Джеймс Джоуль, количественно доказавший закон сохранения энергии
В честь этого британского физика названа единица измерения всех видов энергии: джоуль. Джеймс Прескотт Джоуль (Joule) обосновал на опытах закон сохранения энергии, вывел закон, определяющий тепловое действие электрического тока и первым вычислил скорость движения молекул газа, правильно установив ее зависимость от температуры.
Джеймс Джоуль родился 24 декабря 1818 года в семье богатого пивовара из города Солфорд недалеко от Манчестера. В число его домашних учителей входил известный физик и химик Джон Дальтон. В Манчестерской ратуше сегодня памятник Джоулю работы скульптора Альфреда Гилберта установлен прямо напротив памятника Дальтону.
С 15 лет парня отправили работать на пивоваренный завод. До 1854 года (параллельно с научными изысканиями) он участвовал в управлении предприятием, покуда оно не было продано. Собственно, первые экспериментальные исследования Джоуля и были связаны с пивоварней: в 1837 году он заинтересовался возможностью замены паровых машин предприятия на электрические.
В 1840 году Джоуль обнаружил эффект магнитного насыщения при намагничивании ферромагнетиков и в течение следующих пяти лет экспериментально изучал электромагнитные явления, а в 1842 году открыл явление магнитострикции. заключающееся в изменении размеров и объёма тела при изменении его состояния намагниченности.
Стёрджен открыл в Манчестере коммерческое выставочно-образовательное учреждение Royal Victoria Gallery for the Encouragement of Practical Science («Галерея поощрения практических наук») и пригласил в качестве первого лектора Джеймса Джоуля.
Под влиянием работ Майкла Фарадея Джоуль обратился к изучению тепловых эффектов тока, результатом чего стало открытие закона, который в русскоязычной литературе носит сейчас название «закон Джоуля – Ленца», поскольку годом позже русский физик Ленц независимо от Джоуля открыл этот закон.
Открытие не было оценено Лондонским королевским обществом, и работу удалось опубликовать лишь в периодическом журнале Манчестерского литературного и философского общества. Двадцать лет спустя ученый был избран почетным президентом этого общества.
В 1847 году Джоуль знакомится с бароном Кельвином (тем самым, именем которого названа альтернативная Фаренгейту и Цельсию шкала температур) и начинает плодотворное с ним сотрудничество. Во многом представления Кельвина о молекулярно-кинетической теории сформировались под влиянием Джоуля. Эффект изменения температуры газа при адиабатическом дросселировании, известный как эффект Джоуля — Томсона, стал впоследствии одним из основных методов получения сверхнизких температур, тем самым способствовав появлению физики низких температур как отрасли естествознания.
Вторая наиболее значимая работа Джеймса Джоуля была опубликована в «Философских трудах Королевского общества»: для объяснения тепловых эффектов при повышении давления физик предложил модель газа как состоящего из микроскопических упругих шариков, столкновение которых со стенками сосуда и создаёт давление. Скорость «упругих шариков» водорода он оценил в 1850 м/c. Хотя в работе 1848 года впоследствии были выявлены серьёзные изъяны, она оказала значительное влияние на становление термодинамики – в том числе, идейно перекликаясь с работами Ван-дер-Ваальса начала 1870-х годов по моделированию реального газа.
К концу 1840-х годов работы Джоуля получают всеобщее признание в научном сообществе, и в 1850 году его избирают действительным членом Лондонского королевского общества. Ученый публикует большую серию статей о совершенствовании электрических измерений, предлагая конструкции вольтметров, гальванометров, амперметров, обеспечивающие высокую точность измерений. В 1852 году он был удостоен золотой медали Лондонского королевского общества за работы по количественному эквиваленту тепла.
В течение всей научной практики Джоуль уделял значительное внимание экспериментальной технике, позволяющей получать высокоточные результаты.
На начальных этапах деятельности Джоуль ставил эксперименты и занимался исследованиями исключительно на собственные средства, однако после продажи пивоварни в 1854 году его материальное положение постепенно ухудшилось, и ученому пришлось пользоваться финансированием различных научных организаций. В 1859 году он исследует термодинамические свойства твёрдых тел, измеряя тепловой эффект при деформациях, и отмечает нестандартные по сравнению с другими материалами свойства каучука. Джоуль интересуется природными явлениями, предлагая возможные объяснения природы атмосферных гроз, метеоритов, миражей. Также Джоуль исследовал тепловые эффекты при продавливании жидкости через узкие отверстия, при сжатии газа и т.д. Все эти опыты привели ученого к количественному обоснованию закона сохранения энергии — о котором до того говорили такие ученые, как Рене Декарт, Готфрид Лейбниц, Михайло Ломоносов, Сади Карно и Жозеф Гей-Люссак.
