Das Erh altungs- und Energiewandlungsgesetz ist eines der wichtigsten Postulate der Physik. Betrachten Sie die Geschichte seines Aussehens sowie die Hauptanwendungsbereiche.
Verlaufsseiten
Lassen Sie uns zuerst herausfinden, wer das Gesetz der Erh altung und Umwandlung von Energie entdeckt hat. 1841 führten der englische Physiker Joule und der russische Wissenschaftler Lenz parallel Experimente durch, wodurch es den Wissenschaftlern gelang, den Zusammenhang zwischen mechanischer Arbeit und Wärme in der Praxis herauszufinden.
Zahlreiche Studien, die von Physikern in verschiedenen Teilen unseres Planeten durchgeführt wurden, haben die Entdeckung des Gesetzes der Erh altung und Umwandlung von Energie vorausbestimmt. In der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts gab der deutsche Wissenschaftler Mayer seine Formulierung. Der Wissenschaftler versuchte, alle damals vorhandenen Informationen über Elektrizität, mechanische Bewegung, Magnetismus und menschliche Physiologie zusammenzufassen.
Ungefähr zur gleichen Zeit äußerten Wissenschaftler in Dänemark, England und Deutschland ähnliche Gedanken.
Experimente mitWärme
Trotz der Vielf alt der Ideen zum Thema Wärme wurde nur dem russischen Wissenschaftler Mikhail Vasilyevich Lomonosov ein vollständiges Bild davon gegeben. Zeitgenossen unterstützten seine Ideen nicht, sie glaubten, dass Wärme nicht mit der Bewegung der kleinsten Teilchen verbunden ist, aus denen Materie besteht.
Das von Lomonossow vorgeschlagene Gesetz der Erh altung und Umwandlung mechanischer Energie wurde erst gestützt, nachdem Rumfoord im Verlauf von Experimenten die Bewegung von Teilchen innerhalb der Materie nachweisen konnte.
Um Wärme zu gewinnen, versuchte der Physiker Davy, Eis zu schmelzen, indem er zwei Eisstücke aneinander rieb. Er stellte eine Hypothese auf, nach der Wärme als Schwingungsbewegung von Materieteilchen angesehen wird.
Mayers Energieerh altungs- und Energieumwandlungsgesetz ging von der Unveränderlichkeit der Kräfte aus, die das Auftreten von Wärme verursachen. Diese Idee wurde von anderen Wissenschaftlern kritisiert, die daran erinnerten, dass Kraft mit Geschwindigkeit und Masse zusammenhängt und ihr Wert daher nicht unverändert bleiben kann.
Ende des 19. Jahrhunderts fasste Mayer seine Ideen in einer Broschüre zusammen und versuchte, das eigentliche Hitzeproblem zu lösen. Wie wurde damals das Gesetz der Erh altung und Umwandlung von Energie genutzt? In der Mechanik gab es keinen Konsens darüber, wie man Energie gewinnt, umwandelt, also blieb diese Frage bis zum Ende des 19. Jahrhunderts offen.
Merkmal des Gesetzes
Das Gesetz der Erh altung und der Energieumwandlung ist eines der grundlegenden Gesetze, die es erlaubenbestimmte Bedingungen, um physikalische Größen zu messen. Es wird der erste Hauptsatz der Thermodynamik genannt, dessen Hauptziel die Erh altung dieses Werts in einem isolierten System ist.
Das Energieerh altungs- und Umwandlungsgesetz legt die Abhängigkeit der Wärmemenge von verschiedenen Faktoren fest. Im Zuge experimenteller Studien von Mayer, Helmholtz, Joule wurden verschiedene Energiearten unterschieden: potentiell, kinetisch. Die Kombination dieser Arten wurde mechanisch, chemisch, elektrisch, thermisch genannt.
Das Energieerh altungs- und Umwandlungsgesetz hatte folgende Formulierung: "Die Änderung der kinetischen Energie ist gleich der Änderung der potentiellen Energie."
Mayer kam zu dem Schluss, dass alle Sorten dieser Menge in der Lage sind, sich ineinander umzuwandeln, wenn die Gesamtwärmemenge unverändert bleibt.
Mathematischer Ausdruck
Zum Beispiel ist die chemische Industrie als quantitativer Ausdruck des Gesetzes die Energiebilanz.
Das Energieerh altungs- und Umwandlungsgesetz stellt eine Beziehung her zwischen der Menge an Wärmeenergie, die in die Wechselwirkungszone verschiedener Substanzen eintritt, und der Menge, die diese Zone verlässt.
Der Übergang von einer Energieart zu einer anderen bedeutet nicht, dass sie verschwindet. Nein, nur ihre Verwandlung in eine andere Form wird beobachtet.
Gleichzeitig gibt es eine Beziehung: Arbeit - Energie. Das Gesetz der Energieerh altung und -umwandlung geht von der Konstanz dieser Größe (ihrer Summe) ausMenge) für alle Prozesse, die in einem isolierten System ablaufen. Dies weist darauf hin, dass beim Übergang von einer Art zur anderen eine quantitative Äquivalenz beobachtet wird. Um verschiedene Bewegungsarten quantitativ zu beschreiben, wurde in die Physik die nukleare, chemische, elektromagnetische, thermische Energie eingeführt.
