Hukum pemuliharaan dan perubahan tenaga adalah salah satu postulat fizik yang paling penting. Pertimbangkan sejarah penampilannya, serta kawasan aplikasi utama.
Halaman Sejarah
Pertama, mari kita ketahui siapa yang menemui undang-undang pemuliharaan dan transformasi tenaga. Pada tahun 1841, ahli fizik Inggeris Joule dan saintis Rusia Lenz menjalankan eksperimen secara selari, hasilnya para saintis berjaya mengetahui secara praktikal hubungan antara kerja mekanikal dan haba.
Banyak kajian yang dijalankan oleh ahli fizik di bahagian berlainan di planet kita telah menentukan penemuan undang-undang pemuliharaan dan transformasi tenaga. Pada pertengahan abad kesembilan belas, saintis Jerman Mayer memberikan rumusannya. Saintis cuba meringkaskan semua maklumat tentang elektrik, pergerakan mekanikal, kemagnetan, fisiologi manusia yang wujud pada masa itu.
Sekitar tempoh yang sama, pemikiran yang sama telah dinyatakan oleh saintis di Denmark, England, Jerman.
Eksperimen dengankehangatan
Walaupun terdapat pelbagai idea mengenai haba, gambaran lengkap mengenainya hanya diberikan kepada saintis Rusia Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Orang sezaman tidak menyokong ideanya, mereka percaya haba tidak dikaitkan dengan pergerakan zarah terkecil yang membentuk jirim.
Hukum pemuliharaan dan transformasi tenaga mekanikal, yang dicadangkan oleh Lomonosov, hanya disokong selepas Rumfoord berjaya membuktikan kehadiran pergerakan zarah di dalam jirim semasa menjalankan eksperimen.
Untuk mendapatkan haba, ahli fizik Davy cuba mencairkan ais dengan menggosok dua keping ais antara satu sama lain. Dia mengemukakan hipotesis yang mana haba dianggap sebagai gerakan berayun zarah jirim.
Hukum pemuliharaan dan penjelmaan tenaga Mayer mengandaikan ketakbolehubah daya yang menyebabkan kemunculan haba. Idea ini dikritik oleh saintis lain, yang mengingatkan bahawa daya berkaitan dengan kelajuan dan jisim, oleh itu, nilainya tidak boleh kekal tidak berubah.
Pada penghujung abad kesembilan belas, Mayer merumuskan ideanya dalam risalah dan cuba menyelesaikan masalah sebenar haba. Bagaimanakah undang-undang pemuliharaan dan perubahan tenaga digunakan pada masa itu? Dalam mekanik, tidak ada konsensus tentang cara mendapatkan, mengubah tenaga, jadi soalan ini kekal terbuka sehingga akhir abad kesembilan belas.
Ciri undang-undang
Undang-undang pemuliharaan dan perubahan tenaga adalah salah satu yang asas, membolehkansyarat-syarat tertentu untuk mengukur kuantiti fizik. Ia dipanggil undang-undang pertama termodinamik, objek utamanya ialah pemuliharaan nilai ini dalam sistem terpencil.
Hukum pemuliharaan dan penjelmaan tenaga menetapkan pergantungan jumlah haba pada pelbagai faktor. Dalam perjalanan kajian eksperimen yang dijalankan oleh Mayer, Helmholtz, Joule, pelbagai jenis tenaga telah dibezakan: potensi, kinetik. Gabungan spesies ini dipanggil mekanikal, kimia, elektrik, haba.
Hukum pemuliharaan dan perubahan tenaga mempunyai rumusan berikut: "Perubahan tenaga kinetik adalah sama dengan perubahan tenaga keupayaan."
Mayer membuat kesimpulan bahawa semua jenis kuantiti ini mampu bertukar menjadi satu sama lain jika jumlah haba kekal tidak berubah.
Ungkapan matematik
Sebagai contoh, sebagai ungkapan kuantitatif undang-undang, industri kimia ialah keseimbangan tenaga.
Hukum pemuliharaan dan transformasi tenaga mewujudkan hubungan antara jumlah tenaga haba yang memasuki zon interaksi pelbagai bahan, dengan jumlah yang meninggalkan zon ini.
Peralihan daripada satu jenis tenaga kepada yang lain tidak bermakna ia hilang. Tidak, hanya perubahannya menjadi bentuk lain diperhatikan.
Pada masa yang sama, terdapat hubungan: kerja - tenaga. Undang-undang pemuliharaan dan transformasi tenaga menganggap ketekalan kuantiti ini (jumlahnyakuantiti) untuk sebarang proses yang berlaku dalam sistem terpencil. Ini menunjukkan bahawa dalam proses peralihan dari satu spesies ke spesies lain, kesetaraan kuantitatif diperhatikan. Untuk memberikan penerangan kuantitatif tentang pelbagai jenis gerakan, tenaga terma nuklear, kimia, elektromagnet dan haba telah diperkenalkan dalam fizik.
