История формулировки закона сохранения энергии
История формулировки закона сохранения энергииИСТОРИЯ НАУКИ
В.М.Дуков
Окончание. См. № 24/02
Начало установления количественной связи между работой и теплотой связано с именем молодого французского ученого Сади Карно (1796–1832). Карно – инженер по роду деятельности, физик по складу мышления – племянник замечательного ученого и государственного деятеля периода Великой французской революции Лазара Карно (1753–1823).
В 1814 г. Сади Карно окончил Политехническую школу в Париже, затем поступил в инженерные войска. В 1827 г. он был произведен в капитаны и вскоре вышел в отставку. О его научной деятельности, которую он совмещал с военной службой, известно очень мало. Зато вечную мировую славу завоевала опубликованная в 1824 г. его единственная небольшая книжка «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».
В течение 10 лет никто не обращал внимания на эту
брошюру, пока ее не «открыл» Клапейрон.
Интересные записки опубликовал брат Карно после его смерти. В них был, по существу, сформулирован в частной форме закон сохранения энергии. Карно писал в «Размышлениях»: «Тепло – это не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила».
Таким образом, можно высказать общее предположение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно, никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движений, то другой, но никогда не исчезает.
Если «движущую силу» заменить словом
«энергия», то перед нами – четкая формулировка
закона сохранения энергии. В записках Карно
сказано следующее: «По некоторым представлениям,
которые у меня сложились относительно теории
тепла, создание единицы движущей силы требует
затраты 2,7 единицы тепла».
К сожалению, Карно не привел рассуждений, которые привели его к такому результату. Если единицей работы считать кг•м, а единицей теплоты – калорию, то эта оценка близка к полученной далее экспериментаторами.
Но для утверждения связи между работой и теплотой необходим был количественный эксперимент. Нужно было показать, что при затрате единицы работы получается всегда одно и тоже количество теплоты. Это продемонстрировал английский физик Д.П.Джоуль (1818–1889) в своих классических экспериментах, проведенных в 1850 г.
Джоуль родился в Сальфорде близ Манчестера. С
ранних лет он проявлял необычайную
любознательность и стремление раскрыть тайны
природы путем постановки искусного
эксперимента. Будучи владельцем большого
винного завода (в ученых кругах его называли
«пивоваром из Сальфорда»), он завел у себя хорошо
оборудованную домашнюю лабораторию, в которой в
течение многих лет проводил систематические
исследования, направленные на всестороннее
обоснование закона сохранения энергии.
Схема установки Д.Джоуля
Идейную основу этих довольно сложных в исполнении опытов легко усмотреть из схемы, изображенной на риcунке. Падающие с определенной высоты грузы приводили во вращение вертушку, помещенную в калориметр. Конструкция последнего была такова, что жидкость не могла вращаться всей своей массой, вертушка испытывала сильное сопротивление вращению, и жидкость нагревалась. Зная массу и теплоемкость калориметра, можно по повышению его температуры определить количество выделившейся теплоты: Q = cmDt. Совершенная при этом работа равна потенциальной энергии падающих грузов: А = mgh. Результатом этих опытов, которые затем многократно повторялись в других вариантах, стало знаменитое равенство:
1 Дж = 0,24 кал.
Это так называемый термический эквивалент работы.
Вместо термического эквивалента работы можно говорить о механическом эквиваленте теплоты и результат опытов Джоуля выражать равенством
1 кал = 4,18 Дж.
Заметим, что теплота – специфическая форма движения материи, подчиненная статистическим закономерностям. Энергия теплового движения качественно отлична от механической энергии, что проявляется при превращениях. Механическая энергия целиком переходит в тепловую, равенство 1Дж=0,24кал – результат эксперимента. Но обратный переход – необратимый процесс, – он протекает с потерями, рассеянием энергии, поэтому источник, который отдает количество теплоты, равное 1 кал, производит работу, меньшую 4,18 Дж. Разница переходит во внутреннюю энергию, так что соблюдается закон сохранения энергии
Установление всеобщего закона сохранения энергии и введение интернациональной системы единиц СИ привело к исключению понятия механического эквивалента теплоты. Измерение количества теплоты можно производить в Дж, так что в особой единице для тепловых измерений нет нужды.
3. Осознание общности закона
Начало XIX в. замечательно открытием множества
явлений, демонстрировавших превращение сил
природы.
