Zakon održanja i transformacije energije jedan je od najvažnijih postulata fizike. Razmotrite povijest njegovog izgleda, kao i glavna područja primjene.
Povijesne stranice
Prvo, otkrijmo tko je otkrio zakon održanja i transformacije energije. Godine 1841. engleski fizičar Joule i ruski znanstvenik Lenz paralelno su provodili eksperimente, zbog čega su znanstvenici uspjeli u praksi otkriti vezu između mehaničkog rada i topline.
Brojne studije koje su fizičari proveli u različitim dijelovima našeg planeta unaprijed su odredili otkriće zakona održanja i transformacije energije. Sredinom devetnaestog stoljeća njemački znanstvenik Mayer dao je svoju formulaciju. Znanstvenik je pokušao sažeti sve informacije o elektricitetu, mehaničkom kretanju, magnetizmu, ljudskoj fiziologiji koje su postojale u to vrijeme.
Približno u istom razdoblju, slična razmišljanja iznijeli su znanstvenici u Danskoj, Engleskoj, Njemačkoj.
Eksperimenti satoplina
Unatoč raznolikosti ideja o toplini, potpunu sliku o njoj dao je samo ruski znanstvenik Mihail Vasiljevič Lomonosov. Suvremenici 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 Rumfoord uspio dokazati prisutnost gibanja čestica unutar materije tijekom eksperimenata.
Da bi dobio toplinu, fizičar Davy pokušao je otopiti led trljajući dva komada leda jedan o drugi. Iznio je hipotezu prema kojoj se toplina 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 znanstvenici, koji su podsjetili da je sila povezana s brzinom i masom, stoga njena vrijednost nije mogla ostati nepromijenjena.
Krajem devetnaestog stoljeća, Mayer je sažeo svoje ideje u pamflet i pokušao riješiti stvarni problem topline. Kako se u to vrijeme koristio zakon održanja i transformacije energije? U mehanici nije postojao konsenzus o tome kako dobiti, transformirati energiju, pa je ovo pitanje ostalo otvoreno do kraja devetnaestog stoljeća.
Obilježje zakona
Zakon održanja i transformacije energije jedan je od temeljnih, koji dopuštaodređene uvjete za mjerenje fizikalnih veličina. Zove se prvi zakon termodinamike, čiji je glavni cilj očuvanje ove vrijednosti u izoliranom sustavu.
Zakon održanja i transformacije energije utvrđuje ovisnost količine topline o različitim čimbenicima. Tijekom eksperimentalnih studija koje su proveli Mayer, Helmholtz, Joule, razlikovale su se različite vrste energije: potencijalna, kinetička. Kombinacija ovih vrsta nazvana je mehanička, kemijska, električna, toplinska.
Zakon održanja i transformacije energije imao je sljedeću formulaciju: "Promjena kinetičke energije jednaka je promjeni potencijalne energije."
Mayer je došao do zaključka da se sve varijante ove količine mogu transformirati jedna u drugu ako ukupna količina topline ostane nepromijenjena.
Matematički izraz
Na primjer, kao kvantitativni izraz zakona, kemijska industrija je energetska bilanca.
Zakon očuvanja i transformacije energije uspostavlja odnos između količine toplinske energije koja ulazi u zonu interakcije različitih tvari, s količinom koja napušta ovu zonu.
Prijelaz s jedne vrste energije na drugu ne znači da ona nestaje. Ne, promatra se samo njezina transformacija u drugi oblik.
Istovremeno postoji odnos: rad - energija. Zakon održanja i transformacije energije pretpostavlja konstantnost ove količine (njezinu ukupnukoličina) za sve procese koji se odvijaju u izoliranom sustavu. To ukazuje da se u procesu prijelaza s jedne vrste na drugu uočava kvantitativna ekvivalencija. Kako bi se dali kvantitativni opis različitih vrsta kretanja, u fiziku je uvedena nuklearna, kemijska, elektromagnetska, toplinska energija.
Moderan izraz
Kako se danas čita zakon održanja i transformacije energije? Klasična fizika nudi matematički zapis ovog postulata u obliku generalizirane jednadžbe stanja za termodinamički zatvoreni sustav:
W=Wk + Wp + U
Ova jednadžba pokazuje da je ukupna mehanička energija zatvorenog sustava definirana kao zbroj kinetičkih, potencijalnih, unutarnjih energija.
