חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה הוא אחת ההנחות החשובות ביותר של הפיזיקה. שקול את ההיסטוריה של הופעתו, כמו גם את תחומי היישום העיקריים.
דפי היסטוריה
ראשית, בואו לגלות מי גילה את חוק השימור והשינוי של האנרגיה. בשנת 1841 ביצעו הפיזיקאי האנגלי ג'ול והמדען הרוסי לנץ ניסויים במקביל, שבעקבותיהם הצליחו המדענים לגלות הלכה למעשה את הקשר בין עבודה מכנית לחום.
מחקרים רבים שנערכו על ידי פיזיקאים בחלקים שונים של הפלנטה שלנו קבעו מראש את גילוי חוק השימור והשינוי של האנרגיה. באמצע המאה התשע-עשרה נתן המדען הגרמני מאייר את הניסוח שלו. המדען ניסה לסכם את כל המידע על חשמל, תנועה מכנית, מגנטיות, פיזיולוגיה אנושית שהיה קיים באותה תקופה.
בסביבות אותה תקופה, מחשבות דומות הובעו על ידי מדענים בדנמרק, אנגליה, גרמניה.
ניסויים עםחום
למרות מגוון הרעיונות הנוגעים לחום, תמונה מלאה שלו ניתנה רק למדען הרוסי מיכאיל וסילייביץ' לומונוסוב. בני זמננו לא תמכו ברעיונות שלו, הם האמינו שחום אינו קשור לתנועה של החלקיקים הקטנים ביותר שמרכיבים את החומר.
חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה מכנית, שהוצע על ידי לומונוסוב, נתמך רק לאחר שרומפורד הצליח להוכיח את נוכחותם של תנועה של חלקיקים בתוך החומר במהלך ניסויים.
כדי להשיג חום, הפיזיקאי דייווי ניסה להמיס קרח על ידי שפשוף שתי חתיכות קרח זו בזו. הוא הציג השערה לפיה חום נחשב כתנועה תנודה של חלקיקי חומר.
חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה של מאייר הניח את חוסר השינוי של הכוחות הגורמים להופעת חום. רעיון זה זכה לביקורת על ידי מדענים אחרים, שהזכירו שכוח קשור למהירות ולמסה, לכן, ערכו לא יכול להישאר ללא שינוי.
בסוף המאה התשע-עשרה, מאייר סיכם את רעיונותיו בחוברת וניסה לפתור את בעיית החום האמיתית. כיצד נעשה שימוש בחוק השימור וההתמרה של האנרגיה באותה תקופה? במכניקה, לא הייתה הסכמה לגבי איך להשיג, להפוך אנרגיה, ולכן השאלה הזו נשארה פתוחה עד סוף המאה התשע-עשרה.
תכונת החוק
חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה הוא אחד הבסיסיים שבהם, המאפשרתנאים מסוימים למדידת כמויות פיזיות. הוא נקרא החוק הראשון של התרמודינמיקה, שהמטרה העיקרית שלו היא שימור הערך הזה במערכת מבודדת.
חוק שימור ושינוי האנרגיה קובע את התלות של כמות החום בגורמים שונים. במהלך מחקרים ניסיוניים שנערכו על ידי מאייר, הלמהולץ, ג'ול, הובחנו סוגים שונים של אנרגיה: פוטנציאלית, קינטית. השילוב של המינים הללו נקרא מכאני, כימי, חשמלי, תרמי.
לחוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה היה הניסוח הבא: "השינוי באנרגיה הקינטית שווה לשינוי באנרגיה הפוטנציאלית."
מאייר הגיע למסקנה שכל הזנים בכמות זו מסוגלים להפוך זה לזה אם כמות החום הכוללת נשארת ללא שינוי.
ביטוי מתמטי
לדוגמה, כביטוי כמותי לחוק, התעשייה הכימית היא מאזן האנרגיה.
חוק השימור וההתמרה של האנרגיה קובע קשר בין כמות האנרגיה התרמית הנכנסת לאזור האינטראקציה של חומרים שונים, עם הכמות שיוצאת מאזור זה.
המעבר מסוג אחד של אנרגיה לאחר לא אומר שהיא נעלמת. לא, רק השינוי שלה לצורה אחרת נצפה.
יחד עם זאת, יש מערכת יחסים: עבודה - אנרגיה. חוק השימור וההתמרה של אנרגיה מניח את הקביעות של כמות זו (סך הכלכמות) עבור כל תהליכים המתרחשים במערכת מבודדת. זה מצביע על כך שבתהליך המעבר ממין אחד לאחר, נצפית שוויון כמותי. על מנת לתת תיאור כמותי של סוגי תנועה שונים, הוכנסה לפיזיקה אנרגיה גרעינית, כימית, אלקטרומגנטית, תרמית.