Первую роль здесь сыграл электрический
ток с его химическими, тепловыми, магнитными и
электродинамическими действиями. Отсюда
умонастроение ученых, которое Фарадей выразил в
следующем откровении: «Я давно придерживался
мнения, ставшего почти убеждением, что различные
формы, в которых проявляются силы материи, имеют
общее происхождение или, иными словами, так
непосредственно связаны или взаимосвязаны, что
они могут превращаться друг в друга и обладают в
своих действиях эквивалентами сил».
Убеждение в единстве и взаимной превращаемости сил природы играет роль компаса, ведущего Фарадея в глубь неизведанного. По существу, Фарадей владеет законом сохранения энергии и использует его в качестве инструмента научного исследования.
Вот еще один пример. В
«Экспериментальных исследованиях по
электричеству» он пишет: «Контактная теория
(речь идет о контактной теории гальванической
эдс. – В.Д.) принимает, что сила, способная
преодолеть мощные сопротивления, может
возникнуть из ничего. Это было бы сотворением
силы, что нигде не имеет места без
соответствующего исчерпания того, что питает ее.
Если бы контактная теория была верна, то
следовало бы отрицать равенство причины и
действия. Но тогда был бы возможен и perpetuum mobile».
Но наибольшего обобщения достиг немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814–1878) – ученый с необыкновенными интуицией и воображением. Будучи судовым врачом, он провел физиологические наблюдения изменений цвета крови у матросов, перешедших из умеренного в тропический пояс. Майер пришел к выводу, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови – артериальной и венозной. Эта разница является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме» (подчеркнуто мною. – В.Д.).
Из области медицинских наблюдений Майер
переходит к анализу физико-химических процессов
и опирается при этом на закон сохранения сил.
Свои размышления он оформил в виде статьи «О
количественном и качественном определении сил»
и послал в журнал.
Майер утверждал, что «движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Он ставит принципиальной важности задачи на закон сохранения энергии, например: «Как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равного ему по весу количеству воды от 0 до 1 °?»
Майер вычисляет из опытов над «сжатием
воздуха», что одна калория эквивалентна поднятию
одного килограмма на 0,365 м. При этом он использует
уравнение состояния идеальных газов и вычисляет
разность теплоемкостей при постоянном давлении
и постоянном объеме.
vСвои выводы о сохранении сил природы при превращениях Майер переносит на органическую природу. В частности, он развивает мысль о значении процесса ассимиляции в растениях для поддержания жизнедеятельности организмов. Внушительны его аргументы в опровержение распространенной тогда в науке теории о существовании особой жизненной силы.
В сочинении «Динамика неба» законы сохранения
переносятся на космические явления. Вот отрывок
из этой книги: «Часто и удачно Солнце сравнивают
с непрерывно звучащим колоколом. Но что же
поддерживает звучание этого небесного тела,
столь величественно и чудесно наполняющего
небесные пространства своими лучами, что
поддерживает его в вечно неослабевающей силе и
юности? Что предохраняет его от полного
истощения, от наступления равновесия, дабы ночь и
смертельный холод не заполнили пространства
нашей планетной системы? Всеобщий закон природы,
не допускающий никаких исключений, гласит, что
для образования тепла необходима известная
затрата.
Статья подготовлена при поддержке кредитного потребительского кооператива «ДаНаЯ». Если Вы решили получить кредит для своих нужд, то оптимальным решением станет обратиться в кооператив «ДаНаЯ». Перейдя по ссылке: «помощь в получении кредита», вы сможете, не отходя от экрана монитора, узнать более подробную информацию о получении кредита и действующих акциях. В кооперативе «ДаНаЯ» работают только высококвалифицированные специалисты с огромным опытом работы с клиентами в сфере кредитования населения.
Рядом с Майером стоит имя Джоуля. С такой же
целеустремленностью он шел к всестороннему
экспериментальному обоснованию общности закона
сохранения энергии. Выше говорилось о его
классическом опыте по определению термического
эквивалента работы. Но его первое исследование
было посвящено превращению электричества в
теплоту.
В работе 1841 г. «О теплоте, выделяемой
металлическими проводниками электричества и
элементами батарей при электролизе» он приходит
к известному закону: Q=I2Rt.
