Zakon održanja i transformacije energije jedan je od najvažnijih postulata fizike. Razmotrite istoriju njegovog izgleda, kao i glavne oblasti primene.
Stranice istorije
Prvo, hajde da saznamo ko je otkrio zakon održanja i transformacije energije. Godine 1841. engleski fizičar Joule i ruski naučnik Lenz su paralelno vodili eksperimente, kao rezultat kojih su naučnici uspjeli da u praksi otkriju vezu između mehaničkog rada i topline.
Brojne studije koje su fizičari sproveli u različitim dijelovima naše planete predodredili su otkriće zakona održanja i transformacije energije. Sredinom devetnaestog veka, nemački naučnik Majer dao je svoju formulaciju. Naučnik je pokušao da sumira sve informacije o elektricitetu, mehaničkom kretanju, magnetizmu, ljudskoj fiziologiji koje su postojale u to vrijeme.
Približno u istom periodu, slična razmišljanja su izrazili naučnici u Danskoj, Engleskoj, Njemačkoj.
Eksperimenti satoplina
Uprkos raznolikosti ideja o toploti, potpunu sliku o tome dao je samo ruski naučnik Mihail Vasiljevič Lomonosov. Savremenici nisu podržavali njegove ideje, vjerovali su da toplina nije povezana s kretanjem najsitnijih čestica koje čine materiju.
Zakon održanja i transformacije mehaničke energije, koji je predložio Lomonosov, podržan je tek nakon što je Rumford uspeo da dokaže prisustvo kretanja čestica unutar materije tokom eksperimenata.
Da bi dobio toplotu, fizičar Davy je pokušao da otopi led trljajući dva komada leda jedan o drugi. Izneo je hipotezu prema kojoj se toplota smatra oscilatornim kretanjem čestica materije.
Mayerov zakon održanja i transformacije energije pretpostavljao je nepromjenjivost sila koje uzrokuju pojavu topline. Ovu ideju kritizirali su i drugi naučnici, koji su podsjetili da je sila povezana sa brzinom i masom, pa stoga njena vrijednost nije mogla ostati nepromijenjena.
Krajem devetnaestog veka, Mayer je sažeo svoje ideje u pamflet i pokušao da reši stvarni problem toplote. Kako se u to vrijeme koristio zakon održanja i transformacije energije? U mehanici nije postojao konsenzus o tome kako dobiti, transformisati energiju, pa je ovo pitanje ostalo otvoreno do kraja devetnaestog veka.
Obilježje zakona
Zakon održanja i transformacije energije jedan je od osnovnih, koji omogućavaodređene uslove za merenje fizičkih veličina. Zove se prvi zakon termodinamike, čiji je glavni cilj očuvanje ove vrijednosti u izolovanom sistemu.
Zakon održanja i transformacije energije uspostavlja zavisnost količine toplote od različitih faktora. U toku eksperimentalnih studija koje su proveli Mayer, Helmholtz, Joule, razlikovale su se različite vrste energije: potencijalna, kinetička. Kombinacija ovih vrsta nazvana je mehanička, hemijska, električna, termička.
Zakon održanja i transformacije energije imao je sljedeću formulaciju: "Promjena kinetičke energije jednaka je promjeni potencijalne energije."
Mayer je došao do zaključka da su sve varijante ove količine sposobne da se transformišu jedna u drugu ako ukupna količina toplote ostane nepromenjena.
Matematički izraz
Na primjer, kao kvantitativni izraz zakona, hemijska industrija je energetski bilans.
Zakon održanja i transformacije energije uspostavlja odnos između količine toplotne energije koja ulazi u zonu interakcije različitih supstanci, sa količinom koja napušta ovu zonu.
Prelazak sa jedne vrste energije na drugu ne znači da ona nestaje. Ne, posmatra se samo njena transformacija u drugi oblik.
Istovremeno postoji odnos: rad - energija. Zakon održanja i transformacije energije pretpostavlja konstantnost ove količine (njenog ukupnogkoličina) za sve procese koji se odvijaju u izolovanom sistemu. To ukazuje da se u procesu prijelaza s jedne vrste na drugu uočava kvantitativna ekvivalencija. Da bi se dali kvantitativni opis različitih tipova kretanja, u fiziku je uvedena nuklearna, hemijska, elektromagnetna, toplotna energija.
