قانون بقا و تبدیل انرژی یکی از مهم ترین فرض های فیزیک است. تاریخچه ظاهر آن و همچنین زمینه های اصلی کاربرد را در نظر بگیرید.
صفحات تاریخچه
ابتدا، بیایید دریابیم که چه کسی قانون بقا و تبدیل انرژی را کشف کرده است. در سال 1841، فیزیکدان انگلیسی ژول و دانشمند روسی لنز آزمایشاتی را به صورت موازی انجام دادند که در نتیجه دانشمندان در عمل موفق شدند ارتباط بین کار مکانیکی و گرما را دریابند.
مطالعات متعددی که توسط فیزیکدانان در نقاط مختلف سیاره ما انجام شد، کشف قانون بقای و تبدیل انرژی را از پیش تعیین کرد. در اواسط قرن نوزدهم، دانشمند آلمانی مایر فرمول خود را ارائه کرد. دانشمند سعی کرد تمام اطلاعات مربوط به الکتریسیته، حرکت مکانیکی، مغناطیس، فیزیولوژی انسان را که در آن زمان وجود داشت، خلاصه کند.
در همان دوره، افکار مشابهی توسط دانشمندان دانمارک، انگلستان، آلمان بیان شد.
آزمایش باگرما
علی رغم تنوع ایده ها در مورد گرما، تصویر کاملی از آن فقط به دانشمند روسی میخائیل واسیلیویچ لومونوسوف داده شد. معاصران از ایده های او حمایت نمی کردند، آنها معتقد بودند که گرما با حرکت کوچکترین ذرات تشکیل دهنده ماده مرتبط نیست.
قانون بقای و تبدیل انرژی مکانیکی که توسط لومونوسوف پیشنهاد شده بود، تنها پس از اینکه رامفورد توانست وجود حرکت ذرات را در داخل ماده در جریان آزمایش‌ها اثبات کند، تأیید شد.
برای به دست آوردن گرما، دیوی فیزیکدان سعی کرد با مالیدن دو تکه یخ به یکدیگر یخ را ذوب کند. او فرضیه ای را مطرح کرد که بر اساس آن گرما به عنوان حرکت نوسانی ذرات ماده در نظر گرفته می شود.
قانون بقای و تبدیل انرژی مایر، تغییرناپذیری نیروهایی را که باعث ظهور گرما می شوند، فرض می کند. این ایده توسط دانشمندان دیگر مورد انتقاد قرار گرفت و یادآور شدند که نیرو با سرعت و جرم مرتبط است، بنابراین ارزش آن نمی تواند بدون تغییر بماند.
در پایان قرن نوزدهم، مایر ایده های خود را در یک جزوه خلاصه کرد و سعی کرد مشکل واقعی گرما را حل کند. در آن زمان از قانون بقا و تبدیل انرژی چگونه استفاده می شد؟ در مکانیک، هیچ اتفاق نظری در مورد چگونگی به دست آوردن، تبدیل انرژی وجود نداشت، بنابراین این سوال تا پایان قرن نوزدهم باز ماند.
ویژگی قانون
قانون بقا و تبدیل انرژی یکی از قوانین اساسی است که اجازه می دهدشرایط خاصی برای اندازه گیری کمیت های فیزیکی به آن قانون اول ترمودینامیک می گویند که هدف اصلی آن حفظ این مقدار در یک سیستم ایزوله است.
قانون بقا و تبدیل انرژی وابستگی مقدار گرما را به عوامل مختلف ایجاد می کند. در طول مطالعات تجربی انجام شده توسط مایر، هلمهولتز، ژول، انواع مختلف انرژی متمایز شد: پتانسیل، جنبشی. ترکیب این گونه ها مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، حرارتی نامیده شد.
قانون بقا و تبدیل انرژی فرمول زیر را داشت: "تغییر انرژی جنبشی برابر است با تغییر انرژی پتانسیل."
Mayer به این نتیجه رسید که تمام انواع این کمیت می توانند به یکدیگر تبدیل شوند اگر مقدار کل گرما بدون تغییر باقی بماند.
بیان ریاضی
برای مثال، به عنوان یک بیان کمی از قانون، صنایع شیمیایی تعادل انرژی است.
قانون بقا و تبدیل انرژی بین مقدار انرژی حرارتی وارد شده به منطقه برهمکنش مواد مختلف با مقداری که از این منطقه خارج می شود رابطه برقرار می کند.
گذار از یک نوع انرژی به نوع دیگر به معنای ناپدید شدن آن نیست. خیر، فقط تبدیل او به شکل دیگری مشاهده می شود.
در عین حال، یک رابطه وجود دارد: کار - انرژی. قانون بقا و تبدیل انرژی ثابت بودن این کمیت (کل آن) را فرض می کندمقدار) برای هر فرآیندی که در یک سیستم ایزوله اتفاق می افتد. این نشان می دهد که در فرآیند انتقال از یک گونه به گونه دیگر، هم ارزی کمی مشاهده می شود. به منظور ارائه توصیف کمی از انواع مختلف حرکت، انرژی هسته ای، شیمیایی، الکترومغناطیسی، حرارتی در فیزیک معرفی شد.