Далее Джоуль перешел к другому виду превращения энергии. В работе «Об электрическом происхождении теплоты горения» он показал, что количество теплоты, выделяемой током в цепи, тождественно теплоте, которая может быть получена непосредственным окислением составляющих цепь металлов, включая водород. Отсюда ученый заключил, что теплота, выделяющаяся во внешней цепи гальванического элемента, является результатом превращения теплоты химических реакций.
Экспериментами, где электрический ток одновременно выделяет теплоту и производит механическую работу, Джоуль доказывает, что энергия сохраняется и при сложных превращениях.
vВ серии работ 1843 г. «О
тепловом эффекте магнитоэлектричества и
механической величине тепла» Джоуль открывает,
что теплота, выделяющаяся в нагрузке
магнито-электрического генератора имеет своим
источником механическую работу.
Он заставляет
вращаться катушку между полюсами сильного
магнита с помощью падающих грузов. Катушка была
помещена в стеклянную трубку с водой, последняя
выполняла роль калориметра. Возбуждаемый в
катушке индукционный ток приводил к выделению
теплоты и повышению температуры воды. Зная массу
грузов и высоту падения, можно было определить
затраченную энергию, а по величине массы воды и
повышению ее температуры – полученное
количество теплоты, отсюда получалось
соотношение между джоулем и калорией –
термический эквивалент работы: 1Дж=0,24 кал.
Далее Джоуль изучает непосредственное превращение механической работы в теплоту. Продавливая воду через узкие трубки, он сравнивает произведенную работу и выделившееся количество теплоты. Затем он сжимает воздух и измеряет затраченную при этом работу и полученное повышение его температуры. И во всех случаях он обнаруживает пропорциональность выделившегося количества теплоты произведенной работе.
4. Первая точная формулировка закона. Переход к понятию энергии
Хотя факт сохранения сил природы их
многообразных превращений был установлен целым
рядом независимых экспериментов, он не имел
точного выражения, поэтому оставался неким
утверждением философского толка, а физики
середины XIX в.
скептически относились к таким
утверждениям, тем более что публиковались они не
профессионалами.
Необходимо было сформулировать закон в точных понятиях и дать ему математическое выражение. Это сделал Герман Гельмгольц (1821–1894).
Гельмгольц родился в Потсдаме, в семье учителя гимназии. Мать его происходила из семьи английских эмигрантов. Стесненный семейный бюджет не позволил талантливому юноше поступить в университет, пришлось выбрать карьеру врача. В казармах Постдама Гельмгольц начал физиологические исследования, одновременно изучая труды классиков физики.
Он быстро вышел на путь самостоятельного творчества и обобщений. Молодой военный врач публикует в 1847 г. книгу «О сохранении силы», которая сразу сделала его известным физиком. Однако это мало повлияло на его карьеру.
По рекомендации Гумбольта Гельмгольц получил
место ассистента в анатомо-физиологическом
музее Берлина, но его успехи в науке столь
впечатляющи, что его через год приглашает
Кеннингсбергский университет на должность
профессора анатомии и физиологии.
Постепенно растет удельный вес физической тематики в его исследованиях, и Гельмгольц становится главой немецкой физической школы. Он поразительно разносторонен: наряду с работами по обоснованию закона сохранения энергии, исследования по термодинамике, по электродинамике химических процессов, по механике вихревых движений в жидкостях, оптические, физические и физиологические исследования, основополагающие труды по физиологии слуха и зрения. Он первый измерил теплообразование в мышцах, скорость распространения нервных импульсов. Вместе с тем Гельмгольц был блестящим популяризатором науки.
В поисках математической формулировки закона
сохранения сил природы Гельмгольц опирался на
последовательно механическую концепцию: материя
представляет собой совокупность материальных
точек, между которыми действуют центральные
силы. Целью физической науки, согласно
Гельмгольцу, является сведение явлений природы к
движению и взаимодействию материальных точек,
притягивающихся или отталкивающихся силами,
зависящими от расстояния между ними.
Если исходить из такой модели материи, то все виды сил (энергии) можно свести к двум: живым силам движущихся материальных точек (энергии движения) и силам напряжения (энергии положения). Тогда закон сохранения сил (энергии) можно сформулировать так: «Когда тела природы действуют друг на друга с силами притяжения или отталкивания, не зависящими от времени и скорости, то сумма их живых сил и сил напряжения остается постоянной. Максимум работы, которую можно получить, является, таким образом, определенным, конечным».