Moderan izraz
Kako se danas čita zakon održanja i transformacije energije? Klasična fizika nudi matematičku notaciju ovog postulata u obliku generalizirane jednadžbe stanja za termodinamički zatvoreni sistem:
W=Wk + Wp + U
Ova jednačina pokazuje da je ukupna mehanička energija zatvorenog sistema definisana kao zbir kinetičkih, potencijalnih, unutrašnjih energija.
Zakon održanja i transformacije energije, čija je formula gore predstavljena, objašnjava nepromjenjivost ove fizičke veličine u zatvorenom sistemu.
Glavni nedostatak matematičke notacije je njena relevantnost samo za zatvoreni termodinamički sistem.
Otvoreni sistemi
Ako uzmemo u obzir princip inkremenata, sasvim je moguće proširiti zakon održanja energije na nezatvorene fizičke sisteme. Ovaj princip preporučuje pisanje matematičkih jednačina koje se odnose na opis stanja sistema, ne u apsolutnim terminima, već u njihovim brojčanim priraštajima.
Da bi se u potpunosti uzeli u obzir svi oblici energije, predloženo je dodavanje klasičnoj jednadžbi idealnog sistemazbir energetskih priraštaja koji su uzrokovani promjenama stanja analiziranog sistema pod uticajem različitih oblika polja.
U generaliziranoj verziji, jednadžba stanja je sljedeća:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ova jednačina se smatra najpotpunijom u modernoj fizici. To je postalo osnova zakona održanja i transformacije energije.
Značenje
U nauci nema izuzetaka od ovog zakona, on reguliše sve prirodne pojave. Na osnovu ovog postulata mogu se postaviti hipoteze o različitim motorima, uključujući i pobijanje realnosti razvoja vječnog mehanizma. Može se koristiti u svim slučajevima kada je potrebno objasniti prelaze jedne vrste energije u drugu.
Mehaničke primjene
Kako se u današnje vrijeme čita zakon održanja i transformacije energije? Njegova suština leži u prelasku jedne vrste ove količine u drugu, ali istovremeno njena ukupna vrijednost ostaje nepromijenjena. Oni sistemi u kojima se izvode mehanički procesi nazivaju se konzervativni. Takvi sistemi su idealizirani, odnosno ne uzimaju u obzir sile trenja, druge vrste otpora koji uzrokuju disipaciju mehaničke energije.
U konzervativnom sistemu se dešavaju samo međusobni prelazi potencijalne energije u kinetičku energiju.
Rad sila koje djeluju na tijelo u takvom sistemu nije povezan sa oblikom putanje. Njegova vrijednostzavisi od konačnog i početnog položaja tela. Kao primjer sila ove vrste u fizici razmotrite silu gravitacije. U konzervativnom sistemu, vrednost rada sile u zatvorenom preseku je nula, a zakon održanja energije važiće u sledećem obliku: „U konzervativnom zatvorenom sistemu, zbir potencijalne i kinetičke energije tijela koja čine sistem ostaje nepromijenjena.”
Na primjer, u slučaju slobodnog pada tijela, potencijalna energija prelazi u kinetički oblik, dok se ukupna vrijednost ovih tipova ne mijenja.
U zaključku
Mehanički rad se može smatrati jedinim načinom međusobnog prelaska mehaničkog kretanja u druge oblike materije.
Ovaj zakon je našao primenu u tehnologiji. Nakon gašenja motora automobila dolazi do postepenog gubitka kinetičke energije, nakon čega dolazi do zaustavljanja vozila. Istraživanja su pokazala da se u ovom slučaju oslobađa određena količina topline, pa se tijela koja trljaju zagrijavaju, povećavajući njihovu unutrašnju energiju. U slučaju trenja ili bilo kakvog otpora kretanju, uočava se prijelaz mehaničke energije u unutrašnju vrijednost, što ukazuje na ispravnost zakona.
Njegova moderna formulacija izgleda ovako: „Energija izolovanog sistema ne nestaje niotkuda, ne pojavljuje se niotkuda. U bilo kojoj pojavi koja postoji u sistemu, dolazi do prelaska jedne vrste energije u drugu, prelaska sa jednog tela na drugo, bezkvantitativna promjena.”
Nakon otkrića ovog zakona, fizičari ne napuštaju ideju o stvaranju perpetualnog motora, u kojem, u zatvorenom ciklusu, ne bi došlo do promjene količine toplote koju sistem prenosi na okolnog svijeta, u poređenju sa toplinom primljenom izvana. Takva mašina bi mogla da postane nepresušni izvor toplote, način da se reši energetski problem čovečanstva.
