يعتبر قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها من أهم المسلمات في الفيزياء. ضع في اعتبارك تاريخ مظهره ، وكذلك المجالات الرئيسية للتطبيق.
صفحات التاريخ
أولاً ، دعنا نتعرف على من اكتشف قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها. في عام 1841 ، أجرى الفيزيائي الإنجليزي جول والعالم الروسي لينز تجارب بالتوازي ، ونتيجة لذلك تمكن العلماء من معرفة العلاقة بين العمل الميكانيكي والحرارة عمليًا.
العديد من الدراسات التي أجراها علماء الفيزياء في أجزاء مختلفة من كوكبنا حددت مسبقًا اكتشاف قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها. في منتصف القرن التاسع عشر ، أعطى العالم الألماني ماير صيغته. حاول العالم تلخيص جميع المعلومات حول الكهرباء ، والحركة الميكانيكية ، والمغناطيسية ، وعلم وظائف الأعضاء البشرية التي كانت موجودة في ذلك الوقت.
في نفس الفترة تقريبًا ، أعرب علماء في الدنمارك وإنجلترا وألمانيا عن أفكار مماثلة.
تجارب معالدفء
على الرغم من تنوع الأفكار المتعلقة بالحرارة ، لم تُعط الصورة الكاملة لها إلا للعالم الروسي ميخائيل فاسيليفيتش لومونوسوف. لم يدعم المعاصرون أفكاره ، فقد اعتقدوا أن الحرارة لا ترتبط بحركة أصغر الجسيمات التي تتكون منها المادة.
تم دعم قانون حفظ وتحويل الطاقة الميكانيكية ، الذي اقترحه لومونوسوف ، فقط بعد أن تمكن رومفورد من إثبات وجود حركة الجسيمات داخل المادة أثناء التجارب.
للحصول على الحرارة ، حاول الفيزيائي ديفي إذابة الجليد عن طريق فرك قطعتين من الثلج ببعضهما البعض. لقد طرح فرضية مفادها أن الحرارة تعتبر حركة تذبذبية لجزيئات المادة.
يفترض قانون ماير لحفظ وتحويل الطاقة ثبات القوى التي تسبب ظهور الحرارة. انتقد علماء آخرون هذه الفكرة ، وذكّروا أن القوة مرتبطة بالسرعة والكتلة ، وبالتالي لا يمكن أن تظل قيمتها كما هي.
في نهاية القرن التاسع عشر ، لخص ماير أفكاره في كتيب وحاول حل مشكلة الحرارة الفعلية. كيف تم استخدام قانون حفظ وتحويل الطاقة في ذلك الوقت؟ في الميكانيكا ، لم يكن هناك إجماع حول كيفية الحصول على الطاقة وتحويلها ، لذلك ظل هذا السؤال مفتوحًا حتى نهاية القرن التاسع عشر.
سمة من سمات القانون
قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها هو أحد القوانين الأساسية التي تسمح بذلكشروط معينة لقياس الكميات الفيزيائية. يطلق عليه القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والهدف الرئيسي منه هو الحفاظ على هذه القيمة في نظام معزول.
يحدد قانون حفظ الطاقة وتحويلها اعتماد كمية الحرارة على عوامل مختلفة. في سياق الدراسات التجريبية التي أجراها ماير ، هيلمهولتز ، جول ، تميزت أنواع مختلفة من الطاقة: المحتملة ، الحركية. كان الجمع بين هذه الأنواع يسمى الميكانيكية والكيميائية والكهربائية والحرارية.
قانون حفظ الطاقة وتحويلها له الصيغة التالية: "التغيير في الطاقة الحركية يساوي التغير في الطاقة الكامنة."
توصل ماير إلى استنتاج مفاده أن جميع أنواع هذه الكمية قادرة على التحول إلى بعضها البعض إذا ظل المقدار الإجمالي للحرارة دون تغيير.
تعبير رياضي
على سبيل المثال ، كتعبير كمي للقانون ، فإن الصناعة الكيميائية هي توازن الطاقة.
يؤسس قانون حفظ الطاقة وتحويلها علاقة بين كمية الطاقة الحرارية التي تدخل منطقة تفاعل المواد المختلفة ، مع المقدار الذي يترك هذه المنطقة.
الانتقال من نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر لا يعني أنها تختفي. لا ، لوحظ فقط تحولها إلى شكل آخر.
في نفس الوقت ، هناك علاقة: العمل - الطاقة. يفترض قانون حفظ وتحويل الطاقة ثبات هذه الكمية (مجموعهاالكمية) لأي عمليات تحدث في نظام منعزل. يشير هذا إلى أنه في عملية الانتقال من نوع إلى آخر ، يتم ملاحظة التكافؤ الكمي. من أجل إعطاء وصف كمي لأنواع مختلفة من الحركة ، تم إدخال الطاقة الحرارية النووية والكيميائية والكهرومغناطيسية في الفيزياء.
الصياغة الحديثة
كيف يُقرأ قانون حفظ الطاقة وتحويلها اليوم؟ تقدم الفيزياء الكلاسيكية تدوينًا رياضيًا لهذا الافتراض في شكل معادلة معممة للحالة لنظام مغلق بالديناميكا الحرارية:
W=أسبوع + Wp + U
توضح هذه المعادلة أن إجمالي الطاقة الميكانيكية لنظام مغلق يتم تعريفه على أنه مجموع الطاقات الحركية ، والجهد ، والداخلية.