М.Планк в своей книге «Принцип сохранения
энергии» следующим образом поясняет идею
Гельмгольца: «Преобразование принципа живой
силы, принятое Гельмгольцем для того, чтобы
превратить его в принцип сохранения силы,
заключается в том, что в уравнение, выражающее
соотношение живой силы L и работы А,
произведенной действующими силами L + А = const, он
вводит вместо понятия работы А понятие
количества сил напряжения U, равное и
противоположное по знаку величине работы А.
Сила
напряжения, так же как и работа, зависит только от
мгновенного состояния системы, и вышеуказанное
уравнение можно сформулировать следующим
образом: сумма количества живой силы и силы
напряжения остается неизменной во времени: L + А =
const. Если мы эту сумму коротко обозначим как силу,
заключенную в системе, то тем самым мы получим
закон сохранения силы.
Как ни незначительным кажется, на первый
взгляд, это преобразование, перспектива, которую
он открывает во всех областях физики,
чрезвычайно велика, ибо возможность его
обобщения для любых явлений природы легко
бросается в глаза. Главное основание для такого
обобщения заключается в том, что принцип
сохранения силы выступает параллельно с давно
уже известным и, так сказать, перешедшим в
инстинкт, принципом сохранения материи. Так же,
как количество содержащейся в системе тел и
измеряемой их весом материи не может быть
никакими средствами уменьшено или увеличено,
какие бы различные физические и химические
превращения не происходили в системе, так и
количество содержащейся в системе силы
представляет собой самостоятельную, совершенно
неизменную величину.
Сила, так же как и материя,
может быть представлена в многообразных формах,
но прежде всего она проявляется в двух основных
формах: как живая сила и как сила напряжения. Обе
эти формы могут выступать различнейшим образом:
живая сила – как видимое движение, как свет,
теплота; сила напряжения – как поднятие тяжести,
как упругое напряжение, как электрическое
напряжение».
Особый интерес в этом пояснении представляет указание Планка на аналогию законов сохранения материи и энергии.
Сформулировав закон, Гельмгольц далее рассматривает его действенность во всех разделах физики. Один из примеров применения закона сохранения энергии, который он рассматривает в своем мемуаре «О сохранении силы», вошел в учебники физики: это вывод закона электромагнитной индукции, опирающийся на закон сохранения энергии.
Кроме Майера, Джоуля и Гельмгольца
обоснованием закона сохранения силы и
измерениями механического эквивалента теплоты
занимался целый ряд других исследователей. Тем
не менее вся эта гигантская волна
интеллектуальных усилий не привлекала внимания
маститых физиков.
Резкий перелом произошел в
начале второй половины XIX в., и он совпал со
временем введения в лексикон физики понятия
энергии.
Интерес к закону прогрессивно возрастал, естественно, стали задумываться над двойным использованием фундаментального понятия силы. Физики, конечно, не путали лейбницевскую «живую силу» с ньютоновской, но неудобство такого раздвоения понятия было очевидно. И тогда вспомнили, что еще в 1807 г. в «Лекциях по естественной философии» Т.Юнг вместо понятия «живой силы» пользовался понятием энергии. Последнее было единодушно принято ведущими физиками мира. В 1852 г. в работе «Динамическая теория тепла» В.Томсон дал первое определение энергии: «Под энергией материальной системы в определенном состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние».
Несколько позже Максвелл дал простое и точное
определение энергии как способности системы
совершать работу, подчеркнув неразрывность
связи понятий энергии и работы.
Анализ этой связи
привел в итоге к современному пониманию работы
как процесса, приводящего к созданию источника
энергии.
В 1883 г. Гельмгольц ввел в физику понятия свободной и связанной энергий. В своей классической работе «Термодинамика химических процессов» он писал: «Подобно тому, как теплота может превращаться в работу частично, так же в случае химических процессов должно быть принято разделение между частью сил химического сродства, способных к превращению в другие формы и той частью, которая может превращаться только в теплоту. Я позволю себе обозначить обе эти части энергии, как свободную и связанную энергии».
Г.Гесс (1802–1850) на основании многочисленных опытных исследований пришел к важному следствию закона сохранения энергии: тепловой эффект химических реакций не зависит от их промежуточных стадий, а определяется только начальным и конечным состояниями реагирующей системы.
