Zákon zachování a přeměny energie. Formulace a definice práva zachování a přeměny energie

Zákon zachování a přeměny energie je jedním z nejdůležitějších postulátů fyziky. Zvažte historii jejího vzhledu, stejně jako hlavní oblasti použití.

Stránky historie

Za prvé zjistíme, kdo objevil zákon zachování a přeměny energie. V roce 1841 paralelně prováděly experimenty anglický fyzik Joule a ruský vědec Lenz, v jehož důsledku se vědcům podařilo objasnit vztah mezi mechanickou prací a teplem.

Četné studie provedené fyziky v různých koutcích naší planety předurčily objev zákonu zachování a přeměny energie. V polovině devatenáctého století dostal německý vědec Mayer svou formulaci. Vědec se snažil zobecnit všechny informace o elektřině, mechanickém pohybu, magnetismu, lidské fyziologii, která existovala v té době.

Přibližně ve stejném období podobné názory vyjádřily vědci z Dánska, Anglie, Německa.

Experimenty s teplem

Navzdory rozmanitým nápadům týkajícím se tepla byl jeho úplný obraz dán pouze ruským vědcům Mikhailovi Vasilijevičovi Lomonosovovi. Moderátoři nepodporovali jeho myšlenku, věřili, že teplo není spojeno s pohybem nejmenších částic, které tvoří látku.

Zákon o zachování a přeměně mechanické energie, který navrhl Lomonosov, byl podpořen teprve poté, co se Rumford podařilo prokázat přítomnost pohybu částic uvnitř látky během experimentů.

K dosažení tepla se fyzik Davy pokoušel roztát led a třela dva kusy ledu proti sobě. Předložil hypotézu, podle které je teplo považováno za oscilační pohyb částic hmoty.

Zákon zachování a přeměny energie podle Mayera předpokládal invariance sil, které způsobují vzhled tepla. Taková myšlenka byla kritizována jinými vědci, kteří připomněli, že síla souvisí s rychlostí a hmotností, a proto její hodnota nemůže zůstat nezměněna.

Koncem devatenáctého století Mayer shrnul své nápady do brožury a pokusil se vyřešit aktuální problém tepla. Jak byl tehdy použit zákon na zachování a přeměnu energie? V mechaniky nebyl žádný konsensus o tom, jak získat, přeměnit energii, a tak do konce devatenáctého století zůstala tato otázka otevřená.

Charakteristika zákona

Zákon zachování a přeměny energie je jedním ze základních, který umožňuje za určitých podmínek měřit fyzikální veličiny. Říká se tomu první zákon termodynamiky, jehož hlavním cílem je zachování tohoto množství v podmínkách izolovaného systému.

Zákon o ochraně a přeměně energie stanoví závislost množství tepla na různých faktorech. V průběhu experimentálních studií provedených Mayer, Helmholtz, Joule byly identifikovány různé typy energie: potenciální, kinetické. Celý druh těchto druhů se nazýval mechanický, chemický, elektrický, termální.

Zákon o ochraně a přeměně energie měl následující formulaci: "Změna v kinetické energii se rovná změně potenciální energie".

Mayer dospěl k závěru, že všechny odrůdy této velikosti se dokážou navzájem přeměnit v případě, že se celkové množství tepla nezmění.

Matematický výraz

Například jako kvantitativní vyjádření zákona chemický průmysl energetická bilance.

Zákon o ochraně a přeměně energie vytváří vztah mezi množstvím tepelné energie, která vstupuje do zóny interakce různých látek, s množstvím, které opouští danou zónu.

Přechod jednoho typu energie na druhou neznamená, že zmizí. Ne, je pozorována pouze její transformace do jiné formy.

Současně existuje korelace: pracovní energie. Zákon o ochraně a přeměně energie předpokládá stálost tohoto množství (jeho celkové množství) pro všechny procesy, které se vyskytují v izolovaný systém. To naznačuje, že v procesu přechodu jednoho typu na druhého je pozorována kvantitativní ekvivalence. Kvůli kvantitativnímu popisu různých druhů pohybu byla do fyziky zavedena jaderná, chemická, elektromagnetická, tepelná energie.

