Энергияның сақталу және түрлену заңы физиканың маңызды постулаттарының бірі болып табылады. Оның пайда болу тарихын, сондай-ақ қолданудың негізгі салаларын қарастырыңыз.
Тарих беттері
Алдымен энергияның сақталу және түрлену заңын кім ашқанын анықтайық. 1841 жылы ағылшын физигі Джоуль мен орыс ғалымы Ленц параллельді тәжірибелер жүргізіп, нәтижесінде ғалымдар механикалық жұмыс пен жылу арасындағы байланысты іс жүзінде анықтай алды.
Ғаламшарымыздың әртүрлі бөліктерінде физиктер жүргізген көптеген зерттеулер энергияның сақталу және түрлену заңының ашылуын алдын ала анықтады. ХІХ ғасырдың ортасында неміс ғалымы Майер өз тұжырымын жасады. Ғалым электр, механикалық қозғалыс, магнетизм, адам физиологиясы туралы сол кездегі барлық мәліметтерді жинақтауға тырысты.
Дәл осы кезеңде Дания, Англия, Германия ғалымдары да осындай ойларды айтқан.
Тәжірибелержылу
Жылу туралы пікірлердің сан алуандығына қарамастан, оның толық бейнесі тек орыс ғалымы Михаил Васильевич Ломоносовқа берілген. Замандастары оның идеяларын қолдамады, олар жылу затты құрайтын ең кішкентай бөлшектердің қозғалысымен байланысты емес деп есептеді.
Ломоносов ұсынған механикалық энергияның сақталу және түрлену заңы Рамфурд тәжірибелер барысында заттың ішінде бөлшектердің қозғалысы бар екенін дәлелдей алған соң ғана қолдау тапты.
Жылу алу үшін физик Дэви екі мұз бөлігін бір-біріне үйкету арқылы мұзды ерітпек болды. Ол жылу зат бөлшектерінің тербелмелі қозғалысы ретінде қарастырылатын гипотезаны алға тартты.
Майердің энергияның сақталу және түрлену заңы жылудың пайда болуын тудыратын күштердің өзгермейтіндігін қабылдады. Бұл идеяны басқа ғалымдар сынап, күштің жылдамдық пен массаға байланысты екенін еске салды, сондықтан оның мәні өзгеріссіз қала алмайды.
ХІХ ғасырдың аяғында Майер өз идеяларын брошюрада жинақтап, жылу мәселесінің өзекті мәселесін шешуге тырысты. Сол кездегі энергияның сақталу және түрлену заңы қалай қолданылды? Механикада энергияны қалай алуға, түрлендіруге болатыны туралы консенсус болған жоқ, сондықтан бұл сұрақ он тоғызыншы ғасырдың соңына дейін ашық қалды.
Заңның ерекшелігі
Энергияның сақталу және түрлену заңы негізгі заңдардың бірі болып табылады.физикалық шамаларды өлшеудің белгілі бір шарттары. Ол термодинамиканың бірінші заңы деп аталады, оның негізгі объектісі оқшауланған жүйеде осы шаманың сақталуы болып табылады.
Энергияның сақталу және түрлену заңы жылу мөлшерінің әртүрлі факторларға тәуелділігін белгілейді. Майер, Гельмгольц, Джоуль жүргізген эксперименттік зерттеулер барысында энергияның әр түрлі түрлері ажыратылды: потенциалдық, кинетикалық. Бұл түрлердің қосындысы механикалық, химиялық, электрлік, жылулық деп аталды.
Энергияның сақталу және түрлену заңының мынадай тұжырымы болды: «Кинетикалық энергияның өзгеруі потенциалдық энергияның өзгеруіне тең.»
Майер бұл шаманың барлық сорттары жылудың жалпы мөлшері өзгеріссіз қалса, бір-біріне айналуға қабілетті деген қорытындыға келді.
Математикалық өрнек
Мысалы, заңның сандық көрінісі ретінде химия өнеркәсібі энергия балансы болып табылады.
Энергияның сақталу және түрлену заңы әртүрлі заттардың әрекеттесу аймағына түсетін жылу энергиясының мөлшері мен осы аймақтан шығатын шама арасындағы байланысты белгілейді.
Энергияның бір түрінен екіншісіне өту оның жоғалып кетуін білдірмейді. Жоқ, оның басқа пішінге ауысуы ғана байқалады.
Сонымен қатар өзара байланыс бар: жұмыс – энергия. Энергияның сақталу және түрлену заңы осы шаманың тұрақтылығын болжайды (оның жалпысаны) оқшауланған жүйеде болатын кез келген процестер үшін. Бұл бір түрден екінші түрге өту процесінде сандық эквиваленттілік байқалатынын көрсетеді. Әртүрлі қозғалыс түрлеріне сандық сипаттама беру үшін физикаға ядролық, химиялық, электромагниттік, жылу энергиясы енгізілді.
