Закон збереження і перетворення енергії є одним з найважливіших постулатів фізики. Розглянемо історію його появи, а також основні області застосування.

Сторінки історії

Для початку з'ясуємо, хто відкрив закон збереження і перетворення енергії. У 1841 році англійським фізиком Джоулем і російським ученим Ленцом паралельно були проведені експерименти, в результаті яких вченим вдалося на практиці з'ясувати зв'язок між механічною роботою і теплотою. Численні дослідження, проведені фізиками в різних куточках нашої планети, визначили відкриття закону збереження і перетворення енергії. У середині дев'ятнадцятого століття німецьким вченим Майєром була дана його формулювання. Вчений спробував узагальнити всю інформацію про електрику, механічному русі, магнетизм, фізіології людини, що існувала в той проміжок часу.


Приблизно в цей же період аналогічні думки були висловлені вченими в Данії, Англії, Німеччини.

Експерименти з теплотою

Незважаючи на різноманіття ідей, що стосуються теплоти, повне уявлення про неї було дано тільки російським ученим Михайлом Васильовичем Ломоносовим. Сучасники його не підтримали ідеї, вважали, що теплота не пов'язана з рухом найдрібнішим частинок, з яких складається речовина. Закон збереження і перетворення механічної енергії, запропонований Ломоносовим, був підтриманий тільки після того, як в ході експериментів Румфорду вдалося довести наявність руху частинок всередині речовини. Для отримання теплоти фізик Деві намагався плавити лід, здійснював тертя один об одного двох шматків льоду. Він висунув гіпотезу, згідно з якою теплота розглядалася як коливального руху частинок матерії.


Закон збереження і перетворення енергії по Майєру припускав незмінність сил, що викликають появу теплоти. Подібна ідея була розкритикована іншими вченими, які нагадували про те, що сила пов'язана зі швидкістю і масою, отже, її значення не могло залишатися незмінною величиною. В кінці дев'ятнадцятого століття Майєр узагальнив свої ідеї в брошурі і спробував вирішити актуальну проблему теплоти. Як використовувався на той час закон збереження і перетворення енергії? У механіці не було єдиної думки щодо способів отримання, перетворення енергії, тому до кінця дев'ятнадцятого століття це питання залишалося відкритим.

Особливість закону

Закон збереження і перетворення енергії є одним з фундаментальних, дозволяють за певних умов вимірювати фізичні величини. Його називають першим началом термодинаміки, основним об'єктом якого є збереження цієї величини в умовах ізольованої системи. Закон збереження і перетворення енергії встановлює залежність кількості теплоти від різних факторів. В ході експериментальних досліджень, проведених Майєром, Гельмгольцем, Джоулем, були виділені різні види енергії: потенційна, кінетична. Сукупність цих видів була названа механічної, хімічної, електричної, теплової. Закон збереження і перетворення енергії мав наступне формулювання: «Зміна кінетичної енергії дорівнює зміні потенційної енергії». Майєр прийшов до висновку, що всі різновиди цієї величини здатні перетворюватися один в одного у разі, якщо залишається незмінним загальна кількість теплоти.

Математичний вираз

Наприклад, в якості кількісного вираження закону, в хімічній промисловості виступає енергетичний баланс. Закон збереження і перетворення енергії встановлює зв'язок між величиною теплової енергії, яка потрапляє в зону взаємодії різних речовин, з тим її кількістю, яке йде з даної зони.
Перехід одного виду енергії в інший не означає, що вона зникає. Ні, спостерігається лише її перетворення в іншу форму. При цьому спостерігається взаємозв'язок: робота – енергія. Закон збереження і перетворення енергії передбачає сталість цієї величини (повне її кількість) при будь-яких процесах, що протікають в ізольованій системі. Це свідчить про те, що в процесі переходу одного виду в інший, дотримується кількісну еквівалентність. Для того щоб дати кількісну характеристику різних видів руху, у фізиці введена ядерна, хімічна, електромагнітна, теплова енергія.