Moderní znění

Jaký je zákon zachování a přeměny energie v našich dnech? Klasická fyzika nabízí matematickou notaci tohoto postulátu ve formě všeobecné rovnice stavu pro termodynamický uzavřený systém:

W = Wk + Wp + U

Tato rovnice ukazuje, že celková mechanická energie uzavřeného systému je definována jako součet kinetických, potenciálních, vnitřních energií.

Zákon o ochraně a přeměně energie, jehož vzorec byl uveden výše, vysvětluje neměnnost této fyzické veličiny v uzavřeném systému.

Hlavní nevýhodou matematické notace je její význam pouze pro uzavřený termodynamický systém.

Neomezené systémy

Je-li zohledněn princip přírůstku, je zcela možné rozšířit zákon o zachování energie na neuzavřené fyzické systémy. Tento princip doporučuje zapsat matematické rovnice spojené s popisem stavu systému, nikoli v absolutních číslech, ale v číselných přírůstcích.

Abychom plně zohlednili všechny formy energie, bylo navrženo doplnit do klasické rovnice ideálního systému součet přírůstků energií, které jsou způsobeny změnami ve stavu analyzovaného systému pod vlivem různých polních tvarů.

Ve všeobecné verzi má rovnice státu následující podobu:

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

Tato rovnice je považována za nejkomplexnější v moderní fyzice. To se stalo základem zákona zachování a přeměny energie.

Význam

Ve vědě neexistují výjimky z tohoto zákona, řídí všechny přírodní jevy. Na základě tohoto postulátu lze předkládat hypotézy o různých motorech, včetně vyvrácení reality ve vývoji věčného mechanismu. Může být použit ve všech případech, kdy je nutné vysvětlit přechody jednoho druhu energie do druhého.

Aplikace v mechanice

Jak je v současné době čitelný zákon zachování a přeměny energie? Jeho podstatou je přechod jednoho druhu tohoto množství na druhého, ale jeho obecná hodnota zůstává nezměněna. Ty systémy, ve kterých se provádějí mechanické procesy, se nazývají konzervativní. Takové systémy jsou idealizovány, to znamená, že nezohledňují třecí síly, jiné typy odporů, které způsobují rozptyl mechanické energie.

V konzervativním systému dochází pouze k vzájemnému přechodu potenciální energie k kinetice.

Pracovní síly, které působí v podobném systému, k tělu, není spojena s tvarem dráhy. Jeho hodnota je závislá na konečné a počáteční pozici. Jako příklad tohoto typu energie ve fyzice jsou gravitační síla. V konzervativním systému hodnota pracovní síly v uzavřeném prostoru je nulová, a zákon zachování energie platí následujícím způsobem: „V uzavřeném systému, konzervativní množství potenciální a kinetickou energii v orgánech, které tvoří systém zůstává nezměněn“

Například v případě volného pádu těla se potenciální energie posune do kinetické formy, ale celková hodnota těchto druhů se nemění.

Na závěr

Mechanická práce může být považována za jediný způsob vzájemného přechodu mechanického pohybu do jiných forem hmoty.

Tento zákon našel uplatnění ve strojírenství. Po vypnutí motoru automobilu dochází k postupné ztrátě kinetické energie a následnému zastavení vozidla. Studie prokázaly, že v tomto případě je uvolněno určité množství tepla, takže se otěrují těla a zvyšují jejich vnitřní energii. V případě tření nebo jakéhokoliv odporu vůči pohybu se mechanická energie změní na vnitřní hodnotu, což ukazuje na správnost zákona.

Jeho moderní formulace má podobu: "Energie izolovaného systému nikde nezmizí, nevypadá nikam. Ve všech jevech existujících v systému dochází k přechodu jednoho druhu energie k druhému, k přenosu z jednoho těla do druhého bez kvantitativní změny. "

Po otevření této fyzikální zákon opustit ani ponětí o perpetuum mobile, přičemž alespoň uzavřený cyklus bez změny množství tepla přenášeného mimo světového systému, ve srovnání s získání tepla z vnějšku. Takový stroj by se mohl stát nevyčerpatelným zdrojem tepla, způsob, jak řešit problémy energetické lidstva.