по онова време.

Приблизително през същия период подобни идеи бяха изразени от учени в Дания, Англия, Германия.

Експерименти с топлина

Независимо от разнообразието от идеи за топлината, пълна картина от него се дава само на руските учени Михаил Василиевич Ломоносов. Съвременниците не подкрепиха идеята му, смятайки, че топлината не е свързана с движението на най-малките частици, които съставят веществото.

Законът за опазване и преобразуване на механичната енергия, предложен от Ломоносов, бе подкрепен само след като Румфорд успя да докаже наличието на движението на частици вътре в веществото по време на експериментите.

За да получи топлина, физикът Дейви се опита да разтопи лед, като триеше два лъча един срещу друг. Той изложи хипотезата, според която топлината се разглежда като осцилиращо движение на частици от материята.

Законът за консервацията и трансформацията на енергия според Mayer приемаше инвариантността на силите, които предизвикват появата на топлина. Такава идея беше критикувана от други учени, които припомниха, че силата е свързана със скоростта и масата, поради което нейната стойност не може да остане непроменена.

В края на деветнадесети век Майер обобщава идеите си в брошура и се опитва да реши истинския проблем с топлината. Как беше използван тогава законът за опазване и преобразуване на енергията? В механиката нямаше консенсус за това как да се получи, трансформира енергия, така че до края на деветнадесети век този въпрос остава отворен.

Характер на закона

Законът за опазване и преобразуване на енергия е един от основните, позволявайки при определени условия да се измерват физическите количества. Той се нарича първият закон на термодинамиката, чийто основен предмет е запазването на това количество при условия на изолирана система.

Законът за опазване и преобразуване на енергията установява зависимостта на количеството топлина от различни фактори. В хода на експерименталните изследвания, проведени от Mayer, Helmholtz, Joule, са идентифицирани различни видове енергия: потенциал, кинетичен. Всички тези видове се наричат ​​механични, химически, електрически, термични.

Законът за опазване и преобразуване на енергията има следната формулировка: "Промяната в кинетичната енергия е равна на промяната в потенциалната енергия".

Майер стигна до извода, че всички разновидности от този мащаб са в състояние да се превърнат един в друг в случай, че общото количество топлина остава непроменено.

Математически израз

Например, като количествен израз на закона, химическата промишленост енергийния баланс.

Законът за опазване и преобразуване на енергията установява връзка между количеството топлинна енергия, влизаща в зоната на взаимодействие на различни вещества, с количеството, което напуска зоната.

Преходът на един вид енергия към друг не означава, че той изчезва. Не, се наблюдава само превръщането му в различна форма.

В същото време има корелация: работна енергия. Законът за опазване и преобразуване на енергията предполага постоянство на това количество (общото му количество) за всички процеси, протичащи в него изолирана система. Това показва, че в процеса на преход от един тип към друг се наблюдава количествена еквивалентност. За да се даде количествено описание на различните видове движения, във физиката е въведена ядрена, химическа, електромагнитна, топлинна енергия.

Съвременна формулировка

Как е законът за опазване и трансформация на енергията в наши дни? Класическата физика предлага математическа нотация на този постулат под формата на общо уравнение на състоянието за термодинамична затворена система:

W = Wk + Wp + U

Това уравнение показва, че общата механична енергия на затворена система се определя като сумата от кинетичната, потенциалната, вътрешна енергия.

Законът за опазване и преобразуване на енергия, чиято формула е представена по-горе, обяснява непостоянството на това физическо количество в затворена система.

Основният недостатък на математическото означение е неговата значимост само за затворена термодинамична система.

Неограничени системи

Ако се вземе предвид принципът на нарастване, е напълно възможно да се разшири законът за консервация на енергия към не-затворени физически системи. Този принцип препоръчва да напишете математическите уравнения, свързани с описанието на състоянието на системата, не в абсолютни стойности, а в цифровите им стъпки.

За да се вземат изцяло предвид всички форми на енергия, беше предложено да се добави към класическото уравнение на една идеална система сумата от нарастването на енергиите, причинени от промените в състоянието на анализираната система под влиянието на различни полеви форми.

В обобщената версия уравнението на държавата има следната форма:

dW = Sigma-i Ui dqi + Sigma-j Uj dqj

Това уравнение се счита за най-пълно в съвременната физика. Именно това се превърна в основата на закона за опазване и трансформация на енергията.

стойност

В науката няма изключения от този закон, той контролира всички природни феномени. Въз основа на този постулат може да се изтъкнат хипотези за различни двигатели, включително опровержение на реалността на развитието на вечния механизъм. Той може да се използва във всички случаи, когато е необходимо да се обяснят преходите на един вид енергия към друг.

Приложение в механика

Как се чете законът за опазване и преобразуване на енергията? Нейната същност се крие в прехода на един вид на това количество към друго, но общата му стойност остава непроменена. Тези системи, в които се извършват механични процеси, се наричат ​​консервативни. Тези системи са идеализирани, т.е. не вземат под внимание триещите сили, други видове съпротивления, които предизвикват дисперсията на механичната енергия.

В една консервативна система възникват само взаимни преходи на потенциалната енергия към кинетиката.

Работата на силите, които действат в подобна система върху тялото, не е свързана с формата на пътя. Неговата величина зависи от крайното и началното положение на тялото. Като пример за такива сили във физиката се разглежда гравитацията. В консервативна система стойността на работната сила в затворена зона е нула, и закона за запазване на енергията е валидна по следния начин: ". В една затворена система, консервативна количество потенциална и кинетична енергия на телата, които изграждат системата остава непроменена"

Например, в случай на свободно падане на тялото, потенциалната енергия се премества в кинетична форма, но общата стойност на тези видове не се променя.

В заключение

Механичната работа може да се разглежда като единственият начин за взаимен преход на механичното движение в други форми на материята.

Този закон намери приложение в инженеринга. След изключване на автомобилния двигател има постепенна загуба на кинетична енергия, последвано спиране на автомобила. Проучванията показват, че в този случай се отделя определено количество топлина, така че телата да се нагорещят, увеличавайки вътрешната си енергия. В случай на триене или всякакво съпротивление на движение, механичната енергия се променя на вътрешна стойност, която показва правилността на закона.

Съвременната формулировка има формата: "Енергията на изолирана система не изчезва никъде, не се появява от нищото. Във всички феномени, съществуващи в системата, има преход от един вид енергия към друг, предаване от едно тяло на друго, без количествена промяна ".

След откриването на този закон физиците не изоставят идеята за създаване на машина за вечни движения, при която при затворен цикъл няма промяна в количеството топлина, прехвърляна от системата към околния свят, в сравнение с топлината, получена отвън. Такава машина може да се превърне в неизчерпаем източник на топлина - начин да се реши енергийният проблем на човечеството.