يشرح قانون حفظ الطاقة وتحويلها ، الذي تم تقديم صيغته أعلاه ، ثبات هذه الكمية المادية في نظام مغلق.
العيب الرئيسي للتدوين الرياضي هو ملاءمته فقط لنظام ديناميكي حراري مغلق.
أنظمة مفتوحة
إذا أخذنا في الاعتبار مبدأ الزيادات ، فمن الممكن تمامًا توسيع قانون الحفاظ على الطاقة ليشمل الأنظمة الفيزيائية غير المغلقة. يوصي هذا المبدأ بكتابة معادلات رياضية تتعلق بوصف حالة النظام ، ليس من حيث القيمة المطلقة ، ولكن بزياداتها العددية.
لمراعاة جميع أشكال الطاقة بشكل كامل ، تم اقتراح إضافة إلى المعادلة الكلاسيكية لنظام مثاليمجموع زيادات الطاقة الناتجة عن التغيرات في حالة النظام الذي تم تحليله تحت تأثير الأشكال المختلفة للمجال.
في النسخة المعممة تكون معادلة الحالة كالتالي:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
تعتبر هذه المعادلة الأكثر اكتمالا في الفيزياء الحديثة. لقد أصبح أساس قانون الحفاظ على الطاقة وتحويلها.
المعنى
في العلم لا استثناءات لهذا القانون فهو يحكم كل الظواهر الطبيعية. على أساس هذه الفرضية يمكن للمرء أن يطرح فرضيات حول محركات مختلفة ، بما في ذلك دحض حقيقة تطوير آلية دائمة. يمكن استخدامه في جميع الحالات حيث يكون من الضروري شرح انتقالات نوع من الطاقة إلى نوع آخر.
التطبيقات الميكانيكية
كيف يُقرأ قانون حفظ الطاقة وتحويلها في الوقت الحاضر؟ يكمن جوهرها في انتقال نوع من هذه الكمية إلى نوع آخر ، ولكن في نفس الوقت تظل قيمتها الإجمالية دون تغيير. تسمى تلك الأنظمة التي يتم فيها تنفيذ العمليات الميكانيكية بالمحافظة. تعتبر هذه الأنظمة مثالية ، أي أنها لا تأخذ في الاعتبار قوى الاحتكاك ، وأنواع المقاومة الأخرى التي تسبب تبديد الطاقة الميكانيكية.
في النظام المحافظ ، تحدث فقط انتقالات متبادلة للطاقة الكامنة إلى طاقة حركية.
عمل القوى التي تعمل على جسم في مثل هذا النظام لا علاقة له بشكل المسار. قيمتهيعتمد على الوضع النهائي والأولي للجسم. كمثال لقوى من هذا النوع في الفيزياء ، فكر في قوة الجاذبية. في النظام المحافظ ، تكون قيمة عمل القوة في قسم مغلق صفرًا ، وسيكون قانون حفظ الطاقة ساريًا بالشكل التالي: "في نظام مغلق محافظ ، مجموع الطاقة الكامنة والحركية من الهيئات التي يتألف منها النظام لم يتغير ".
على سبيل المثال ، في حالة السقوط الحر للجسم ، تتغير الطاقة الكامنة إلى شكل حركي ، بينما لا تتغير القيمة الإجمالية لهذه الأنواع.
في الختام
يمكن اعتبار العمل الميكانيكي هو الطريقة الوحيدة للانتقال المتبادل للحركة الميكانيكية إلى أشكال أخرى من المادة.
وجد هذا القانون تطبيقًا في التكنولوجيا. بعد إيقاف تشغيل محرك السيارة ، يحدث فقدان تدريجي للطاقة الحركية ، يتبعه توقف للمركبة. أظهرت الدراسات أنه في هذه الحالة ، يتم إطلاق قدر معين من الحرارة ، وبالتالي تسخن أجسام الاحتكاك ، مما يزيد من طاقتها الداخلية. في حالة الاحتكاك أو أي مقاومة للحركة ، يتم ملاحظة انتقال الطاقة الميكانيكية إلى قيمة داخلية ، مما يشير إلى صحة القانون.
تبدو صيغتها الحديثة كما يلي: "طاقة النظام المعزول لا تختفي في أي مكان ، ولا تظهر من العدم. في أي ظواهر موجودة داخل النظام ، هناك انتقال لنوع من الطاقة إلى نوع آخر ، ينتقل من جسم إلى آخر ، بدونالتغيير الكمي."
بعد اكتشاف هذا القانون ، لا يترك الفيزيائيون فكرة إنشاء آلة الحركة الدائمة ، والتي ، في دورة مغلقة ، لن يكون هناك تغيير في كمية الحرارة المنقولة بواسطة النظام إلى العالم المحيط ، مقارنة بالحرارة الواردة من الخارج. يمكن أن تصبح مثل هذه الآلة مصدرًا لا ينضب للحرارة ، وطريقة لحل مشكلة الطاقة للبشرية.