Moderne Formulierung
Wie liest man heute das Gesetz der Erh altung und Umwandlung von Energie? Die klassische Physik bietet eine mathematische Notation dieses Postulats in Form einer verallgemeinerten Zustandsgleichung für ein thermodynamisches geschlossenes System an:
W=Wk + Wp + U
Diese Gleichung zeigt, dass die gesamte mechanische Energie eines geschlossenen Systems definiert ist als die Summe aus kinetischer, potentieller und innerer Energie.
Das Energieerh altungs- und Umwandlungsgesetz, dessen Formel oben dargestellt wurde, erklärt die Invarianz dieser physikalischen Größe in einem geschlossenen System.
Der Hauptnachteil der mathematischen Notation ist ihre Relevanz nur für ein geschlossenes thermodynamisches System.
Offene Systeme
Wenn wir das Prinzip der Inkremente berücksichtigen, ist es durchaus möglich, den Energieerh altungssatz auf nicht abgeschlossene physikalische Systeme auszudehnen. Dieses Prinzip empfiehlt, mathematische Gleichungen zur Beschreibung des Zustands des Systems nicht in absoluten Werten, sondern in ihren numerischen Inkrementen zu schreiben.
Um alle Energieformen vollständig zu berücksichtigen, wurde vorgeschlagen, die klassische Gleichung eines idealen Systems zu ergänzendie Summe der Energieinkremente, die durch Zustandsänderungen des analysierten Systems unter dem Einfluss verschiedener Feldformen verursacht werden.
In der verallgemeinerten Version lautet die Zustandsgleichung:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Diese Gleichung gilt als die vollständigste in der modernen Physik. Es wurde zur Grundlage des Gesetzes der Erh altung und Umwandlung von Energie.
Bedeutung
In der Wissenschaft gibt es keine Ausnahmen von diesem Gesetz, es regelt alle natürlichen Phänomene. Auf der Grundlage dieses Postulats kann man Hypothesen über verschiedene Motoren aufstellen, einschließlich der Widerlegung der Realität der Entwicklung eines ewigen Mechanismus. Es kann überall dort eingesetzt werden, wo es notwendig ist, die Übergänge von einer Energieart zur anderen zu erklären.
Mechanische Anwendungen
Wie liest man heute das Gesetz der Erh altung und Umwandlung von Energie? Ihr Wesen liegt im Übergang von einer Art dieser Größe zu einer anderen, aber gleichzeitig bleibt ihr Gesamtwert unverändert. Als konservativ werden Systeme bezeichnet, in denen mechanische Prozesse ablaufen. Solche Systeme sind idealisiert, das heißt, sie berücksichtigen keine Reibungskräfte, andere Arten von Widerständen, die eine Dissipation mechanischer Energie verursachen.
In einem konservativen System treten nur gegenseitige Übergänge von potentieller Energie in kinetische Energie auf.
Die Arbeit der Kräfte, die in einem solchen System auf einen Körper einwirken, hängt nicht mit der Form des Weges zusammen. Dessen Werthängt von der End- und Ausgangsposition des Körpers ab. Als Beispiel für Kräfte dieser Art in der Physik betrachten wir die Schwerkraft. In einem konservativen System ist der Wert der Arbeit einer Kraft in einem geschlossenen Abschnitt Null, und das Energieerh altungsgesetz gilt in der folgenden Form: „In einem konservativen geschlossenen System die Summe der potentiellen und kinetischen Energie der Körper, aus denen das System besteht, bleibt unverändert.“
Beispielsweise ändert sich beim freien Fall eines Körpers potentielle Energie in eine kinetische Form, während sich der Gesamtwert dieser Typen nicht ändert.
Zum Schluss
Mechanische Arbeit kann als der einzige Weg des wechselseitigen Übergangs mechanischer Bewegung in andere Materieformen angesehen werden.
Dieses Gesetz hat in der Technik Anwendung gefunden. Nach dem Abstellen des Automotors kommt es zu einem allmählichen Verlust an kinetischer Energie, gefolgt von einem Stopp des Fahrzeugs. Studien haben gezeigt, dass in diesem Fall eine gewisse Wärmemenge freigesetzt wird, wodurch sich die Reibkörper erwärmen und ihre innere Energie erhöhen. Bei Reibung oder jeglichem Bewegungswiderstand wird ein Übergang der mechanischen Energie in einen inneren Wert beobachtet, der die Richtigkeit des Gesetzes anzeigt.
Seine moderne Formulierung sieht so aus: „Die Energie eines isolierten Systems verschwindet nicht ins Nichts, taucht nicht aus dem Nichts auf. Bei allen Phänomenen, die innerhalb des Systems existieren, gibt es einen Übergang von einer Energieart zur anderen, eine Übertragung von einem Körper zum anderen, ohnequantitative Veränderung.“
Nach der Entdeckung dieses Gesetzes verlassen die Physiker nicht die Idee, ein Perpetuum mobile zu schaffen, bei dem sich in einem geschlossenen Kreislauf die vom System übertragene Wärmemenge nicht ändert der umgebenden Welt im Vergleich zu der von außen empfangenen Wärme. Eine solche Maschine könnte zu einer unerschöpflichen Wärmequelle werden, ein Weg, das Energieproblem der Menschheit zu lösen.