Заманауи сөз
Бүгінгі күні энергияның сақталу және түрлену заңы қалай оқылады? Классикалық физика термодинамикалық тұйық жүйе үшін күйдің жалпыланған теңдеуі түрінде осы постулаттың математикалық белгісін ұсынады:
W=Wk + Wp + U
Бұл теңдеу тұйық жүйенің толық механикалық энергиясы кинетикалық, потенциалдық, ішкі энергиялардың қосындысы ретінде анықталатынын көрсетеді.
Формула жоғарыда келтірілген энергияның сақталу және түрлену заңы осы физикалық шаманың тұйық жүйедегі өзгермейтіндігін түсіндіреді.
Математикалық белгілеудің негізгі кемшілігі оның тек тұйық термодинамикалық жүйеге қатыстылығы болып табылады.
Ашық жүйелер
Егер өсу принципін ескерсек, энергияның сақталу заңын тұйық емес физикалық жүйелерге де таратуға әбден болады. Бұл принцип жүйе күйін сипаттауға қатысты математикалық теңдеулерді абсолютті түрде емес, олардың сандық өсімдерімен жазуды ұсынады.
Энергияның барлық түрлерін толығымен есепке алу үшін идеалды жүйенің классикалық теңдеуіне қосу ұсынылды.өрістің әртүрлі формаларының әсерінен талданатын жүйе күйінің өзгеруінен туындайтын энергия өсімдерінің қосындысы.
Жалпыланған нұсқада күй теңдеуі келесідей:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Бұл теңдеу қазіргі физикада ең толық деп саналады. Бұл энергияның сақталу және түрлену заңының негізі болды.
Мағынасы
Ғылымда бұл заңнан ерекшелік жоқ, ол барлық табиғат құбылыстарын басқарады. Дәл осы постулаттың негізінде әртүрлі қозғалтқыштар туралы гипотезаларды, соның ішінде мәңгілік механизмнің дамуының ақиқаттығын жоққа шығаруға болады. Оны энергияның бір түрінің екіншісіне ауысуын түсіндіру қажет болған барлық жағдайларда қолдануға болады.
Механикалық қолданбалар
Қазіргі уақытта энергияның сақталу және түрлену заңы қалай оқылады? Оның мәні осы шаманың бір түрінің екіншісіне ауысуында жатыр, бірақ сонымен бірге оның жалпы мәні өзгеріссіз қалады. Механикалық процестер жүргізілетін жүйелер консервативті деп аталады. Мұндай жүйелер идеалдандырылған, яғни үйкеліс күштерін, механикалық энергияның диссипациясын тудыратын қарсылықтың басқа түрлерін есепке алмайды.
Консервативті жүйеде потенциалдық энергияның кинетикалық энергияға өзара ауысуы ғана болады.
Мұндай жүйедегі денеге әсер ететін күштердің жұмысы жолдың пішініне байланысты емес. Оның құндылығыдененің соңғы және бастапқы күйіне байланысты. Физикадағы мұндай күштердің мысалы ретінде ауырлық күшін қарастырайық. Консервативті жүйеде тұйық қимадағы күш жұмысының мәні нөлге тең, ал энергияның сақталу заңы келесі түрде жарамды болады: «Консервативті тұйық жүйеде потенциалдық және кинетикалық энергияның қосындысы. жүйені құрайтын денелердің саны өзгеріссіз қалады.”
Мысалы, дененің еркін құлауы кезінде потенциалдық энергия кинетикалық түрге ауысады, ал бұл түрлердің жалпы мәні өзгермейді.
Қорытынды
Механикалық жұмысты механикалық қозғалыстың материяның басқа формаларына өзара ауысуының жалғыз жолы ретінде қарастыруға болады.
Бұл заң технологияда қолданылды. Автокөлік қозғалтқышын өшіргеннен кейін кинетикалық энергияның біртіндеп жоғалуы байқалады, содан кейін көлік тоқтайды. Зерттеулер көрсеткендей, бұл жағдайда белгілі бір мөлшерде жылу бөлінеді, сондықтан үйкеліс денелері қызады, олардың ішкі энергиясын арттырады. Үйкеліс немесе қозғалысқа кез келген қарсылық жағдайында механикалық энергияның ішкі мәнге ауысуы байқалады, бұл заңның дұрыстығын көрсетеді.
Оның заманауи тұжырымы: «Оқшауланған жүйенің энергиясы ешқайда кетпейді, жоқ жерден пайда болмайды. Жүйе ішінде болатын кез келген құбылыстарда энергияның бір түрінің екінші түрге ауысуы, бір денеден екінші денеге ауысуы болады.сандық өзгеріс."
Осы заң ашылғаннан кейін физиктер тұйық циклде жүйенің жылу мөлшерінің өзгермейтін мәңгілік қозғалыс машинасын жасау идеясын қалдырмайды. сырттан келетін жылумен салыстырғанда қоршаған әлем. Мұндай машина жылудың сарқылмас көзіне, адамзаттың энергетикалық мәселесін шешудің тәсіліне айналуы мүмкін.
