Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một trong những định đề quan trọng nhất của vật lý học. Xem xét lịch sử xuất hiện của nó, cũng như các lĩnh vực ứng dụng chính.
Trang Lịch sử
Đầu tiên chúng ta cùng tìm hiểu xem ai là người đã phát hiện ra định luật bảo toàn và chuyển hóa cơ năng. Năm 1841, nhà vật lý người Anh Joule và nhà khoa học Nga Lenz đã tiến hành các thí nghiệm song song, kết quả là các nhà khoa học đã tìm ra trong thực tế mối liên hệ giữa công cơ học và nhiệt.
Nhiều nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà vật lý ở các vùng khác nhau trên hành tinh của chúng ta đã xác định trước việc khám phá ra định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Vào giữa thế kỷ 19, nhà khoa học người Đức Mayer đã đưa ra công thức của mình. Nhà khoa học đã cố gắng tóm tắt tất cả thông tin về điện, chuyển động cơ học, từ tính, sinh lý con người tồn tại vào thời điểm đó.
Cũng trong khoảng thời gian đó, các nhà khoa học ở Đan Mạch, Anh, Đức bày tỏ những suy nghĩ tương tự.
Thử nghiệm vớisự ấm áp
Bất chấp nhiều ý kiến khác nhau liên quan đến nhiệt, bức tranh toàn cảnh về nó chỉ được đưa ra cho nhà khoa học người Nga Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Những người đương thời không ủng hộ ý tưởng của ông, họ tin rằng nhiệt không liên quan đến chuyển động của các hạt nhỏ nhất tạo nên vật chất.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng cơ học, do Lomonosov đề xuất, chỉ được ủng hộ sau khi Rumfoord chứng minh được sự hiện diện của chuyển động của các hạt bên trong vật chất trong quá trình thí nghiệm.
Để thu được nhiệt, nhà vật lý Davy đã cố gắng làm tan chảy băng bằng cách cọ xát hai miếng băng với nhau. Ông đưa ra một giả thuyết theo đó nhiệt được coi là chuyển động dao động của các hạt vật chất.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng của Mayer giả định tính bất biến của các lực gây ra sự xuất hiện của nhiệt. Ý tưởng này đã bị chỉ trích bởi các nhà khoa học khác, những người đã nhắc nhở rằng lực liên quan đến tốc độ và khối lượng, do đó, giá trị của nó không thể thay đổi.
Vào cuối thế kỷ 19, Mayer đã tóm tắt ý tưởng của mình trong một cuốn sách nhỏ và cố gắng giải quyết vấn đề thực tế về nhiệt. Định luật bảo toàn và chuyển hóa cơ năng lúc đó được vận dụng như thế nào? Trong cơ học, không có sự thống nhất về cách thu nhận và chuyển hóa năng lượng, vì vậy câu hỏi này vẫn còn bỏ ngỏ cho đến cuối thế kỷ XIX.
Tính năng của luật
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là một trong những định luật cơ bản, cho phépđiều kiện nhất định để đo các đại lượng vật lý. Nó được gọi là định luật đầu tiên của nhiệt động lực học, đối tượng chính của nó là sự bảo toàn giá trị này trong một hệ cô lập.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng thiết lập sự phụ thuộc của nhiệt lượng vào các yếu tố khác nhau. Trong quá trình nghiên cứu thực nghiệm do Mayer, Helmholtz, Joule thực hiện, người ta đã phân biệt được nhiều dạng năng lượng: thế năng, động năng. Sự kết hợp của các loài này được gọi là cơ học, hóa học, điện, nhiệt.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa cơ năng có công thức như sau: "Sự thay đổi của động năng bằng sự thay đổi của thế năng".
Mayer đã đi đến kết luận rằng tất cả các giống có số lượng này đều có khả năng chuyển hóa lẫn nhau nếu tổng lượng nhiệt không đổi.
Biểu thức toán học
Ví dụ, như một biểu thức định lượng của định luật, công nghiệp hóa học là sự cân bằng năng lượng.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng thiết lập mối quan hệ giữa lượng nhiệt năng đi vào vùng tương tác của các chất khác nhau với lượng rời khỏi vùng này.
Sự chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác không có nghĩa là nó biến mất. Không, chỉ có sự biến đổi của cô ấy thành một dạng khác được quan sát.
Đồng thời có mối quan hệ: công việc - năng lượng. Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng giả định sự không đổi của đại lượng này (tổngsố lượng) đối với bất kỳ quá trình nào xảy ra trong một hệ thống cô lập. Điều này chỉ ra rằng trong quá trình chuyển từ loài này sang loài khác, sự tương đương về số lượng được quan sát thấy. Để mô tả định lượng các dạng chuyển động khác nhau, năng lượng hạt nhân, hóa học, điện từ, nhiệt đã được đưa vào vật lý.
