Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë është një nga postulatet më të rëndësishme të fizikës. Merrni parasysh historinë e paraqitjes së saj, si dhe fushat kryesore të aplikimit.
Faqet e historisë
Së pari, le të zbulojmë se kush e zbuloi ligjin e ruajtjes dhe transformimit të energjisë. Në vitin 1841, fizikani anglez Joule dhe shkencëtari rus Lenz kryen eksperimente paralelisht, si rezultat i të cilave shkencëtarët arritën të zbulojnë në praktikë lidhjen midis punës mekanike dhe nxehtësisë.
Studime të shumta të kryera nga fizikantë në pjesë të ndryshme të planetit tonë paracaktuan zbulimin e ligjit të ruajtjes dhe transformimit të energjisë. Në mesin e shekullit të nëntëmbëdhjetë, shkencëtari gjerman Mayer dha formulimin e tij. Shkencëtari u përpoq të përmbledhë të gjitha informacionet rreth elektricitetit, lëvizjes mekanike, magnetizmit, fiziologjisë njerëzore që ekzistonin në atë kohë.
Rreth të njëjtës periudhë, mendime të ngjashme u shprehën nga shkencëtarë në Danimarkë, Angli, Gjermani.
Eksperimente mengrohtësi
Megjithë shumëllojshmërinë e ideve në lidhje me nxehtësinë, një pamje e plotë e saj iu dha vetëm shkencëtarit rus Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Bashkëkohësit nuk i mbështetën idetë e tij, ata besonin se nxehtësia nuk ishte e lidhur me lëvizjen e grimcave më të vogla që përbëjnë lëndën.
Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë mekanike, i propozuar nga Lomonosov, u mbështet vetëm pasi Rumfoord arriti të provojë praninë e lëvizjes së grimcave brenda materies gjatë eksperimenteve.
Për të marrë nxehtësi, fizikani Davy u përpoq të shkrinte akullin duke fërkuar dy copa akulli me njëra-tjetrën. Ai parashtroi një hipotezë sipas së cilës nxehtësia konsiderohej si një lëvizje osciluese e grimcave të materies.
Ligji i Mayer-it për ruajtjen dhe transformimin e energjisë supozonte pandryshueshmërinë e forcave që shkaktojnë shfaqjen e nxehtësisë. Kjo ide u kritikua nga shkencëtarë të tjerë, të cilët kujtuan se forca lidhet me shpejtësinë dhe masën, prandaj vlera e saj nuk mund të mbetet e pandryshuar.
Në fund të shekullit të nëntëmbëdhjetë, Mayer përmblodhi idetë e tij në një pamflet dhe u përpoq të zgjidhte problemin aktual të nxehtësisë. Si përdorej ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë në atë kohë? Në mekanikë, nuk kishte konsensus se si të përftohej, transformohej energjia, kështu që kjo pyetje mbeti e hapur deri në fund të shekullit të nëntëmbëdhjetë.
Veçori e ligjit
Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë është një nga themelorët, i cili lejonkushte të caktuara për të matur sasitë fizike. Quhet ligji i parë i termodinamikës, objekti kryesor i të cilit është ruajtja e kësaj vlere në një sistem të izoluar.
Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë përcakton varësinë e sasisë së nxehtësisë nga faktorë të ndryshëm. Në rrjedhën e studimeve eksperimentale të kryera nga Mayer, Helmholtz, Joule, u dalluan lloje të ndryshme të energjisë: potenciale, kinetike. Kombinimi i këtyre specieve u quajt mekanike, kimike, elektrike, termike.
Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë kishte formulimin e mëposhtëm: "Ndryshimi në energjinë kinetike është i barabartë me ndryshimin në energjinë potenciale."
Mayer arriti në përfundimin se të gjitha varietetet e kësaj sasie janë të afta të shndërrohen në njëra-tjetrën nëse sasia totale e nxehtësisë mbetet e pandryshuar.
Shprehje matematikore
Për shembull, si një shprehje sasiore e ligjit, industria kimike është bilanci i energjisë.
Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë vendos një lidhje midis sasisë së energjisë termike që hyn në zonën e bashkëveprimit të substancave të ndryshme, me sasinë që del nga kjo zonë.
Tranzicioni nga një lloj energjie në tjetrin nuk do të thotë se ajo zhduket. Jo, vërehet vetëm shndërrimi i saj në një formë tjetër.
Në të njëjtën kohë, ekziston një marrëdhënie: punë - energji. Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë supozon qëndrueshmërinë e kësaj sasie (gjithsejsasi) për çdo proces që ndodh në një sistem të izoluar. Kjo tregon se në procesin e kalimit nga një specie në tjetrën, vërehet ekuivalenca sasiore. Për të dhënë një përshkrim sasior të llojeve të ndryshme të lëvizjes, energjia bërthamore, kimike, elektromagnetike, termike u prezantua në fizikë.
