กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงของพลังงานเป็นหนึ่งในหลักสมมุติฐานที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ พิจารณาประวัติของรูปลักษณ์รวมถึงขอบเขตการใช้งานหลัก
หน้าประวัติศาสตร์
ก่อนอื่น มาดูกันว่าใครเป็นผู้ค้นพบกฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน ในปี ค.ศ. 1841 Joule นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษและ Lenz นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้ทำการทดลองแบบคู่ขนานกัน อันเป็นผลมาจากการที่นักวิทยาศาสตร์สามารถค้นพบความเชื่อมโยงระหว่างงานเครื่องกลกับความร้อนได้ในทางปฏิบัติ
การศึกษาจำนวนมากที่ดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ในส่วนต่างๆ ของโลกของเราได้กำหนดไว้ล่วงหน้าสำหรับการค้นพบกฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน ในช่วงกลางศตวรรษที่สิบเก้า Mayer นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ให้สูตรของเขา นักวิทยาศาสตร์พยายามสรุปข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับไฟฟ้า การเคลื่อนไหวทางกล แม่เหล็ก สรีรวิทยาของมนุษย์ที่มีอยู่ในขณะนั้น
ในช่วงเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ในเดนมาร์ก อังกฤษ เยอรมนีก็แสดงความคิดที่คล้ายกัน
ทดลองกับความอบอุ่น
แม้จะมีความคิดที่หลากหลายเกี่ยวกับความร้อน แต่ภาพทั้งหมดก็มอบให้กับนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Mikhail Vasilyevich Lomonosov เท่านั้น ผู้ร่วมสมัยไม่สนับสนุนความคิดของเขา พวกเขาเชื่อว่าความร้อนไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่เล็กที่สุดที่ประกอบเป็นสสาร
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลที่เสนอโดย Lomonosov ได้รับการสนับสนุนหลังจากที่ Rumfoord สามารถพิสูจน์การมีอยู่ของอนุภาคภายในสสารในระหว่างการทดลองเท่านั้น
เพื่อให้ได้รับความร้อน Davy นักฟิสิกส์พยายามละลายน้ำแข็งด้วยการถูน้ำแข็งสองชิ้นต่อกัน เขาเสนอสมมติฐานโดยพิจารณาว่าความร้อนใดถือเป็นการเคลื่อนที่แบบสั่นของอนุภาคของสสาร
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานของเมเยอร์สันนิษฐานว่าแรงที่ไม่เปลี่ยนรูปของแรงที่ทำให้เกิดความร้อน แนวคิดนี้ถูกวิพากษ์วิจารณ์โดยนักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ซึ่งเตือนว่าแรงนั้นสัมพันธ์กับความเร็วและมวล ดังนั้น ค่าของมันจึงไม่เปลี่ยนแปลง
ปลายศตวรรษที่ 19 เมเยอร์สรุปความคิดของเขาเป็นแผ่นพับและพยายามแก้ปัญหาความร้อนที่เกิดขึ้นจริง กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานในสมัยนั้นใช้อย่างไร? ในกลศาสตร์ ไม่มีความเห็นเป็นเอกฉันท์เกี่ยวกับวิธีการได้รับ แปลงพลังงาน ดังนั้นคำถามนี้จึงยังคงเปิดอยู่จนถึงสิ้นศตวรรษที่สิบเก้า
คุณลักษณะของกฎหมาย
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานเป็นหนึ่งในกฎพื้นฐานที่ช่วยให้เงื่อนไขบางประการในการวัดปริมาณทางกายภาพ มันถูกเรียกว่ากฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งมีจุดประสงค์หลักคือการอนุรักษ์ค่านี้ในระบบที่แยกออกมา
