La legge di conservazione e trasformazione dell'energia è uno dei postulati più importanti della fisica. Considera la storia del suo aspetto, nonché le principali aree di applicazione.
Pagine della cronologia
Per prima cosa, scopriamo chi ha scoperto la legge di conservazione e trasformazione dell'energia. Nel 1841, il fisico inglese Joule e lo scienziato russo Lenz condussero esperimenti in parallelo, a seguito dei quali gli scienziati riuscirono a scoprire in pratica la connessione tra lavoro meccanico e calore.
Numerosi studi condotti da fisici in diverse parti del nostro pianeta hanno predeterminato la scoperta della legge di conservazione e trasformazione dell'energia. A metà del diciannovesimo secolo, lo scienziato tedesco Mayer diede la sua formulazione. Lo scienziato ha cercato di riassumere tutte le informazioni su elettricità, movimento meccanico, magnetismo, fisiologia umana che esistevano in quel momento.
Intorno allo stesso periodo, pensieri simili sono stati espressi da scienziati in Danimarca, Inghilterra, Germania.
Esperimenti concalore
Nonostante la varietà di idee sul calore, un quadro completo di esso è stato dato solo allo scienziato russo Mikhail Vasilyevich Lomonosov. I contemporanei non sostenevano le sue idee, credevano che il calore non fosse associato al movimento delle particelle più piccole che compongono la materia.
La legge di conservazione e trasformazione dell'energia meccanica, proposta da Lomonosov, è stata supportata solo dopo che Rumfoord è riuscito a dimostrare la presenza del movimento delle particelle all'interno della materia nel corso degli esperimenti.
Per ottenere calore, il fisico Davy ha cercato di sciogliere il ghiaccio strofinando due pezzi di ghiaccio l'uno contro l' altro. Avanza un'ipotesi secondo la quale il calore è considerato un moto oscillatorio di particelle di materia.
La legge di Mayer di conservazione e trasformazione dell'energia presupponeva l'immutabilità delle forze che causano la comparsa del calore. Questa idea è stata criticata da altri scienziati, i quali hanno ricordato che la forza è correlata alla velocità e alla massa, quindi il suo valore non può rimanere invariato.
Alla fine del diciannovesimo secolo, Mayer riassunse le sue idee in un opuscolo e cercò di risolvere il vero problema del calore. Come si usava allora la legge di conservazione e trasformazione dell'energia? In meccanica non c'era consenso su come ottenere, trasformare l'energia, quindi questa domanda rimase aperta fino alla fine del diciannovesimo secolo.
Caratteristica della legge
La legge di conservazione e trasformazione dell'energia è una di quelle fondamentali, permettendodeterminate condizioni per misurare grandezze fisiche. Si chiama prima legge della termodinamica, il cui scopo principale è la conservazione di questo valore in un sistema isolato.
La legge di conservazione e trasformazione dell'energia stabilisce la dipendenza della quantità di calore da vari fattori. Nel corso degli studi sperimentali condotti da Mayer, Helmholtz, Joule si sono distinti vari tipi di energia: potenziale, cinetica. La combinazione di queste specie era chiamata meccanica, chimica, elettrica, termica.
La legge di conservazione e trasformazione dell'energia aveva la seguente formulazione: "La variazione dell'energia cinetica è uguale alla variazione dell'energia potenziale."
Mayer è giunto alla conclusione che tutte le varietà di questa quantità sono in grado di trasformarsi l'una nell' altra se la quantità totale di calore rimane invariata.
Espressione matematica
Ad esempio, come espressione quantitativa della legge, l'industria chimica è il bilancio energetico.
La legge di conservazione e trasformazione dell'energia stabilisce una relazione tra la quantità di energia termica che entra nella zona di interazione di varie sostanze, con la quantità che esce da questa zona.
Il passaggio da un tipo di energia all' altro non significa che scompaia. No, si osserva solo la sua trasformazione in un' altra forma.
Allo stesso tempo, c'è una relazione: lavoro - energia. La legge di conservazione e trasformazione dell'energia assume la costanza di questa quantità (il suo totalequantità) per tutti i processi che si verificano in un sistema isolato. Ciò indica che nel processo di transizione da una specie all' altra si osserva l'equivalenza quantitativa. Per dare una descrizione quantitativa dei diversi tipi di moto, in fisica è stata introdotta l'energia nucleare, chimica, elettromagnetica, termica.