Formulimi modern
Si lexohet sot ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë? Fizika klasike ofron një shënim matematikor të këtij postulati në formën e një ekuacioni të përgjithësuar të gjendjes për një sistem të mbyllur termodinamik:
W=Wk + Wp + U
Ky ekuacion tregon se energjia totale mekanike e një sistemi të mbyllur përcaktohet si shuma e energjive të brendshme kinetike, potenciale.
Ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë, formula e të cilit u prezantua më sipër, shpjegon pandryshueshmërinë e kësaj sasie fizike në një sistem të mbyllur.
Disavantazhi kryesor i shënimit matematik është rëndësia e tij vetëm për një sistem termodinamik të mbyllur.
Sisteme të hapura
Nëse marrim parasysh parimin e rritjeve, është mjaft e mundur të shtrihet ligji i ruajtjes së energjisë në sistemet fizike jo të mbyllura. Ky parim rekomandon shkrimin e ekuacioneve matematikore që lidhen me përshkrimin e gjendjes së sistemit, jo në terma absolutë, por në rritjet e tyre numerike.
Për të marrë parasysh plotësisht të gjitha format e energjisë, u propozua të shtohej në ekuacionin klasik të një sistemi idealshuma e rritjeve të energjisë që shkaktohen nga ndryshimet në gjendjen e sistemit të analizuar nën ndikimin e formave të ndryshme të fushës.
Në versionin e përgjithësuar, ekuacioni i gjendjes është si më poshtë:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Ky ekuacion konsiderohet më i kompletuari në fizikën moderne. Ishte ajo që u bë baza e ligjit të ruajtjes dhe transformimit të energjisë.
Kuptimi
Në shkencë nuk ka përjashtime nga ky ligj, ai rregullon të gjitha fenomenet natyrore. Është mbi bazën e këtij postulati që mund të parashtrohen hipoteza për motorë të ndryshëm, duke përfshirë përgënjeshtrimin e realitetit të zhvillimit të një mekanizmi të përhershëm. Mund të përdoret në të gjitha rastet kur është e nevojshme të shpjegohen kalimet e një lloji energjie në një tjetër.
Zbatime mekanike
Si lexohet ligji i ruajtjes dhe transformimit të energjisë në kohën e tanishme? Thelbi i saj qëndron në kalimin e një lloji të kësaj sasie në një tjetër, por në të njëjtën kohë vlera e saj e përgjithshme mbetet e pandryshuar. Ato sisteme në të cilat kryhen proceset mekanike quhen konservatore. Sisteme të tilla idealizohen, domethënë nuk marrin parasysh forcat e fërkimit, llojet e tjera të rezistencës që shkaktojnë shpërndarje të energjisë mekanike.
Në një sistem konservator ndodhin vetëm kalimet e ndërsjella të energjisë potenciale në energji kinetike.
Puna e forcave që veprojnë mbi një trup në një sistem të tillë nuk lidhet me formën e shtegut. Vlera e sajvaret nga pozicioni përfundimtar dhe fillestar i trupit. Si shembull i forcave të këtij lloji në fizikë merrni parasysh forcën e gravitetit. Në një sistem konservator, vlera e punës së një force në një seksion të mbyllur është zero, dhe ligji i ruajtjes së energjisë do të jetë i vlefshëm në formën e mëposhtme: Në një sistem të mbyllur konservator, shuma e potencialit dhe energjisë kinetike i trupave që përbëjnë sistemin mbetet i pandryshuar.”
Për shembull, në rastin e një rënie të lirë të një trupi, energjia potenciale ndryshon në një formë kinetike, ndërsa vlera totale e këtyre llojeve nuk ndryshon.
Në përfundim
Puna mekanike mund të konsiderohet si mënyra e vetme e kalimit të ndërsjellë të lëvizjes mekanike në forma të tjera të materies.
Ky ligj ka gjetur zbatim në teknologji. Pas fikjes së motorit të makinës, ka një humbje graduale të energjisë kinetike, e ndjekur nga ndalimi i mjetit. Studimet kanë treguar se në këtë rast lirohet një sasi e caktuar nxehtësie, prandaj trupat fërkues nxehen duke rritur energjinë e tyre të brendshme. Në rastin e fërkimit ose të ndonjë rezistence ndaj lëvizjes, vërehet një kalim i energjisë mekanike në një vlerë të brendshme, gjë që tregon korrektësinë e ligjit.
Formulimi i tij modern duket si: “Energjia e një sistemi të izoluar nuk zhduket askund, nuk shfaqet nga askund. Në çdo fenomen që ekziston brenda sistemit, ka një kalim të një lloji energjie në një tjetër, transferim nga një trup në tjetrin, pandryshim sasior.”
Pas zbulimit të këtij ligji, fizikanët nuk e lënë idenë e krijimit të një makinerie me lëvizje të përhershme, në të cilën, në një cikël të mbyllur, nuk do të kishte ndryshim në sasinë e nxehtësisë së transferuar nga sistemi në bota përreth, në krahasim me nxehtësinë e marrë nga jashtë. Një makinë e tillë mund të bëhet një burim i pashtershëm nxehtësie, një mënyrë për të zgjidhur problemin energjetik të njerëzimit.