Независимость процессов преобразования
энергии от их промежуточных ступеней явилась
одним из выражений общей характерной
особенности закона сохранения, его
своеобразного удобства: при научных
исследованиях отпадала необходимость анализа
стадий превращений энергии, их механизмов,
качества материальных объектов, участвующих в
этих превращениях.
Так постепенно начало складываться представление об энергии как общей количественной мере движения и взаимодействия всех видов материи. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но общее ее количество остается неизменным.
формула, формулировка простыми словами, кто открыл, задачи с решением, примеры из жизни
Энергия — одно из сложнейших понятий современной физики. И закон сохранения энергии относится к числу ее основополагающих принципов. Вместе с экспертом разберем задачи с решением этого фундаментального закона природы и узнаем, кто его открыл
Борис Михеев
Автор КП
Андрей Найденов
Преподаватель математики и физики онлайн-школы TutorOnline
Физика ставит своей целью понимание самых общих закономерностей материального мира. Имена Архимеда, Ньютона, Эйнштейна знакомы каждому школьнику. Но великое множество ученых вложили по кирпичику в здание современной науки и ускорили развитие человеческой цивилизации.
Ее современный уровень был бы недостижим без понимания природы энергии и ее законов прежде всего в механике, самом доступном для наблюдений и экспериментов разделе физики.
Формулировка закона сохранения энергии простыми словами в механике
Закон сохранения энергии действует повсеместно и незаметно. В механике он срабатывает в замкнутой системе под воздействием консервативных сил – то есть сил тяжести и упругости, зависящих только от стартового и финального положения тела и не зависящих от траектории движения. При таких условиях энергия тел никуда не исчезает, а лишь переходит из кинетической в потенциальную и наоборот – из потенциальной в кинетическую. Это и есть самая простая формулировка закона сохранения энергии для механических систем.
В ТЕМУ
Формула закона сохранения энергии
E=Ep+Ek=const
Где:
Ep — потенциальная энергия;
Ek — кинетическая энергия;
История открытия закона сохранения энергии
Закономерности взаимодействия физических тел интересовали ученых с античных времен.
Но описать их в виде формулы или хотя бы принципа они не сумели. Первым это попытался сделать Рене Декарт в своем труде «Начала философии», изданном в середине XVII века. Он указал, что если одно тело сталкивается с другим, то может отдать ему только такое количество движения, сколько второе у него отнимет. Идею Декарта развил Лейбниц, введя понятие «живой силы», которую мы называем кинетической энергией. Поддержал его рассуждения Михайло Ломоносов в своем «всеобщем естественном законе», но все формулировки были скорее принципом, а не законом, формул не было.
Исаак Ньютон. Фото: wikipedia.org
От «живой силы» физики перешли к «кинетической энергии» только в середине XIX столетия, накопив опыт работы с тепловыми и электрическими машинами. Немалый экспериментальный вклад сделал в понимание этого закона Джеймс Джоуль и Роберт Майер. Самую полную математическую формулировку дал Герман Гельмгольц, который ввел понятие потенциальной энергии и обобщил закон сохранения энергии на все разделы физики – даже на те, которые в его время не существовали.
Например, на теорию относительности и квантовую механику.
В ТЕМУ
Задачи на закон сохранения энергии
Самый общий физический закон используется при решении совершенно практических задач.
Задача 1
Некое тело подбросили вверх вертикально с начальной скоростью 15 м/с. На какую высоту оно поднимется? Сопротивление воздуха при решении задачи не учитывать.
Решение: полученная при броске кинетическая энергия будет постепенно преобразовываться в потенциальную энергию:
Ep=Ek
То есть: mgh=(m*V2)/2
Где:
m – масса тела;
V – начальная скорость;
g – ускорение свободного падения;
h – высота подъема.
После преобразований получаем формулу для высоты подъема:
h= V2/(2*g)=225/(2*9,8)=11,47 м.
Ответ: тело поднимется на высоту 11,47 м.
Задача 2
Пружину растянули на 15 см.
Известно, что она получила потенциальную энергию 24 Дж. Какова жесткость пружины?
Решение: формула потенциальной энергии упруго деформированного тела:
Ep=(k*x2)/2
Где:
k – коэффициент жесткости;
x – величина деформации.
