Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը ֆիզիկայի կարևորագույն պոստուլատներից է։ Հաշվի առեք դրա տեսքի պատմությունը, ինչպես նաև կիրառման հիմնական ոլորտները:
Պատմության էջեր
Նախ, եկեք պարզենք, թե ով է հայտնաբերել էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը: 1841 թվականին անգլիացի ֆիզիկոս Ջուլը և ռուս գիտնական Լենցը զուգահեռաբար փորձեր են անցկացրել, որոնց արդյունքում գիտնականներին հաջողվել է գործնականում պարզել մեխանիկական աշխատանքի և ջերմության կապը։
Մեր մոլորակի տարբեր մասերում ֆիզիկոսների կողմից իրականացված բազմաթիվ հետազոտություններ կանխորոշեցին էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքի բացահայտումը: Տասնիններորդ դարի կեսերին գերմանացի գիտնական Մայերը տվեց իր ձևակերպումը. Գիտնականը փորձել է ամփոփել էլեկտրականության, մեխանիկական շարժման, մագնիսականության, մարդու ֆիզիոլոգիայի մասին այն ժամանակ գոյություն ունեցող ողջ տեղեկատվությունը։
Մոտավորապես նույն ժամանակահատվածում նմանատիպ մտքեր են արտահայտվել Դանիայի, Անգլիայի, Գերմանիայի գիտնականների կողմից։
Փորձեր հետջերմություն
Չնայած ջերմության մասին պատկերացումների բազմազանությանը, դրա ամբողջական պատկերը տրվել է միայն ռուս գիտնական Միխայիլ Վասիլևիչ Լոմոնոսովին։ Ժամանակակիցները չէին պաշտպանում նրա գաղափարները, նրանք կարծում էին, որ ջերմությունը կապված չէ նյութը կազմող ամենափոքր մասնիկների շարժման հետ։
Լոմոնոսովի առաջարկած մեխանիկական էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը հաստատվեց միայն այն բանից հետո, երբ Ռամֆորդին հաջողվեց փորձերի ընթացքում ապացուցել նյութի ներսում մասնիկների շարժման առկայությունը:
Ջերմություն ստանալու համար ֆիզիկոս Դեյվին փորձեց հալեցնել սառույցը՝ երկու կտոր սառույց քսելով միմյանց դեմ: Նա առաջ քաշեց մի վարկած, ըստ որի ջերմությունը համարվում էր նյութի մասնիկների տատանողական շարժում։
Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման Մայերի օրենքը ենթադրում էր այն ուժերի անփոփոխությունը, որոնք առաջացնում են ջերմության տեսք: Այս գաղափարը քննադատության է ենթարկվել այլ գիտնականների կողմից, ովքեր հիշեցրել են, որ ուժը կապված է արագության և զանգվածի հետ, հետևաբար դրա արժեքը չէր կարող անփոփոխ մնալ։
Տասնիններորդ դարի վերջում Մայերն ամփոփեց իր գաղափարները բրոշյուրում և փորձեց լուծել ջերմության բուն խնդիրը: Ինչպե՞ս էր այն ժամանակ օգտագործվում էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը: Մեխանիկայի մեջ կոնսենսուս չկար էներգիա ստանալու, փոխակերպելու վերաբերյալ, ուստի այս հարցը բաց մնաց մինչև տասնիններորդ դարի վերջը:
Օրենքի առանձնահատկությունը
Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը հիմնարարներից մեկն է, որը թույլ է տալիս.ֆիզիկական մեծությունները չափելու որոշակի պայմաններ. Այն կոչվում է թերմոդինամիկայի առաջին օրենք, որի հիմնական առարկան այս արժեքի պահպանումն է մեկուսացված համակարգում։
Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը սահմանում է ջերմության քանակի կախվածությունը տարբեր գործոններից: Մայերի, Հելմհոլցի, Ջոուլի կողմից իրականացված փորձարարական ուսումնասիրությունների ընթացքում առանձնացվել են էներգիայի տարբեր տեսակներ՝ պոտենցիալ, կինետիկ։ Այս տեսակների համակցությունը կոչվում էր մեխանիկական, քիմիական, էլեկտրական, ջերմային։
Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը ուներ հետևյալ ձևակերպումը. «Կինետիկ էներգիայի փոփոխությունը հավասար է պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը»:
Մայերը եկել է այն եզրակացության, որ այս քանակի բոլոր տեսակները կարող են փոխակերպվել միմյանց, եթե ջերմության ընդհանուր քանակությունը մնա անփոփոխ:
Մաթեմատիկական արտահայտություն
Օրինակ, որպես օրենքի քանակական արտահայտություն, քիմիական արդյունաբերությունը էներգիայի հաշվեկշիռն է։
Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը կապ է հաստատում տարբեր նյութերի փոխազդեցության գոտի մտնող ջերմային էներգիայի քանակի և այդ գոտուց դուրս եկած քանակի միջև։
Էներգիայի մի տեսակից մյուսին անցումը չի նշանակում, որ այն անհետանում է: Ոչ, նկատվում է միայն նրա փոխակերպումը այլ ձևի։
Միևնույն ժամանակ կա հարաբերություն՝ աշխատանք - էներգիա։ Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը ենթադրում է այս մեծության կայունությունը (դրա ընդհանուրքանակ) մեկուսացված համակարգում տեղի ունեցող ցանկացած գործընթացի համար: Սա վկայում է այն մասին, որ մի տեսակից մյուսին անցնելու գործընթացում նկատվում է քանակական համարժեքություն։ Շարժման տարբեր տեսակների քանակական նկարագրություն տալու համար ֆիզիկայում ներդրվել է միջուկային, քիմիական, էլեկտրամագնիսական, ջերմային էներգիա։
Ժամանակակից ձևակերպում
Ինչպե՞ս է այսօր կարդացվում էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը: Դասական ֆիզիկան առաջարկում է այս պոստուլատի մաթեմատիկական նշումը թերմոդինամիկական փակ համակարգի վիճակի ընդհանրացված հավասարման տեսքով՝
W=Wk + Wp + U
Այս հավասարումը ցույց է տալիս, որ փակ համակարգի ընդհանուր մեխանիկական էներգիան սահմանվում է որպես կինետիկ, պոտենցիալ, ներքին էներգիաների գումար:
Էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը, որի բանաձևը ներկայացվեց վերևում, բացատրում է այս ֆիզիկական մեծության անփոփոխությունը փակ համակարգում:
Մաթեմատիկական նշագրման հիմնական թերությունը դրա արդիականությունն է միայն փակ թերմոդինամիկական համակարգի համար:
Բաց համակարգեր
Եթե հաշվի առնենք հավելումների սկզբունքը, միանգամայն հնարավոր է էներգիայի պահպանման օրենքը տարածել ոչ փակ ֆիզիկական համակարգերի վրա։ Այս սկզբունքը խորհուրդ է տալիս համակարգի վիճակի նկարագրության հետ կապված մաթեմատիկական հավասարումներ գրել ոչ թե բացարձակ թվերով, այլ դրանց թվային հավելումներով:
Էներգիայի բոլոր ձևերը լիովին հաշվի առնելու համար առաջարկվեց ավելացնել իդեալական համակարգի դասական հավասարմանը.էներգիայի ավելացումների գումարը, որոնք առաջանում են վերլուծված համակարգի վիճակի փոփոխություններից՝ դաշտի տարբեր ձևերի ազդեցության տակ։
Ընդհանրացված տարբերակում վիճակի հավասարումը հետևյալն է.
