La ley de conservación y transformación de la energía es uno de los postulados más importantes de la física. Considere la historia de su aparición, así como las principales áreas de aplicación.
Páginas de historial
Primero, averigüemos quién descubrió la ley de conservación y transformación de la energía. En 1841, el físico inglés Joule y el científico ruso Lenz realizaron experimentos en paralelo, como resultado de lo cual los científicos lograron descubrir en la práctica la conexión entre el trabajo mecánico y el calor.
Numerosos estudios realizados por físicos en diferentes partes de nuestro planeta predeterminaron el descubrimiento de la ley de conservación y transformación de la energía. A mediados del siglo XIX, el científico alemán Mayer dio su formulación. El científico trató de resumir toda la información sobre electricidad, movimiento mecánico, magnetismo, fisiología humana que existía en ese momento.
Alrededor del mismo período, científicos de Dinamarca, Inglaterra y Alemania expresaron pensamientos similares.
Experimentos concalidez
A pesar de la variedad de ideas sobre el calor, solo se le dio una imagen completa al científico ruso Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Los contemporáneos no apoyaron sus ideas, creían que el calor no estaba asociado con el movimiento de las partículas más pequeñas que componen la materia.
La ley de conservación y transformación de la energía mecánica, propuesta por Lomonosov, fue respaldada solo después de que Rumfoord logró probar la presencia de movimiento de partículas dentro de la materia en el curso de experimentos.
Para obtener calor, el físico Davy trató de derretir hielo frotando dos trozos de hielo uno contra el otro. Presentó una hipótesis según la cual el calor se consideraba como un movimiento oscilatorio de partículas de materia.
La ley de Mayer de conservación y transformación de la energía asumía la inmutabilidad de las fuerzas que provocan la aparición del calor. Esta idea fue criticada por otros científicos, quienes recordaron que la fuerza está relacionada con la velocidad y la masa, por lo tanto, su valor no podía permanecer invariable.
A finales del siglo XIX, Mayer resumió sus ideas en un panfleto y trató de resolver el problema real del calor. ¿Cómo se usaba en esa época la ley de conservación y transformación de la energía? En mecánica no había consenso sobre cómo obtener, transformar la energía, por lo que esta pregunta permaneció abierta hasta finales del siglo XIX.
Característica de la ley
La ley de conservación y transformación de la energía es una de las fundamentales, que permiteciertas condiciones para medir cantidades físicas. Se llama la primera ley de la termodinámica, cuyo objeto principal es la conservación de este valor en un sistema aislado.
La ley de conservación y transformación de la energía establece la dependencia de la cantidad de calor de varios factores. En el curso de los estudios experimentales realizados por Mayer, Helmholtz, Joule, se distinguieron varios tipos de energía: potencial, cinética. La combinación de estas especies se denominó mecánica, química, eléctrica, térmica.
La ley de conservación y transformación de la energía tenía la siguiente formulación: "El cambio de energía cinética es igual al cambio de energía potencial".
Mayer llegó a la conclusión de que todas las variedades de esta cantidad son capaces de transformarse entre sí si la cantidad total de calor permanece sin cambios.
Expresión matemática
Por ejemplo, como expresión cuantitativa de la ley, la industria química es el balance energético.
La ley de conservación y transformación de la energía establece una relación entre la cantidad de energía térmica que entra en la zona de interacción de varias sustancias, con la cantidad que sale de esta zona.
El paso de un tipo de energía a otro no significa que desaparezca. No, solo se observa su transformación en otra forma.
Al mismo tiempo, existe una relación: trabajo - energía. La ley de conservación y transformación de la energía supone la constancia de esta cantidad (su totalcantidad) para cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado. Esto indica que en el proceso de transición de una especie a otra se observa equivalencia cuantitativa. Para dar una descripción cuantitativa de los diferentes tipos de movimiento, se introdujo en la física la energía nuclear, química, electromagnética y térmica.