Zakon održanja i transformacije energije, čija je formula gore predstavljena, objašnjava nepromjenjivost ove fizičke veličine u zatvorenom sustavu.
Glavni nedostatak matematičke notacije je njezina relevantnost samo za zatvoreni termodinamički sustav.
Otvoreni sustavi
Ako uzmemo u obzir princip inkremenata, sasvim je moguće proširiti zakon održanja energije na nezatvorene fizičke sustave. Ovaj princip preporučuje pisanje matematičkih jednadžbi povezanih s opisom stanja sustava, ne u apsolutnim izrazima, već u njihovim brojčanim prirastima.
Da bi se u potpunosti uzeli u obzir svi oblici energije, predloženo je dodati klasičnoj jednadžbi idealnog sustavazbroj energetskih prirasta koji su uzrokovani promjenama stanja analiziranog sustava pod utjecajem različitih oblika polja.
U generaliziranoj verziji, jednadžba stanja je sljedeća:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ova se jednadžba smatra najpotpunijom u modernoj fizici. Upravo je to postao temelj zakona održanja i transformacije energije.
Značenje
U znanosti nema izuzetaka od ovog zakona, on upravlja svim prirodnim pojavama. Na temelju ovog postulata mogu se postaviti hipoteze o raznim motorima, uključujući i pobijanje stvarnosti razvoja vječnog mehanizma. Može se koristiti u svim slučajevima kada je potrebno objasniti prijelaze jedne vrste energije u drugu.
Mehaničke primjene
Kako se u današnje vrijeme čita zakon održanja i transformacije energije? Njegova je suština u prijelazu jedne vrste ove količine u drugu, ali u isto vrijeme njegova ukupna vrijednost ostaje nepromijenjena. Oni sustavi u kojima se provode mehanički procesi nazivaju se konzervativni. Takvi sustavi su idealizirani, odnosno ne uzimaju u obzir sile trenja, druge vrste otpora koji uzrokuju disipaciju mehaničke energije.
U konzervativnom sustavu događaju se samo međusobni prijelazi potencijalne energije u kinetičku.
Rad sila koje djeluju na tijelo u takvom sustavu nije povezan s oblikom puta. Njegova vrijednostovisi o konačnom i početnom položaju tijela. Kao primjer sila ove vrste u fizici razmotrite silu gravitacije. U konzervativnom sustavu vrijednost rada sile u zatvorenom presjeku je nula, a zakon održanja energije vrijedit će u sljedećem obliku: „U konzervativnom zatvorenom sustavu, zbroj potencijalne i kinetičke energije tijela koja čine sustav ostaje nepromijenjena.”
Na primjer, u slučaju slobodnog pada tijela, potencijalna energija prelazi u kinetički oblik, dok se ukupna vrijednost ovih tipova ne mijenja.
Zaključak
Mehanički rad se može smatrati jedinim načinom međusobnog prijelaza mehaničkog gibanja u druge oblike materije.
Ovaj zakon je našao primjenu u tehnologiji. Nakon gašenja motora automobila dolazi do postupnog 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 unutarnju energiju. U slučaju trenja ili bilo kakvog otpora kretanju, uočava se prijelaz mehaničke energije u unutarnju vrijednost, što ukazuje na ispravnost zakona.
Njegova moderna formulacija izgleda ovako: “Energija izoliranog sustava ne nestaje niotkuda, ne pojavljuje se niotkuda. U svim pojavama koje postoje unutar sustava, dolazi do prijelaza jedne vrste energije u drugu, prijenosa s jednog tijela na drugo, bezkvantitativna promjena.”
Nakon otkrića ovog zakona, fizičari ne napuštaju ideju stvaranja perpetual motion machine, u kojem, u zatvorenom ciklusu, ne bi došlo do promjene količine topline koju sustav prenosi na okolni svijet, u usporedbi s toplinom primljenom izvana. Takav stroj mogao bi postati nepresušni izvor topline, način da se riješi energetski problem čovječanstva.
