La loi de conservation et de transformation de l'énergie est l'un des postulats les plus importants de la physique. Considérez l'historique de son apparition, ainsi que les principaux domaines d'application.
Pages d'histoire
D'abord, découvrons qui a découvert la loi de la conservation et de la transformation de l'énergie. En 1841, le physicien anglais Joule et le scientifique russe Lenz ont mené des expériences en parallèle, à la suite desquelles les scientifiques ont réussi à découvrir dans la pratique le lien entre le travail mécanique et la chaleur.
De nombreuses études menées par des physiciens dans différentes parties de notre planète ont prédéterminé la découverte de la loi de conservation et de transformation de l'énergie. Au milieu du XIXe siècle, le scientifique allemand Mayer a donné sa formulation. Le scientifique a essayé de résumer toutes les informations sur l'électricité, le mouvement mécanique, le magnétisme, la physiologie humaine qui existaient à cette époque.
Autour de la même période, des pensées similaires ont été exprimées par des scientifiques au Danemark, en Angleterre et en Allemagne.
Expériences avecchaleur
Malgré la variété des idées concernant la chaleur, une image complète de celle-ci n'a été donnée qu'au scientifique russe Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Les contemporains ne soutenaient pas ses idées, ils croyaient que la chaleur n'était pas associée au mouvement des plus petites particules qui composent la matière.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie mécanique, proposée par Lomonossov, n'a été soutenue qu'après que Rumfoord a réussi à prouver la présence de mouvement de particules à l'intérieur de la matière au cours d'expériences.
Pour obtenir de la chaleur, le physicien Davy a tenté de faire fondre de la glace en frottant deux morceaux de glace l'un contre l'autre. Il a avancé une hypothèse selon laquelle la chaleur était considérée comme un mouvement oscillatoire de particules de matière.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie de Mayer suppose l'immuabilité des forces qui provoquent l'apparition de la chaleur. Cette idée a été critiquée par d'autres scientifiques, qui ont rappelé que la force est liée à la vitesse et à la masse, par conséquent, sa valeur ne pouvait pas rester inchangée.
À la fin du XIXe siècle, Mayer résume ses idées dans un pamphlet et tente de résoudre le véritable problème de la chaleur. Comment la loi de conservation et de transformation de l'énergie était-elle utilisée à cette époque ? En mécanique, il n'y avait pas de consensus sur la façon d'obtenir, de transformer l'énergie, donc cette question est restée ouverte jusqu'à la fin du XIXe siècle.
Caractéristiques de la loi
La loi de conservation et de transformation de l'énergie est l'une des lois fondamentales, permettantcertaines conditions pour mesurer des grandeurs physiques. C'est ce qu'on appelle la première loi de la thermodynamique, dont l'objet principal est la conservation de cette valeur dans un système isolé.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie établit la dépendance de la quantité de chaleur à divers facteurs. Au cours des études expérimentales menées par Mayer, Helmholtz, Joule, différents types d'énergie ont été distingués: potentiel, cinétique. La combinaison de ces espèces était appelée mécanique, chimique, électrique, thermique.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie avait la formulation suivante: "La variation de l'énergie cinétique est égale à la variation de l'énergie potentielle."
Mayer est arrivé à la conclusion que toutes les variétés de cette quantité sont capables de se transformer les unes dans les autres si la quantité totale de chaleur reste inchangée.
Expression mathématique
Par exemple, en tant qu'expression quantitative de la loi, l'industrie chimique est le bilan énergétique.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie établit une relation entre la quantité d'énergie thermique qui entre dans la zone d'interaction de diverses substances et la quantité qui quitte cette zone.
Le passage d'un type d'énergie à un autre ne signifie pas qu'il disparaît. Non, seule sa transformation en une autre forme est observée.
En même temps, il y a une relation: travail - énergie. La loi de conservation et de transformation de l'énergie suppose la constance de cette quantité (son totalquantité) pour tout processus se produisant dans un système isolé. Cela indique que dans le processus de transition d'une espèce à une autre, une équivalence quantitative est observée. Afin de donner une description quantitative des différents types de mouvement, l'énergie nucléaire, chimique, électromagnétique et thermique a été introduite en physique.
