Закон сохранения энергии считается фундаментальной научной теорией, которая была установлена эмпирическим способом. Она оказала значительное влияние на последующее развитие физики и прочих научных отраслей. При этом далеко не каждому человеку известно, кто конкретно открыл закон сохранения энергии. На самом деле вклад в появление этой теории внес далеко не один ученый.
Описание закона
Эта теория представляет собой фундаментальный закон природы, который был установлен эмпирическим способом. Он заключался в том, что для изолированной физической системы можно ввести скалярный физический параметр. Он представляет собой функцию показателей системы и называется энергией, которая способна с течением времени сохраняться. Так как этот закон нельзя отнести к конкретным параметрам и явлениям, и он в большей степени отражает общую закономерность, данное понятие можно называть принципом сохранения энергии.
Фундаментальная суть этот понятия раскрывается в теореме Нетер. Согласно ей, любой закон сохранения четко соответствует определенной системе уравнений, которые описывают физическую систему. Так, закон сохранения энергии стоит считать эквивалентным однородности времени. Это означает, что все законы, описывающие систему, не зависят от момента времени, в котором она рассматривается.
Под влиянием исторических факторов этот закон в разных разделах физики имел независимые формулировки. Именно поэтому стали применять разные виды энергии. Существует мнение, что один тип энергии может переходить в другой. Однако полная энергия системы, которая равна сумме отдельных видов, остается неизменной. Поскольку деление этого понятия на разновидности носит весьма условный характер, его нельзя провести однозначно.
Для каждого из видов энергии закон сохранения может отличаться своей формулировкой, которая имеет некоторые отличия от универсальной. К примеру, в классической механике применяется закон механической энергии, электродинамика использует теорему Пойнтинга, а термодинамика – первое начало термодинамики. При этом важно знать, кто придумал эту теорию.
Формулы и единицы измерения
Полная механическая энергия представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергии тела. Потому формула закона сохранения энергии выглядит так:
E=Ep+Ek=const,
где Ep – потенциальная энергия;
Ek – кинетическая энергия.
Эта величина измеряется в джоулях. Важно учитывать, что оба вида энергии могут меняться. К примеру, во время падения мяча показатели кинетической энергии увеличиваются, поскольку скорость движения нарастает. При этом потенциальные параметры уменьшаются, так как сокращается высота тела по отношению к земле. Это позволяет понять, какие разные виды энергии переходят друг в друга. При этом полный параметр остается постоянным при условии отсутствия сопротивления воздуха и других энергетических потерь.
Примеры закона в реальной жизни
Превращение одного вида энергии в другой можно понять с помощью простых бытовых примеров. Одним из них может стать забивание гвоздя с помощью молотка. Этот процесс наглядно демонстрирует передачу механической энергии от молотка к гвоздю. Закон в данном случае заключается в том, что, сколько молоток отдает энергии при ударе, ровно столько же получает гвоздь.
В качестве другого примера стоит привести кубики льда, погруженные в бокал с газированной водой. Лед растает, если сообщить ему столько же джоулей тепла, сколько забрали у воды при температуре 0 градусов во время заморозки. Если вода окажется недостаточно теплой, лед таять сразу не начнет. Если же бокал оставить на длительное время на столе, кубики все равно растают, так как они получат нужное количество тепла из воздуха.
Также можно привести пример с теплым молоком, которое используют при простуде. Такой напиток прекрасно прогревает горло, отдавая тепло, что помогает вылечиться. При этом молоко остывает в горле и не греет желудок.
Теряется ли энергия при передаче
В указанных примерах наблюдаются значительные теплопотери, которые требуются для нагревания окружающих объектов. Однако большая часть энергетического потенциала расходуется на полезные действия. Если исключить потери тепла, удастся сделать процесс значительно эффективнее. Это возможно в системах, в которых энергия не выходит наружу и не тратится. Потому ее потери являются минимальным. В качестве примера такой системы стоит привести термос. Горячая вода в нем длительное время не остывает, так как теплопотери минимальны.
При этом, с точки зрения физики, полная механическая энергия сохраняется в системах, которые называются изолированными. Получить их довольно сложно. Всегда встречаются силы, которые будут действовать извне. В качестве наглядного примера такой системы стоит привести жизнь космонавтов на орбитальном комплексе, который вращается вокруг земли.
Если космонавт оттолкнется от пола на Земле, под влиянием силы притяжения он тут же вернется обратно. В орбитальном комплексе гравитацию компенсирует движение корабля по круговой орбите. В таком случае космонавт находится в состоянии невесомости. Он может оттолкнуться от пола и лететь вверх довольно долго, пока не достигнет потолка.
Тело космонавта стоит рассматривать как изолированную систему, поскольку на него не действуют внешние факторы. При этом силы сопротивления движению со стороны воздуха минимальны.
История открытия
Закономерности взаимодействия физических тел интересовали мыслителей еще во времена античности. Однако они не имели возможности описать их с научной точки зрения. Первым это удалось сделать Рене Декарту в работе «Начала философии», которая появилась в середине семнадцатого века. Ученый отмечал, что при столкновении одного тела с другим оно может отдать ему столько движения, сколько второе у него отнимет.
Теорию Декарта впоследствии развил Лейбниц. Он использовал термин «живая сила». Аналогичные рассуждения вел и Михаил Ломоносов. Однако в тот период все формулировки в большей степени представляли собой принцип, тогда как закон и формулы отсутствовали.
Важный вклад в установление количественной связи между теплотой и работой внес французский ученый Сади Карно. Причем интересные рассуждения исследователя были опубликованы уже после его смерти. Он говорил о том, что тело представляет собой движущую силу. Везде, где уничтожается движущая сила, одновременно появляется теплота. При этом ее количество точно пропорционально количеству исчезнувшей движущей силы.
Следующее важное достижение принадлежит немецкому физику Роберту Майеру. По сути, он первым сформулировал закон сохранения энергии. Это случилось в 1842 году. Ученый установил, что химическая реакция приводит к созданию тепла и работы. Они, в свою очередь, вырабатывают еще больше тепла.
Стоит отметить, что открытие Майера не было оценено по достоинству. Это произошло намного позже, когда Джеймс Джоуль опубликовал свой труд. Во время изучения электрических двигателей ученый установил, что тепло, которое проходит через провод, прямо пропорционально количеству выполненной динамо-машиной работы. Он дал этому открытию название теории калорий. В конечном итоге Майеру и Джоулю удалось установить, что работа превращается в количество тепла в том же численном эквиваленте.
В каком классе проходят эту тему
Закон сохранения механической энергии проходят на уроках физики в седьмом классе. Если же применять эту теорию к тепловым процессам, то эта тема входит в программу восьмого класса.
Закон сохранения энергии считается важнейшей теорией, которая оказала значительное влияние на развитие физики и других дисциплин. Первым ее сформулировал немецкий физик Роберт Майер. Однако свой вклад в появление этого принципа внесли многие ученые.
Сообщение появились сначала на .
Комментарии (0)