جملات مدرن
امروز قانون بقا و تبدیل انرژی چگونه خوانده می شود؟ فیزیک کلاسیک یک نماد ریاضی از این اصل را در قالب یک معادله حالت تعمیم یافته برای یک سیستم بسته ترمودینامیکی ارائه می دهد:
W=Wk + Wp + U
این معادله نشان می دهد که کل انرژی مکانیکی یک سیستم بسته به عنوان مجموع انرژی های جنبشی، پتانسیل و درونی تعریف می شود.
قانون بقای و تبدیل انرژی که فرمول آن در بالا ارائه شد، تغییر ناپذیری این کمیت فیزیکی را در یک سیستم بسته توضیح می دهد.
عیب اصلی نمادهای ریاضی مربوط بودن آن فقط برای یک سیستم ترمودینامیکی بسته است.
سیستم های باز
اگر اصل افزایش ها را در نظر بگیریم، می توان قانون بقای انرژی را به سیستم های فیزیکی غیر بسته نیز تعمیم داد. این اصل نوشتن معادلات ریاضی مربوط به توصیف وضعیت سیستم را توصیه می کند، نه به صورت مطلق، بلکه در افزایش عددی آنها.
برای در نظر گرفتن کامل تمام اشکال انرژی، پیشنهاد شد که به معادله کلاسیک یک سیستم ایده آل اضافه شود.مجموع افزایش انرژی ناشی از تغییرات در وضعیت سیستم مورد تجزیه و تحلیل تحت تأثیر اشکال مختلف میدان است.
در نسخه تعمیم یافته، معادله حالت به صورت زیر است:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
این معادله کاملترین معادله در فیزیک مدرن در نظر گرفته می شود. این بود که اساس قانون بقا و تبدیل انرژی شد.
معنا
در علم هیچ استثنایی از این قانون وجود ندارد، این قانون بر همه پدیده های طبیعی حاکم است. بر اساس این فرض است که می توان فرضیه هایی را در مورد موتورهای مختلف از جمله رد واقعیت توسعه یک مکانیسم دائمی مطرح کرد. می توان از آن در همه مواردی استفاده کرد که لازم است انتقال یک نوع انرژی به نوع دیگر توضیح داده شود.
کاربردهای مکانیکی
قانون بقا و تبدیل انرژی در زمان حاضر چگونه خوانده می شود؟ ماهیت آن در انتقال یک نوع از این کمیت به دیگری نهفته است، اما در عین حال ارزش کلی آن بدون تغییر باقی می ماند. سیستم هایی که در آنها فرآیندهای مکانیکی انجام می شود محافظه کار نامیده می شوند. چنین سیستم هایی ایده آل هستند، یعنی نیروهای اصطکاک، انواع دیگر مقاومت که باعث اتلاف انرژی مکانیکی می شوند را در نظر نمی گیرند.
در یک سیستم محافظه کار، تنها انتقال متقابل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی اتفاق می افتد.
کار نیروهایی که در چنین سیستمی بر جسمی وارد می شوند به شکل مسیر ارتباطی ندارد. ارزش آنبستگی به موقعیت نهایی و اولیه بدن دارد. به عنوان نمونه ای از این نوع نیروها در فیزیک نیروی گرانش را در نظر بگیرید. در یک سیستم محافظه کار مقدار کار یک نیرو در یک مقطع بسته صفر است و قانون بقای انرژی به شکل زیر معتبر خواهد بود: «در یک سیستم بسته محافظه کار مجموع پتانسیل و انرژی جنبشی بدن‌هایی که سیستم را می‌سازند بدون تغییر باقی می‌مانند.»
به عنوان مثال، در مورد سقوط آزاد یک جسم، انرژی پتانسیل به شکل جنبشی تغییر می کند، در حالی که مقدار کل این انواع تغییر نمی کند.
در نتیجه
کار مکانیکی را می توان تنها راه انتقال متقابل حرکت مکانیکی به اشکال دیگر ماده در نظر گرفت.
این قانون در فناوری کاربرد پیدا کرده است. پس از خاموش شدن موتور خودرو، به تدریج انرژی جنبشی از دست می رود و به دنبال آن خودرو متوقف می شود. مطالعات نشان داده است که در این حالت مقدار معینی گرما آزاد می شود، بنابراین اجسام مالشی گرم می شوند و انرژی درونی آنها افزایش می یابد. در صورت اصطکاک یا هرگونه مقاومت در برابر حرکت، انتقال انرژی مکانیکی به مقدار داخلی مشاهده می شود که نشان دهنده درستی قانون است.
فرمول مدرن آن به نظر می رسد: "انرژی یک سیستم منزوی در هیچ جا ناپدید نمی شود، از هیچ جا ظاهر نمی شود. در هر پدیده ای که در سیستم وجود دارد، انتقال یک نوع انرژی به نوع دیگر وجود دارد، انتقال از جسمی به جسم دیگر، بدون اینکهتغییر کمی."
بعد از کشف این قانون، فیزیکدانان ایده ایجاد یک ماشین حرکت دائمی را ترک نمی کنند، که در آن، در یک چرخه بسته، تغییری در مقدار گرمای منتقل شده توسط سیستم ایجاد نشود. دنیای اطراف در مقایسه با گرمای دریافتی از خارج. چنین ماشینی می تواند به منبعی تمام نشدنی گرما تبدیل شود، راهی برای حل مشکل انرژی بشر.