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานกำหนดปริมาณความร้อนขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ในระหว่างการศึกษาทดลองที่จัดทำโดย Mayer, Helmholtz, Joule ได้แยกแยะพลังงานประเภทต่างๆ: ศักยภาพ, จลนศาสตร์ การรวมกันของสายพันธุ์เหล่านี้เรียกว่าเครื่องกล, เคมี, ไฟฟ้า, ความร้อน
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานมีสูตรดังต่อไปนี้: "การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์"
เมเยอร์สรุปว่าทุกสายพันธุ์ของปริมาณนี้สามารถเปลี่ยนกันได้หากปริมาณความร้อนทั้งหมดไม่เปลี่ยนแปลง
นิพจน์ทางคณิตศาสตร์
ตัวอย่างเช่น อุตสาหกรรมเคมีคือความสมดุลของพลังงาน อุตสาหกรรมเคมีคือความสมดุลของพลังงาน
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานสร้างความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณพลังงานความร้อนที่เข้าสู่โซนปฏิกิริยาของสารต่างๆ กับปริมาณที่ออกจากโซนนี้
การเปลี่ยนแปลงจากพลังงานประเภทหนึ่งไปสู่อีกประเภทหนึ่งไม่ได้หมายความว่าพลังงานนั้นจะหายไป ไม่ พบเพียงการเปลี่ยนแปลงของเธอในรูปแบบอื่น
มีสัมพันธ์คืองาน-พลังงาน กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานถือว่าความคงตัวของปริมาณนี้ (ทั้งหมดปริมาณ) สำหรับกระบวนการใดๆ ที่เกิดขึ้นในระบบที่แยกได้ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าในกระบวนการเปลี่ยนผ่านจากสปีชีส์หนึ่งไปยังอีกสปีชีส์หนึ่งจะสังเกตเห็นความเท่าเทียมกันเชิงปริมาณ เพื่อให้คำอธิบายเชิงปริมาณของการเคลื่อนที่ประเภทต่างๆ ฟิสิกส์ได้แนะนำนิวเคลียร์ เคมี แม่เหล็กไฟฟ้า พลังงานความร้อน
ถ้อยคำสมัยใหม่
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานอ่านว่าอย่างไรในปัจจุบัน? ฟิสิกส์คลาสสิกเสนอสัญกรณ์ทางคณิตศาสตร์ของสมมุติฐานนี้ในรูปแบบของสมการทั่วไปของรัฐสำหรับระบบปิดทางอุณหพลศาสตร์:
W=Wk + Wp + U
สมการนี้แสดงว่าพลังงานกลทั้งหมดของระบบปิดถูกกำหนดเป็นผลรวมของจลนศาสตร์ ศักยภาพ และพลังงานภายใน
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน ซึ่งเป็นสูตรที่นำเสนอข้างต้น อธิบายค่าคงที่ของปริมาณทางกายภาพในระบบปิด
ข้อเสียเปรียบหลักของสัญกรณ์คณิตศาสตร์คือความเกี่ยวข้องเฉพาะกับระบบเทอร์โมไดนามิกแบบปิดเท่านั้น
เปิดระบบ
ถ้าเราคำนึงถึงหลักการของการเพิ่มขึ้น ค่อนข้างเป็นไปได้ที่จะขยายกฎการอนุรักษ์พลังงานไปยังระบบทางกายภาพที่ไม่ปิด หลักการนี้แนะนำให้เขียนสมการทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับคำอธิบายสถานะของระบบ ไม่ใช่ในแง่สัมบูรณ์ แต่ให้เพิ่มเป็นตัวเลข
เพื่อพิจารณาพลังงานทุกรูปแบบอย่างเต็มที่ จึงเสนอให้เพิ่มสมการคลาสสิกของระบบในอุดมคติผลรวมของการเพิ่มพลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบที่วิเคราะห์ภายใต้อิทธิพลของรูปแบบต่างๆของสนาม
ในเวอร์ชันทั่วไป สมการของรัฐจะเป็นดังนี้:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
สมการนี้ถือว่าสมบูรณ์ที่สุดในฟิสิกส์ยุคใหม่ มันคือพื้นฐานของกฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน
ความหมาย
วิทยาศาสตร์ไม่มีข้อยกเว้นสำหรับกฎหมายนี้ กฎนี้ควบคุมปรากฏการณ์ทางธรรมชาติทั้งหมด มันอยู่บนพื้นฐานของสมมติฐานนี้ที่สามารถเสนอสมมติฐานเกี่ยวกับเครื่องมือต่าง ๆ รวมถึงการพิสูจน์ความเป็นจริงของการพัฒนากลไกถาวร สามารถใช้ได้ในทุกกรณีที่จำเป็นต้องอธิบายการเปลี่ยนผ่านของพลังงานประเภทหนึ่งเป็นอีกประเภทหนึ่ง
การใช้งานเครื่องกล
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงานในปัจจุบันอ่านว่าอย่างไร? สาระสำคัญของมันอยู่ที่การเปลี่ยนผ่านของปริมาณประเภทหนึ่งไปยังอีกปริมาณหนึ่ง แต่ในขณะเดียวกันมูลค่าโดยรวมของปริมาณนี้ก็ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ระบบเหล่านั้นที่ใช้กระบวนการทางกลเรียกว่าอนุรักษ์นิยม ระบบดังกล่าวได้รับการปรับให้เป็นอุดมคติ กล่าวคือ ไม่คำนึงถึงแรงเสียดทาน ความต้านทานประเภทอื่นๆ ที่ทำให้เกิดการกระจายพลังงานกล
ในระบบอนุรักษ์นิยม จะเกิดการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของพลังงานศักย์เป็นพลังงานจลน์เท่านั้น
การทำงานของแรงที่กระทำต่อร่างกายในระบบดังกล่าวไม่เกี่ยวข้องกับรูปร่างของเส้นทาง คุณค่าของมันขึ้นอยู่กับตำแหน่งสุดท้ายและเริ่มต้นของร่างกาย ตัวอย่างของแรงประเภทนี้ในวิชาฟิสิกส์ ให้พิจารณาแรงโน้มถ่วง ในระบบอนุรักษ์นิยม มูลค่างานของแรงในส่วนปิดเป็นศูนย์ และกฎการอนุรักษ์พลังงานจะใช้ได้ในรูปแบบต่อไปนี้ “ในระบบปิดแบบอนุรักษ์นิยม ผลรวมของศักย์ไฟฟ้าและพลังงานจลน์ ของร่างกายที่ประกอบเป็นระบบยังคงไม่เปลี่ยนแปลง”
ตัวอย่างเช่น ในกรณีที่ร่างกายล้มอย่างอิสระ พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นรูปจลนศาสตร์ ในขณะที่มูลค่ารวมของประเภทนี้จะไม่เปลี่ยนแปลง
สรุป
งานเครื่องกลถือเป็นวิธีเดียวในการเปลี่ยนการเคลื่อนไหวทางกลร่วมกันเป็นรูปแบบอื่น
กฎหมายฉบับนี้พบการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยี หลังจากดับเครื่องยนต์ของรถ จะมีการสูญเสียพลังงานจลน์ทีละน้อยตามด้วยการหยุดรถ จากการศึกษาพบว่าในกรณีนี้ มีการปล่อยความร้อนออกมาจำนวนหนึ่ง ดังนั้นวัตถุที่ถูจะร้อนขึ้น และเพิ่มพลังงานภายใน ในกรณีของแรงเสียดทานหรือความต้านทานต่อการเคลื่อนไหว จะสังเกตการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นค่าภายใน ซึ่งบ่งชี้ถึงความถูกต้องของกฎหมาย
สูตรที่ทันสมัยของมันดูเหมือนว่า: “พลังของระบบที่แยกออกมาไม่หายไปไหน ไม่ปรากฏขึ้นจากที่ไหนเลย ในปรากฏการณ์ใด ๆ ที่มีอยู่ภายในระบบ มีการเปลี่ยนแปลงของพลังงานประเภทหนึ่งไปยังอีกประเภทหนึ่ง ถ่ายโอนจากร่างกายหนึ่งไปยังอีกร่างกายหนึ่งโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณ”
หลังจากค้นพบกฎนี้ นักฟิสิกส์ไม่ทิ้งความคิดที่จะสร้างเครื่องเคลื่อนไหวแบบถาวร ซึ่งในรอบปิดนั้น ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทโดยระบบจะไม่เปลี่ยนแปลงไป โลกโดยรอบเมื่อเทียบกับความร้อนที่ได้รับจากภายนอก เครื่องจักรดังกล่าวอาจกลายเป็นแหล่งความร้อนที่ไม่มีวันหมด ซึ่งเป็นแนวทางในการแก้ปัญหาพลังงานของมนุษยชาติ