ניסוח מודרני
איך נקרא היום חוק שימור ושינוי האנרגיה? הפיזיקה הקלאסית מציעה סימון מתמטי של הנחה זו בצורה של משוואת מצב כללית עבור מערכת סגורה תרמודינמית:
W=Wk + Wp + U
משוואה זו מראה שסך האנרגיה המכנית של מערכת סגורה מוגדרת כסכום האנרגיות הקינטיות, הפוטנציאליות, הפנימיות.
חוק השימור והטרנספורמציה של אנרגיה, שנוסחתו הוצגה לעיל, מסביר את השונות של כמות פיזיקלית זו במערכת סגורה.
החיסרון העיקרי של סימון מתמטי הוא הרלוונטיות שלו רק עבור מערכת תרמודינמית סגורה.
מערכות פתוחות
אם ניקח בחשבון את עקרון התוספות, בהחלט אפשרי להרחיב את חוק שימור האנרגיה למערכות פיזיקליות לא סגורות. עקרון זה ממליץ לכתוב משוואות מתמטיות הקשורות לתיאור מצב המערכת, לא במונחים מוחלטים, אלא במרווחים המספריים שלהם.
כדי לקחת בחשבון באופן מלא את כל צורות האנרגיה, הוצע להוסיף למשוואה הקלאסית של מערכת אידיאליתסכום מרווחי האנרגיה שנגרמים משינויים במצב המערכת המנותחת בהשפעת צורות שונות של השדה.
בגרסה המוכללת, משוואת המצב היא כדלקמן:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
משוואה זו נחשבת לשלמה ביותר בפיזיקה המודרנית. זה היה שהפך לבסיס של חוק השימור והשינוי של האנרגיה.
משמעות
במדע אין חריגים לחוק הזה, הוא שולט בכל תופעות הטבע. על בסיס הנחה זו ניתן להעלות השערות לגבי מנועים שונים, לרבות הפרכת המציאות של התפתחות מנגנון תמידי. ניתן להשתמש בו בכל המקרים שבהם יש צורך להסביר את המעברים של סוג אנרגיה אחד לאחר.
יישומים מכניים
איך נקרא חוק השימור וההתמרה של אנרגיה בזמן הנוכחי? המהות שלו טמונה במעבר של סוג אחד של כמות זו לאחר, אך יחד עם זאת ערכו הכולל נותר ללא שינוי. המערכות שבהן מבוצעים תהליכים מכניים נקראות שמרניות. מערכות כאלה הן אידיאליות, כלומר אינן לוקחות בחשבון כוחות חיכוך, סוגים אחרים של התנגדות שגורמת לפיזור של אנרגיה מכנית.
במערכת שמרנית מתרחשים רק מעברים הדדיים של אנרגיה פוטנציאלית לאנרגיה קינטית.
עבודת הכוחות הפועלים על גוף במערכת כזו אינה קשורה לצורת השביל. זה ערךתלוי במיקום הסופי וההתחלתי של הגוף. כדוגמה לכוחות מסוג זה בפיזיקה קחו בחשבון את כוח הכבידה. במערכת שמרנית, ערך עבודתו של כוח בקטע סגור הוא אפס, וחוק שימור האנרגיה יהיה תקף בצורה הבאה: "במערכת סגורה שמרנית, סכום האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית. של הגופים המרכיבים את המערכת נשאר ללא שינוי."
לדוגמה, במקרה של נפילה חופשית של גוף, אנרגיה פוטנציאלית משתנה לצורה קינטית, בעוד שהערך הכולל של טיפוסים אלה אינו משתנה.
לסיכום
עבודה מכנית יכולה להיחשב כדרך היחידה למעבר הדדי של תנועה מכנית לצורות אחרות של חומר.
חוק זה מצא יישום בטכנולוגיה. לאחר כיבוי מנוע המכונית, חל איבוד הדרגתי של אנרגיה קינטית, ולאחר מכן עצירה של הרכב. מחקרים הראו שבמקרה זה משתחררת כמות מסוימת של חום, ולכן גופי השפשוף מתחממים ומגדילים את האנרגיה הפנימית שלהם. במקרה של חיכוך או כל התנגדות לתנועה, נצפה מעבר של אנרגיה מכנית לערך פנימי המעיד על נכונות החוק.
הניסוח המודרני שלה נראה כך: "האנרגיה של מערכת מבודדת לא נעלמת לשום מקום, לא מופיעה משום מקום. בכל תופעה שקיימת בתוך המערכת, יש מעבר של סוג אנרגיה אחד לאחר, העברה מגוף אחד לאחר, ללאשינוי כמותי."
לאחר גילוי החוק הזה, הפיזיקאים לא עוזבים את הרעיון של יצירת מכונת תנועה מתמדת, שבה, במחזור סגור, לא יהיה שינוי בכמות החום המועברת על ידי המערכת אל העולם שמסביב, בהשוואה לחום המתקבל מבחוץ. מכונה כזו עלולה להפוך למקור בלתי נדלה של חום, דרך לפתור את בעיית האנרגיה של האנושות.