Преобразуем формулу для расчета:
k=(2*Ep)/x2=(2*24)/225=2133,33 Н/м
Ответ: жесткость пружины равна 2133,33 Н/м.
Популярные вопросы и ответы
Отвечает Андрей Найденов, преподаватель математики и физики онлайн-школы TutorOnline
Кто открыл закон сохранения энергии?
— В открытии закона сохранения энергии участвовали многие ученые. Некоторые из них были очень близки, чтобы сформулировать его. Например, Майер и Джоуль своими работами показали, что количество выделяемой теплоты равно совершенной работе и наоборот. Однако наиболее полную формулировку первым дал в своих работах Гельмгольц.
Какие примеры из жизни на закон сохранения энергии существуют?
— Таких примеров множество. Пример с молотком и гвоздем хорошо иллюстрирует переход механической энергии от молотка к гвоздю. Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Ни больше ни меньше.
Другой пример. Кубики льда, взятые при температуре 0º С и опущенные в бокал с газированной водой, растаят, если им сообщить столько же Джоулей тепла, сколько забрали тепла у воды, взятой при температуре 0º С, когда ее замораживали, чтобы она перешла в твердое агрегатное состояние – лед. А если газированная вода будет недостаточно теплой, то лед не растает. Однако если этот бокал оставить на столе надолго, лед все равно растает, так как он получит необходимое количество тепла из окружающего воздуха.
Еще пример. Когда болит горло, есть хороший бабушкин рецепт. Надо пить теплое молоко.
Молоко прогревает горло, отдает тепло, что помогает лечению. Молоко при этом остывает в горле и не греет желудок, что тоже важно.
Во всех этих примерах можно наблюдать большие потери тепла на нагрев окружающих тел. Но основная часть энергии идет на полезное действие. Сколько энергии отдает одно тело, столько же получает и другое, минус потери тепла на нагрев окружающих тел.
Если исключить потери тепла, можно добиться очень высокой эффективности процесса. Это возможно в системах, где энергия не выходит наружу и не рассеивается, поэтому ее потери минимальные. Примером такой системы может служить термос. Горячая вода в термосе долго не остывает, потому что потери тепла минимальные.
Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Фото pixabay.com
Когда сохраняется полная механическая энергия?
— Полная механическая энергия сохраняется в системах, которые называются изолированными.
Получить полностью изолированную систему достаточно сложно. Всегда найдутся силы, которые будут действовать на тело или систему из нескольких тел извне.
Хорошим примером может стать жизнь космонавтов на орбитальном комплексе, вращающемся вокруг Земли. Если космонавт оттолкнется от пола на Земле, то сила притяжения быстро вернет его обратно на пол.
В орбитальном комплексе сила притяжения к Земле скомпенсирована движением корабля по круговой орбите. Состояние невесомости позволяет космонавту оттолкнутся от пола и лететь вверх неопределенно долго, пока он не столкнется с потолком. Тело космонавта можно считать изолированной системой, так как на него не действуют силы извне, а силы сопротивления движению со стороны воздуха в корабле минимальны.
В каком классе изучают закон сохранения энергии?
— Здесь есть одна тонкость. Закон сохранения механической энергии изучают на уроках физики в седьмом классе. А закон сохранения энергии, применительно к тепловым процессам, с использованием понятия внутренней энергии тела, изучают уже в восьмом классе.
Фото на обложке: pixabay.com
сохранение энергии | Определение, принцип, примеры и факты
- Ключевые люди:
- Герман фон Гельмгольц Уильям Томсон, барон Кельвин Макс Борн Сэр Уильям Роберт Гроув Джеймс Прескотт Джоуль
- Похожие темы:
- преобразование энергии энергия
Просмотреть весь связанный контент →
сохранение энергии , принцип физики, согласно которому энергия взаимодействующих тел или частиц в замкнутой системе остается постоянной. Первым признанным видом энергии была кинетическая энергия, или энергия движения. При некоторых столкновениях частиц, называемых упругими, сумма кинетической энергии частиц до столкновения равна сумме кинетической энергии частиц после столкновения. Понятие энергии постепенно расширялось и включало в себя другие формы. Кинетическая энергия, теряемая телом, замедляющимся при движении вверх против силы тяжести, считалась преобразованной в потенциальную энергию или накопленную энергию, которая, в свою очередь, преобразуется обратно в кинетическую энергию, когда тело ускоряется во время своего возвращения на Землю. . Например, когда маятник качается вверх, кинетическая энергия превращается в потенциальную. Когда маятник ненадолго останавливается в верхней точке своего колебания, кинетическая энергия равна нулю, а вся энергия системы находится в потенциальной энергии. Когда маятник качается обратно вниз, потенциальная энергия преобразуется обратно в кинетическую энергию. Во все времена сумма потенциальной и кинетической энергии постоянна. Однако трение замедляет наиболее тщательно сконструированные механизмы, тем самым постепенно рассеивая их энергию. В 1840-х годах было убедительно показано, что понятие энергии можно расширить, включив в него тепло, выделяемое трением. Истинно сохраняющаяся величина есть сумма кинетической, потенциальной и тепловой энергии. Например, когда блок скользит вниз по склону, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Когда трение замедляет блок до остановки, кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Энергия не создается и не уничтожается, а просто меняет форму, переходя от потенциальной к кинетической и к тепловой энергии.