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Այս հավասարումը համարվում է ամենաամբողջականը ժամանակակից ֆիզիկայում: Հենց դա դարձավ էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքի հիմքը։
Իմաստ
Գիտության մեջ այս օրենքից բացառություններ չկան, այն կարգավորում է բոլոր բնական երևույթները: Հենց այս պոստուլատի հիման վրա կարելի է տարբեր շարժիչների մասին վարկածներ առաջ քաշել, այդ թվում՝ հավերժական մեխանիզմի մշակման իրողության հերքումը։ Այն կարող է օգտագործվել բոլոր դեպքերում, երբ անհրաժեշտ է բացատրել էներգիայի մի տեսակի անցումները մյուսին։
Մեխանիկական կիրառություններ
Ինչպե՞ս է ընթերցվում էներգիայի պահպանման և փոխակերպման օրենքը ներկայումս: Դրա էությունը կայանում է նրանում, որ այս քանակի մի տեսակի անցումը մյուսին է, բայց միևնույն ժամանակ դրա ընդհանուր արժեքը մնում է անփոփոխ: Այն համակարգերը, որոնցում իրականացվում են մեխանիկական պրոցեսներ, կոչվում են պահպանողական։ Նման համակարգերը իդեալականացված են, այսինքն՝ հաշվի չեն առնում շփման ուժերը, դիմադրության այլ տեսակներ, որոնք առաջացնում են մեխանիկական էներգիայի ցրում։
Պահպանողական համակարգում տեղի է ունենում միայն պոտենցիալ էներգիայի փոխադարձ անցում դեպի կինետիկ էներգիա:
Այդպիսի համակարգում մարմնի վրա գործող ուժերի աշխատանքը կապված չէ ճանապարհի ձևի հետ: Դրա արժեքըկախված է մարմնի վերջնական և սկզբնական դիրքից: Որպես ֆիզիկայի այս տեսակի ուժերի օրինակ դիտարկենք ձգողության ուժը: Պահպանողական համակարգում փակ հատվածում ուժի աշխատանքի արժեքը զրո է, և էներգիայի պահպանման օրենքը կգործի հետևյալ ձևով. «Պահպանողական փակ համակարգում պոտենցիալ և կինետիկ էներգիայի գումարը. համակարգը կազմող մարմինները մնում են անփոփոխ»:
Օրինակ, մարմնի ազատ անկման դեպքում պոտենցիալ էներգիան փոխվում է կինետիկ ձևի, մինչդեռ այս տեսակների ընդհանուր արժեքը չի փոխվում։
Եզրակացություն
Մեխանիկական աշխատանքը կարելի է համարել որպես մեխանիկական շարժումը նյութի այլ ձևերի փոխադարձ անցման միակ միջոց։
Այս օրենքը կիրառություն է գտել տեխնոլոգիայի մեջ։ Ավտոմեքենայի շարժիչն անջատելուց հետո տեղի է ունենում կինետիկ էներգիայի աստիճանական կորուստ, որին հաջորդում է մեքենայի կանգառը: Հետազոտությունները ցույց են տվել, որ այս դեպքում որոշակի քանակությամբ ջերմություն է արտազատվում, հետևաբար՝ քսվող մարմինները տաքանում են՝ մեծացնելով նրանց ներքին էներգիան։ Շփման կամ շարժման ցանկացած դիմադրության դեպքում նկատվում է մեխանիկական էներգիայի անցում ներքին արժեքի, ինչը ցույց է տալիս օրենքի ճիշտությունը։
Նրա ժամանակակից ձևակերպումն այսպիսի տեսք ունի. «Մեկուսացված համակարգի էներգիան չի անհետանում ոչ մի տեղ, չի հայտնվում ոչ մի տեղից: Համակարգի ներսում գոյություն ունեցող ցանկացած երևույթի դեպքում տեղի է ունենում էներգիայի մի տեսակի անցում մյուսին, փոխանցում մի մարմնից մյուսը, առանցքանակական փոփոխություն»
Այս օրենքի բացահայտումից հետո ֆիզիկոսները չեն թողնում հավերժ շարժման մեքենա ստեղծելու գաղափարը, որի դեպքում փակ ցիկլում համակարգի կողմից փոխանցվող ջերմության քանակի փոփոխություն չի լինի։ շրջապատող աշխարհը՝ համեմատած դրսից ստացվող ջերմության հետ։ Նման մեքենան կարող է դառնալ ջերմության անսպառ աղբյուր, մարդկության էներգետիկ խնդիրը լուծելու միջոց։