Libellé moderne
Comment se lit la loi de conservation et de transformation de l'énergie aujourd'hui ? La physique classique propose une notation mathématique de ce postulat sous la forme d'une équation d'état généralisée pour un système fermé thermodynamique:
W=Wk + Wp + U
Cette équation montre que l'énergie mécanique totale d'un système fermé est définie comme la somme des énergies cinétiques, potentielles et internes.
La loi de conservation et de transformation de l'énergie, dont la formule a été présentée ci-dessus, explique l'invariance de cette grandeur physique dans un système fermé.
Le principal inconvénient de la notation mathématique est sa pertinence uniquement pour un système thermodynamique fermé.
Systèmes ouverts
Si l'on tient compte du principe des incréments, il est tout à fait possible d'étendre la loi de conservation de l'énergie aux systèmes physiques non clos. Ce principe recommande d'écrire les équations mathématiques liées à la description de l'état du système, non pas en termes absolus, mais dans leurs incréments numériques.
Pour bien prendre en compte toutes les formes d'énergie, il a été proposé d'ajouter à l'équation classique d'un système idéalla somme des incréments d'énergie causés par les changements d'état du système analysé sous l'influence de diverses formes du champ.
Dans la version généralisée, l'équation d'état est la suivante:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Cette équation est considérée comme la plus complète de la physique moderne. C'est elle qui est devenue la base de la loi de conservation et de transformation de l'énergie.
Signification
En science, il n'y a pas d'exception à cette loi, elle régit tous les phénomènes naturels. C'est sur la base de ce postulat que l'on peut émettre des hypothèses sur divers moteurs, y compris la réfutation de la réalité du développement d'un mécanisme perpétuel. Il peut être utilisé dans tous les cas où il est nécessaire d'expliquer les transitions d'un type d'énergie à un autre.
Applications mécaniques
Comment se lit la loi de conservation et de transformation de l'énergie à l'heure actuelle ? Son essence réside dans la transition d'un type de cette quantité à un autre, mais en même temps sa valeur globale reste inchangée. Les systèmes dans lesquels des processus mécaniques sont effectués sont appelés conservateurs. De tels systèmes sont idéalisés, c'est-à-dire qu'ils ne tiennent pas compte des forces de frottement, d'autres types de résistance qui provoquent une dissipation d'énergie mécanique.
Dans un système conservateur, seules des transitions mutuelles d'énergie potentielle en énergie cinétique se produisent.
Le travail des forces qui agissent sur un corps dans un tel système n'est pas lié à la forme du chemin. Sa valeurdépend de la position finale et initiale du corps. Comme exemple de forces de ce type en physique, considérons la force de gravité. Dans un système conservateur, la valeur du travail d'une force dans une section fermée est nulle, et la loi de conservation de l'énergie sera valable sous la forme suivante: « Dans un système fermé conservateur, la somme des énergies potentielle et cinétique des organes qui composent le système reste inchangé. »
Par exemple, dans le cas d'une chute libre d'un corps, l'énergie potentielle se transforme en une forme cinétique, alors que la valeur totale de ces types ne change pas.
En conclusion
Le travail mécanique peut être considéré comme le seul moyen de transition mutuelle du mouvement mécanique vers d'autres formes de matière.
Cette loi a trouvé une application dans la technologie. Après avoir éteint le moteur de la voiture, il y a une perte progressive d'énergie cinétique, suivie d'un arrêt du véhicule. Des études ont montré que dans ce cas, une certaine quantité de chaleur est libérée, par conséquent, les corps frottants se réchauffent, augmentant leur énergie interne. En cas de frottement ou de toute résistance au mouvement, une transition de l'énergie mécanique vers une valeur interne est observée, ce qui indique l'exactitude de la loi.
Sa formulation moderne ressemble à: L'énergie d'un système isolé ne disparaît pas dans le néant, n'apparaît pas de nulle part. Dans tout phénomène existant au sein du système, il y a passage d'un type d'énergie à un autre, transfert d'un corps à un autre, sanschangement quantitatif.”
Après la découverte de cette loi, les physiciens n'abandonnent pas l'idée de créer une machine à mouvement perpétuel, dans laquelle, dans un cycle fermé, il n'y aurait aucun changement dans la quantité de chaleur transférée par le système à du monde environnant, en comparaison avec la chaleur reçue de l'extérieur. Une telle machine pourrait devenir une source de chaleur inépuisable, un moyen de résoudre le problème énergétique de l'humanité.