Эта версия принципа сохранения энергии, выраженная в самом общем виде, представляет собой первый закон термодинамики. Концепция энергии продолжала расширяться, включая энергию электрического тока, энергию, хранящуюся в электрическом или магнитном поле, а также энергию топлива и других химических веществ. Например, автомобиль движется, когда химическая энергия его бензина преобразуется в кинетическую энергию движения.
Посмотрите, как маятник, качающийся в шинах, демонстрирует закон сохранения энергии
Просмотреть все видео к этой статьеС появлением физики относительности (1905 г.) впервые было признано, что масса эквивалентна энергии. Полная энергия системы высокоскоростных частиц включает в себя не только их массу покоя, но и весьма значительное увеличение их массы вследствие их высокой скорости. После открытия теории относительности принцип сохранения энергии также был назван сохранением массы-энергии или сохранением полной энергии.
Викторина «Британника»
Викторина «Все о физике»
Кто был первым ученым, проведшим эксперимент по управляемой цепной ядерной реакции? Какова единица измерения циклов в секунду? Проверьте свою физику с помощью этого теста.
Когда казалось, что этот принцип не работает, как это произошло применительно к типу радиоактивности, называемому бета-распадом (самопроизвольный выброс электрона из атомных ядер), физики признали существование новой субатомной частицы, нейтрино, которая должна была унести недостающую энергию, а не отвергать принцип сохранения. Позже нейтрино было обнаружено экспериментально.
Энергосбережение, однако, больше, чем общее правило, которое остается в силе. Можно показать, что это математически следует из единообразия времени. Если бы один момент времени особенно отличался от любого другого момента, то одинаковые физические явления, происходящие в разные моменты времени, потребовали бы разного количества энергии, так что энергия не сохранялась бы.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Адамом Августином.
Закон сохранения энергии Примеры
Закон сохранения энергии — это закон физики, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только может переходить из одной формы в другую или передаваться от одного объекта к другому.
Этот закон преподается учащимся средних и старших классов на уроках физики, физики и химии.
Попадание шара для боулинга в кегли как пример закона сохранения энергии
Объявление
Понимание закона сохранения энергии
Определение закона сохранения энергии подчеркивает, что энергия не может быть уничтожена или создана. Важно понять, что это на самом деле означает. Было бы неверным сказать, что целью эксперимента было бы получение энергии, поскольку это потребовало бы усилий для создания чего-то, что невозможно создать. Вместо этого энергия постоянно трансформируется, чтобы ее можно было использовать. Например, солнечные панели не производят солнечную энергию. Они используют энергию солнца и преобразуют ее в другой вид энергии (электричество).
Повседневные примеры: Закон сохранения энергии
Многие примеры, иллюстрирующие закон сохранения энергии, можно увидеть в повседневной жизни.
Просмотрите эти знакомые примеры переноса энергии, чтобы составить четкое представление о том, как научный закон сохранения энергии влияет на повседневную жизнь.
Сохранение энергии Примеры с участием людей
Энергия может передаваться между людьми или от людей к объектам. Все эти примеры иллюстрируют закон сохранения энергии.
- Келли пробежала через комнату и наткнулась на своего брата, толкнув его на пол. Кинетическая энергия, которой она обладала из-за своего движения, передавалась ее брату, заставляя его двигаться.