Perkataan moden
Bagaimanakah hukum pemuliharaan dan transformasi tenaga dibaca hari ini? Fizik klasik menawarkan notasi matematik postulat ini dalam bentuk persamaan keadaan umum untuk sistem tertutup termodinamik:
W=Wk + Wp + U
Persamaan ini menunjukkan bahawa jumlah tenaga mekanikal sistem tertutup ditakrifkan sebagai jumlah tenaga kinetik, potensi, dalaman.
Hukum pemuliharaan dan perubahan tenaga, formula yang dibentangkan di atas, menerangkan invarian kuantiti fizik ini dalam sistem tertutup.
Kelemahan utama tatatanda matematik ialah kaitannya hanya untuk sistem termodinamik tertutup.
Sistem terbuka
Jika kita mengambil kira prinsip kenaikan, adalah agak mungkin untuk melanjutkan undang-undang pemuliharaan tenaga kepada sistem fizikal tidak tertutup. Prinsip ini mengesyorkan menulis persamaan matematik yang berkaitan dengan perihalan keadaan sistem, bukan dalam istilah mutlak, tetapi dalam kenaikan berangkanya.
Untuk mengambil kira sepenuhnya semua bentuk tenaga, dicadangkan untuk menambah persamaan klasik sistem idealjumlah kenaikan tenaga yang disebabkan oleh perubahan dalam keadaan sistem yang dianalisis di bawah pengaruh pelbagai bentuk medan.
Dalam versi umum, persamaan keadaan adalah seperti berikut:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Persamaan ini dianggap paling lengkap dalam fizik moden. Ialah yang menjadi asas kepada undang-undang pemuliharaan dan transformasi tenaga.
Maksud
Dalam sains tidak ada pengecualian kepada undang-undang ini, ia mengawal semua fenomena alam. Atas dasar dalil inilah seseorang boleh mengemukakan hipotesis tentang pelbagai enjin, termasuk penyangkalan terhadap realiti pembangunan mekanisme kekal. Ia boleh digunakan dalam semua kes yang perlu menerangkan peralihan satu jenis tenaga kepada yang lain.
Aplikasi mekanikal
Bagaimanakah hukum pemuliharaan dan perubahan tenaga dibaca pada masa sekarang? Intipatinya terletak pada peralihan satu jenis kuantiti ini kepada yang lain, tetapi pada masa yang sama nilai keseluruhannya kekal tidak berubah. Sistem di mana proses mekanikal dijalankan dipanggil konservatif. Sistem sedemikian adalah ideal, iaitu, mereka tidak mengambil kira daya geseran, jenis rintangan lain yang menyebabkan pelesapan tenaga mekanikal.
Dalam sistem konservatif, hanya peralihan bersama tenaga keupayaan kepada tenaga kinetik berlaku.
Kerja daya yang bertindak ke atas badan dalam sistem sedemikian tidak berkaitan dengan bentuk laluan. Nilainyabergantung pada kedudukan akhir dan awal badan. Sebagai contoh daya seperti ini dalam fizik pertimbangkan daya graviti. Dalam sistem konservatif, nilai kerja daya dalam bahagian tertutup adalah sifar, dan undang-undang pemuliharaan tenaga akan sah dalam bentuk berikut: Dalam sistem tertutup konservatif, jumlah tenaga keupayaan dan kinetik badan yang membentuk sistem kekal tidak berubah.”
Sebagai contoh, dalam kes kejatuhan bebas jasad, tenaga berpotensi berubah menjadi bentuk kinetik, manakala jumlah nilai jenis ini tidak berubah.
Kesimpulannya
Kerja mekanikal boleh dianggap sebagai satu-satunya cara peralihan bersama gerakan mekanikal ke dalam bentuk jirim yang lain.
Undang-undang ini telah menemui aplikasi dalam teknologi. Selepas mematikan enjin kereta, terdapat kehilangan tenaga kinetik secara beransur-ansur, diikuti dengan berhentinya kenderaan. Kajian telah menunjukkan bahawa dalam kes ini, sejumlah haba dibebaskan, oleh itu, badan yang menggosok menjadi panas, meningkatkan tenaga dalaman mereka. Dalam kes geseran atau sebarang rintangan terhadap pergerakan, peralihan tenaga mekanikal kepada nilai dalaman diperhatikan, yang menunjukkan ketepatan undang-undang.
Rumusan modennya kelihatan seperti: “Tenaga sistem terpencil tidak hilang entah ke mana, tidak muncul entah dari mana. Dalam mana-mana fenomena yang wujud dalam sistem, terdapat peralihan satu jenis tenaga kepada yang lain, pemindahan dari satu badan ke badan yang lain, tanpaperubahan kuantitatif.”
Selepas penemuan undang-undang ini, ahli fizik tidak meninggalkan idea untuk mencipta mesin gerakan kekal, di mana, dalam kitaran tertutup, tidak akan ada perubahan dalam jumlah haba yang dipindahkan oleh sistem kepada dunia sekeliling, berbanding dengan haba yang diterima dari luar. Mesin sedemikian boleh menjadi sumber haba yang tidak habis-habis, satu cara untuk menyelesaikan masalah tenaga manusia.