Сучасна формулювання

Як читається закон збереження і перетворення енергії в наші дні? Класична фізика пропонує математичну запис даного постулату у вигляді узагальненого рівняння стану термодинамічної замкнутої системи: W = Wk + Wp + U Це рівняння показує, що повна механічна енергія замкнутої системи визначається у вигляді суми кінетичної, потенціальної, внутрішньої енергій. Закон збереження і перетворення енергії, формула якого була представлена вище, пояснює незмінність цієї фізичної величини в замкнутої системи. Основним недоліком математичної записи є її актуальність тільки для замкнутої термодинамічної системи.

Незамкнуті системи

Якщо враховувати принцип збільшень, цілком можна поширити закон збереження енергії і на незамкнуті фізичні системи. Даний принцип рекомендує записувати математичні рівняння, пов'язані з описом стану системи, не в абсолютних показниках, а в їх числових приращениях.
Щоб повною мірою враховувались всі форми енергії, пропонувалося додавати в класичне рівняння ідеальної системи суму приростів енергій, які викликані змінами стану аналізованої системи під впливом різних форм поля. В узагальненому варіанті рівняння стану має наступний вигляд: dW = ?i Ui dqi + ?j Uj dqj Саме це рівняння вважається найповнішим в сучасній фізиці. Саме воно стало основою закону збереження і перетворення енергії.

Значення

У науці немає винятків з цього закону, він управляє усіма природними явищами. Саме на підставі цього постулату можна висувати гіпотези про різних двигунах, включаючи і спростування реальності розробки вічного механізму. Його можна застосовувати у всіх випадках, коли необхідно пояснювати переходи одного виду енергії в інший.

Застосування в механіці

Як читається закон збереження і перетворення енергії в даний час? Його суть полягає в переході одного виду цієї величини в інший, але при цьому її загальне значення залишається незмінним. Ті системи, в яких здійснюються механічні процеси, іменую консервативними. Такі системи є ідеалізованими, тобто, в них не враховуються сили тертя, інші види опорів, що викликають розсіювання механічної енергії. У консервативній системі протікають тільки взаємні переходи потенційної енергії в кінетичну. Робота сил, які діють в подібній системі на тіло, не пов'язана з формою шляху. Її величина залежить від кінцевого і початкового положення тіла. В якості прикладу сил такого роду у фізиці розглядають силу тяжіння. У консервативній системі величина роботи сили на замкнутому ділянці дорівнює нулю, а закон збереження енергії справедливий у наступному вигляді: «В консервативній замкнутій системі сума потенційної і кінетичної енергії тіл, які становлять системи, зберігається незмінною». Наприклад, у випадку вільного падіння тіла відбувається перехід потенціальної енергії в кінетичну форму, при цьому сумарне значення цих видів не змінюється.

На закінчення

Механічну роботу можна розглядати в якості єдиного способу взаємного переходу механічного руху в інші форми матерії. Даний закон знайшов застосування в техніці. Після вимикання двигуна автомобіля, відбувається поступова втрата кінетичної енергії, наступна зупинка транспортного засобу. Дослідження показали, що при цьому спостерігається виділення певної кількості теплоти, отже, поверхні тіла нагріваються, збільшуючи свою внутрішню енергію. У разі тертя або будь-якого опору руху спостерігається перехід механічної енергії у внутрішню величину, що свідчить про правильності закону. Його сучасна формулювання має вигляд: «Енергія ізольованої системи не зникає в нікуди, не з'являється з нізвідки. У будь-яких явищах, існуючих усередині системи, спостерігається перехід одного виду енергії в інший, передача від одного тіла до іншого, без кількісного зміни». Після відкриття цього закону фізики не залишають ідею про створення вічного двигуна, в якому б при замкнутому циклі не відбувалося зміни величини переданого системою тепла навколишнього світу, в порівнянні з одержуваним ззовні теплом. Така машина змогла б стати невичерпним джерелом тепла, способом вирішення енергетичної проблеми людства.