Formazione moderna
Come viene letta oggi la legge di conservazione e trasformazione dell'energia? La fisica classica offre una notazione matematica di questo postulato sotto forma di un'equazione di stato generalizzata per un sistema termodinamico chiuso:
W=Sett + Wp + U
Questa equazione mostra che l'energia meccanica totale di un sistema chiuso è definita come la somma delle energie cinetiche, potenziali, interne.
La legge di conservazione e trasformazione dell'energia, la cui formula è stata presentata sopra, spiega l'invarianza di questa quantità fisica in un sistema chiuso.
Lo svantaggio principale della notazione matematica è la sua rilevanza solo per un sistema termodinamico chiuso.
Sistemi aperti
Se prendiamo in considerazione il principio degli incrementi, è del tutto possibile estendere la legge di conservazione dell'energia a sistemi fisici non chiusi. Questo principio raccomanda di scrivere equazioni matematiche relative alla descrizione dello stato del sistema, non in termini assoluti, ma nei loro incrementi numerici.
Per tenere pienamente conto di tutte le forme di energia, è stato proposto di aggiungere all'equazione classica di un sistema idealela somma degli incrementi di energia causati dai cambiamenti nello stato del sistema analizzato sotto l'influenza di varie forme del campo.
Nella versione generalizzata, l'equazione di stato è la seguente:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Questa equazione è considerata la più completa della fisica moderna. Fu così che divenne la base della legge di conservazione e trasformazione dell'energia.
Significato
Nella scienza non ci sono eccezioni a questa legge, essa governa tutti i fenomeni naturali. È sulla base di questo postulato che si possono avanzare ipotesi su vari motori, compresa la confutazione della re altà dello sviluppo di un meccanismo perpetuo. Può essere utilizzato in tutti i casi in cui è necessario spiegare le transizioni da un tipo di energia all' altro.
Applicazioni meccaniche
Come viene letta oggi la legge di conservazione e trasformazione dell'energia? La sua essenza sta nel passaggio da un tipo di questa quantità all' altro, ma allo stesso tempo il suo valore complessivo rimane invariato. Sono detti conservativi quei sistemi in cui vengono eseguite le lavorazioni meccaniche. Tali sistemi sono idealizzati, cioè non tengono conto delle forze di attrito, altri tipi di resistenza che causano la dissipazione dell'energia meccanica.
In un sistema conservativo, si verificano solo transizioni reciproche di energia potenziale in energia cinetica.
Il lavoro delle forze che agiscono su un corpo in un tale sistema non è correlato alla forma del percorso. Il suo valoredipende dalla posizione finale e iniziale del corpo. Come esempio di forze di questo tipo in fisica si consideri la forza di gravità. In un sistema conservativo, il valore del lavoro di una forza in una sezione chiusa è zero e la legge di conservazione dell'energia sarà valida nella forma seguente: In un sistema chiuso conservativo, la somma dell'energia potenziale e cinetica dei corpi che compongono il sistema rimane invariato.”
Ad esempio, nel caso di caduta libera di un corpo, l'energia potenziale cambia in una forma cinetica, mentre il valore totale di questi tipi non cambia.
In conclusione
Il lavoro meccanico può essere considerato l'unico modo di transizione reciproca del movimento meccanico in altre forme di materia.
Questa legge ha trovato applicazione nella tecnologia. Dopo aver spento il motore dell'auto, si verifica una graduale perdita di energia cinetica, seguita da un arresto del veicolo. Gli studi hanno dimostrato che in questo caso viene rilasciata una certa quantità di calore, quindi i corpi di sfregamento si riscaldano, aumentando la loro energia interna. In caso di attrito o di qualsiasi resistenza al movimento, si osserva una transizione dell'energia meccanica in un valore interno, che indica la correttezza della legge.
La sua formulazione moderna assomiglia a: “L'energia di un sistema isolato non scompare nel nulla, non appare dal nulla. In tutti i fenomeni che esistono all'interno del sistema, c'è una transizione di un tipo di energia a un altro, trasferimento da un corpo all' altro, senzacambiamento quantitativo.”
Dopo la scoperta di questa legge, i fisici non lasciano l'idea di creare una macchina a moto perpetuo, in cui, in un ciclo chiuso, non vi sarebbe alcuna variazione della quantità di calore ceduta dal sistema a il mondo circostante, rispetto al calore ricevuto dall'esterno. Una macchina del genere potrebbe diventare una fonte inesauribile di calore, un modo per risolvere il problema energetico dell'umanità.