- Два футболиста столкнулись на поле, и оба отлетели назад. Энергия передавалась от каждого игрока к другому, отправляя их в направлении, противоположном тому, откуда они бежали.
- Когда вы толкаете книгу через стол, энергия вашей движущейся руки передается от вашего тела к книге, заставляя книгу двигаться.
- При ударе по мячу, лежащему на земле, энергия тела бьющего игрока передается мячу, приводя его в движение.
- Сэм переставлял мебель и нуждался в помощи, чтобы передвинуть тяжелый диван. Подошел его брат, и вместе они смогли толкнуть диван через комнату. Когда диван скользил по деревянному полу, энергия мужчин передавалась мебели.
- Пальцы, ударяющие по клавишам пианино, передают энергию от руки исполнителя к клавишам.
- Билли ударил по боксерской груше, передав энергию своей руки на стационарную грушу.
- Бет так сильно ударилась о стену, что проделала в ней дыру. Энергия передавалась от тела Бет гипсокартону, заставляя его двигаться.
Реклама
Примеры сохранения энергии между объектами
Когда два объекта сталкиваются друг с другом, энергия передается между ними.
- При игре в бильярд биток бьют по неподвижному шару-восьмерке. У битка есть энергия. Когда биток ударяется о шар-восьмерку, энергия передается от битка к шару-восьмерке, заставляя его двигаться. Биток теряет энергию, потому что энергия, которую он имел, была передана восьмерке, поэтому биток замедляется.
- При игре в бочче на лужайке маленький мяч бросают с намерением ударить по более крупным шарам и заставить их двигаться. Когда большой шар движется, потому что по нему ударил маленький мяч, энергия передается от маленького мяча к большему.
- Бейсбольный мяч попадает в окно дома, разбивая стекло. Энергия от шара передавалась стеклу, заставляя его разлетаться на осколки и лететь в разные стороны.
- Когда движущийся автомобиль сталкивается с припаркованным автомобилем и заставляет припаркованный автомобиль двигаться, механическая энергия передается от движущегося автомобиля к припаркованному автомобилю.
- Клэр бросила мяч, который попал в вазу ее матери, опрокинув ее. Энергия передавалась от движущегося шара неподвижной вазе, заставляя вазу двигаться.
- Когда машина врезается в дорожный знак, он падает. Энергия будет передаваться от движущегося автомобиля к неподвижному знаку, заставляя знак двигаться.
- Когда шар для боулинга сбивает кегли, которые стояли на месте, энергия шара передается кеглям. Никакая энергия не теряется.
- Когда машина врезалась в бордюр, она развалилась. Энергия движущейся машины передавалась неподвижному цементу, заставляя его двигаться.
Никакая энергия не теряется.Реклама
Другие примеры сохранения энергии
Многие другие ситуации иллюстрируют, как энергия может быть преобразована из одной формы в другую или передана между объектами.
- Вода может производить электричество. Когда вода падает с неба, она преобразует потенциальную энергию в кинетическую. Эта энергия затем используется для вращения турбины генератора для производства электроэнергии. Потенциальную энергию воды в плотине можно превратить в кинетическую энергию.
- Потенциальная энергия из нефти или газа является одним из видов химической энергии. Его энергия может быть использована для обогрева домов, офисов или других зданий, чтобы они оставались теплыми зимой.
- Лампочки преобразуют электрическую энергию в свет, который освещает темные помещения.
- Кошка, сидящая на самой высокой ветке дерева, обладает так называемой потенциальной энергией. Если кошка падает с ветки и падает на землю, ее потенциальная энергия теперь преобразуется в кинетическую энергию.
- Собака врезалась в елку и опрокинула ее. В момент удара энергия передавалась от движущейся собаки неподвижному дереву, заставляя дерево двигаться.
Если кошка падает с ветки и падает на землю, ее потенциальная энергия теперь преобразуется в кинетическую энергию. Узнайте больше об энергии
Приведенные выше примеры закона сохранения энергии показывают, насколько эта физическая концепция используется в повседневной жизни. Теперь, когда вы знакомы с этим научным законом, найдите время, чтобы узнать о различных типах энергии.
Штатный писатель
- средняя школа
- старшая школа
- колледж
Статьи по теме
Примеры кинетической энергии
Вообще говоря, всю энергию во Вселенной можно разделить на кинетическую или кинетическую энергию.