Redacción moderna
¿Cómo se lee hoy la ley de conservación y transformación de la energía? La física clásica ofrece una notación matemática de este postulado en forma de una ecuación de estado generalizada para un sistema termodinámico cerrado:
W=Wk + Wp + U
Esta ecuación muestra que la energía mecánica total de un sistema cerrado se define como la suma de las energías cinética, potencial e interna.
La ley de conservación y transformación de la energía, cuya fórmula se presentó anteriormente, explica la invariancia de esta cantidad física en un sistema cerrado.
La principal desventaja de la notación matemática es su relevancia solo para un sistema termodinámico cerrado.
Sistemas abiertos
Si tenemos en cuenta el principio de los incrementos, es bastante posible extender la ley de conservación de la energía a sistemas físicos no cerrados. Este principio recomienda escribir ecuaciones matemáticas relacionadas con la descripción del estado del sistema, no en términos absolutos, sino en sus incrementos numéricos.
Para tener plenamente en cuenta todas las formas de energía, se propuso añadir a la ecuación clásica de un sistema idealla suma de los incrementos de energía causados por cambios en el estado del sistema analizado bajo la influencia de varias formas del campo.
En la versión generalizada, la ecuación de estado es la siguiente:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Esta ecuación se considera la más completa de la física moderna. Fue lo que se convirtió en la base de la ley de conservación y transformación de la energía.
Significado
En la ciencia no hay excepciones a esta ley, rige todos los fenómenos naturales. Es sobre la base de este postulado que se pueden presentar hipótesis sobre varios motores, incluida la refutación de la realidad del desarrollo de un mecanismo perpetuo. Se puede utilizar en todos los casos en que sea necesario explicar las transiciones de un tipo de energía a otro.
Aplicaciones mecánicas
¿Cómo se lee la ley de conservación y transformación de la energía en la actualidad? Su esencia radica en la transición de un tipo de esta cantidad a otra, pero al mismo tiempo su valor general permanece sin cambios. Aquellos sistemas en los que se llevan a cabo procesos mecánicos se denominan conservativos. Dichos sistemas están idealizados, es decir, no tienen en cuenta las fuerzas de fricción, otros tipos de resistencia que provocan la disipación de la energía mecánica.
En un sistema conservativo, solo ocurren transiciones mutuas de energía potencial a energía cinética.
El trabajo de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en dicho sistema no está relacionado con la forma de la trayectoria. Es valiosodepende de la posición final e inicial del cuerpo. Como ejemplo de fuerzas de este tipo en física, considere la fuerza de gravedad. En un sistema conservativo, el valor del trabajo de una fuerza en una sección cerrada es cero, y la ley de conservación de la energía será válida de la siguiente forma: “En un sistema cerrado conservativo, la suma de la energía potencial y cinética de los cuerpos que componen el sistema permanece sin cambios.”
Por ejemplo, en el caso de una caída libre de un cuerpo, la energía potencial cambia a una forma cinética, mientras que el valor total de estos tipos no cambia.
En conclusión
El trabajo mecánico puede considerarse como la única forma de transición mutua del movimiento mecánico a otras formas de materia.
Esta ley ha encontrado aplicación en la tecnología. Después de apagar el motor del automóvil, se produce una pérdida gradual de energía cinética, seguida de una parada del vehículo. Los estudios han demostrado que en este caso, se libera una cierta cantidad de calor, por lo tanto, los cuerpos que se frotan se calientan, aumentando su energía interna. En el caso de fricción o cualquier resistencia al movimiento, se observa una transición de energía mecánica a un valor interno, lo que indica la corrección de la ley.
Su formulación moderna parece: “La energía de un sistema aislado no desaparece en la nada, no aparece de la nada. En cualquier fenómeno que existe dentro del sistema, hay una transición de un tipo de energía a otro, transferencia de un cuerpo a otro, sincambio cuantitativo.”
Después del descubrimiento de esta ley, los físicos no abandonan la idea de crear una máquina de movimiento perpetuo, en la cual, en un ciclo cerrado, no habría cambio en la cantidad de calor transferido por el sistema a del mundo circundante, en comparación con el calor recibido del exterior. Tal máquina podría convertirse en una fuente inagotable de calor, una forma de resolver el problema energético de la humanidad.