Từ ngữ hiện đại
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng được đọc ngày nay như thế nào? Vật lý cổ điển đưa ra một ký hiệu toán học của định đề này dưới dạng một phương trình trạng thái tổng quát cho một hệ kín nhiệt động lực học:
W=Wk + Wp + Ư
Phương trình này cho thấy tổng năng lượng cơ học của một hệ kín được định nghĩa là tổng của động năng, thế năng, nội năng.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng, công thức của nó đã được trình bày ở trên, giải thích sự bất biến của đại lượng vật lý này trong một hệ kín.
Nhược điểm chính của ký hiệu toán học là nó chỉ phù hợp với một hệ thống nhiệt động lực học khép kín.
Mở hệ thống
Nếu chúng ta tính đến nguyên tắc tăng dần, thì hoàn toàn có thể mở rộng định luật bảo toàn năng lượng cho các hệ vật chất không đóng. Nguyên tắc này khuyên bạn nên viết các phương trình toán học liên quan đến việc mô tả trạng thái của hệ thống, không phải ở dạng tuyệt đối, mà ở dạng số gia tăng của chúng.
Để tính đến đầy đủ tất cả các dạng năng lượng, người ta đề xuất thêm vào phương trình cổ điển của một hệ thống lý tưởngtổng các gia tăng năng lượng gây ra bởi những thay đổi trong trạng thái của hệ thống được phân tích dưới tác động của các dạng trường khác nhau.
Trong phiên bản tổng quát, phương trình trạng thái như sau:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Phương trình này được coi là hoàn chỉnh nhất trong vật lý hiện đại. Chính nó đã trở thành cơ sở của định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng.
Có nghĩa là
Trong khoa học không có ngoại lệ đối với định luật này, nó chi phối tất cả các hiện tượng tự nhiên. Dựa trên cơ sở của định đề này, người ta có thể đưa ra các giả thuyết về các động cơ khác nhau, bao gồm cả việc bác bỏ thực tế về sự phát triển của một cơ chế vĩnh cửu. Nó có thể được sử dụng trong mọi trường hợp cần giải thích sự chuyển đổi của một dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác.
Ứng dụng cơ
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng được đọc ở thời điểm hiện tại như thế nào? Thực chất của nó nằm ở chỗ chuyển loại đại lượng này sang loại đại lượng khác, nhưng đồng thời giá trị tổng thể của nó không thay đổi. Những hệ thống trong đó các quá trình cơ học được thực hiện được gọi là bảo toàn. Các hệ thống như vậy được lý tưởng hóa, tức là chúng không tính đến lực ma sát, các loại lực cản khác gây tiêu tán năng lượng cơ học.
Trong một hệ thống bảo toàn, chỉ xảy ra sự chuyển hóa lẫn nhau của thế năng thành động năng.
Công của các lực tác dụng lên một vật trong một hệ thống như vậy không liên quan đến hình dạng của đường đi. Giá trị của nóphụ thuộc vào vị trí cuối cùng và ban đầu của cơ thể. Như một ví dụ về các lực loại này trong vật lý, hãy xem xét lực hấp dẫn. Trong hệ bảo toàn, giá trị công của lực trong một tiết diện kín bằng không, và định luật bảo toàn cơ năng sẽ có giá trị ở dạng sau: “Trong hệ kín, tổng của thế năng và động năng. của các cơ quan tạo nên hệ thống vẫn không thay đổi.”
Ví dụ, trong trường hợp một vật rơi tự do, thế năng chuyển thành dạng động năng, trong khi tổng giá trị của các dạng này không thay đổi.
Trong kết luận
Công cơ học có thể được coi là cách duy nhất chuyển đổi lẫn nhau của chuyển động cơ học thành các dạng vật chất khác.
Luật này đã được ứng dụng trong công nghệ. Sau khi tắt máy ô tô mất dần động năng rồi dừng lại. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong trường hợp này, một lượng nhiệt nhất định được giải phóng, do đó, các vật thể cọ xát nóng lên, làm tăng nội năng của chúng. Trong trường hợp có ma sát hoặc bất kỳ lực cản nào đối với chuyển động, sự chuyển đổi năng lượng cơ học thành giá trị bên trong được quan sát, điều này cho thấy tính đúng đắn của định luật.
Công thức hiện đại của nó trông giống như: “Năng lượng của một hệ thống cô lập không biến mất vào hư không, không xuất hiện từ hư không. Trong bất kỳ hiện tượng nào tồn tại bên trong hệ thống, có sự chuyển đổi của một dạng năng lượng này sang một dạng năng lượng khác, chuyển từ cơ thể này sang cơ thể khác, không cóthay đổi định lượng.”
Sau khi phát hiện ra định luật này, các nhà vật lý không bỏ ý định tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn, trong đó, trong một chu trình khép kín, sẽ không có sự thay đổi nào về lượng nhiệt mà hệ truyền sang thế giới xung quanh, so với nhiệt lượng nhận được từ bên ngoài. Một cỗ máy như vậy có thể trở thành một nguồn nhiệt vô tận, một cách để giải quyết vấn đề năng lượng của nhân loại.