Интересно, что кроме признания в качестве физика, Джеймс Джоуль получил научные степени доктора права дублинского Тринити-колледжа (1857), доктора гражданского права (англ. DCL) Оксфордского университета (1860) и доктора права (LL.D.) Эдинбургского университета (1871).
В 1866 году Джоулю присуждена медаль Копли, в 1880 году — медаль Альберта. В 1872 и 1877 годах он дважды избирался президентом Британской научной ассоциации (англ. British Association for the Advancement of Science). В 1878 году правительством ему была назначена пожизненная пенсия в 215 фунтов.
На втором Международном конгрессе электриков, проходившем в 1889 году — год смерти Джоуля, — его именем была названа унифицированная единица измерения работы, энергии, количества теплоты, для которой не требовался коэффициент перехода между механической работой и теплом (механический эквивалент тепла), ставшая одной из производных единиц СИ с собственным именем.
В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Джеймса Джоуля кратеру на обратной стороне Луны.
Читайте также статью Анатолия Харченко «Самое опасное заблуждение в термоядерной энергетике»
Урок 11. Формулировка закона сохранения массы и энергии – HIMI4KA
Архив уроков › Основные законы химии
В уроке 11 «Формулировка закона сохранения массы и энергии» из курса «Химия для чайников» дадим определение закону сохранения массы и закону сохранения энергии, познакомимся с открытием Ломоносова, а также повторим некоторые основы химии из прошлой главы. Этим уроком мы открываем следующий раздел курса, под названием «Закон сохранения массы и энергии». Поэтому, чтобы у вас не возникало вопросов по урокам, обязательно изучите все уроки из первого раздела «Атомы, молекулы и ионы».
Мысль о том, что все в мире состоит из атомов, зародилась еще до нашей эры. Древнегреческий философ Демокрит полагал, что вся материя состоит из неделимых микрочастиц — атомов, что каждый атом обладает индивидуальными свойствами, что свойства веществ определяются их взаимным расположением относительно друг друга.
Таким образом его идеи являются примитивным вариантом того, что изложено в разделе 1 «Атомы, молекулы и ионы». Напрашивается вопрос: почему же тогда древние греки не воспользовались гипотезой Демокрита и не научились получать атомную энергию? Почему прошло еще 2000 лет, прежде чем наука достигла своего современного уровня? Одна из причин заключалась в том, что древние греки понятия не имели о законах сохранения вещества, ну и конечно же о законе сохранения энергии.
Великий русский ученый М.В. Ломоносов в 1748 году стал первым, кто осознал, что масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся в процессе химических реакций. Он установил закон который гласит, что суммарная масса всех продуктов химического превращения должна точно совпадать с суммарной массой исходных веществ. Помимо суммарной массы веществ, в химических реакциях сохраняется также число атомов каждого сорта независимо от того, в сколь сложных превращениях они участвуют и как переходят из одних молекул в другие.
В химических реакциях должна сохраняться также и энергия. Химически важный вывод из этого закона заключается в том, что поглощение или выделение тепла (теплота реакции) в конкретной химической реакции не зависит от того, каким путем осуществляется реакция — в одну или несколько стадий. Например, тепло, выделяющееся напрямую при сгорании газообразного водорода и графита (одна из форм углерода), должна совпадать с теплом, выделяющимся, когда водород и углерод используются для получения синтетического бензина, а заем этот бензин используется в качестве топлива. Если бы количество тепла, выделяемого в одной из двух описанных выше вариантов реакции, было неодинаковым, можно было бы воспользоваться этим и проводить более эффективную реакцию в одном направлении, а менее эффективную — в обратном. В результате получился бы циклический бестопливный источник тепла, непрерывно дающий даровую энергию. Но это всего лишь мечты о вечном двигателе, создание которого разрушается об незыблемую стену закона сохранения массы и энергии.
Закон сохранения массы: в процессе химической реакции не происходит образования или разрушения атомов.
Закон сохранения энергии: если сумма двух реакций представляет собой новую, третью реакцию, то теплота третьей реакции равна сумме теплот первых двух реакций. Говорят, что тепловые эффекты реакций аддитивны. Более подробно о законе сохранения тепла вы узнаете в конце данной главы, где все станет просто и ясно.
Кстати, в 1756 году Ломоносов экспериментально подтвердил химический закон сохранения массы, путем обжига металлов в запаянных сосудах. Вместо обжига металлов можно в запаянном сосуде сжечь фтор, закон сохранения массы все равно соблюдается:
Повторюсь, что не плотность или объем, а именно масса является фундаментальным свойством, сохраняющимся в процессе химических реакций. И как только химики это поняли, они сразу бросились в поиски правильной шкалы атомных масс для каждого элемента. В уроке 3 «Строение молекулы» мы отмечали, что молекулярная масса молекулы вычисляется через сумму всех атомных масс входящих в ее состав атомов.
А из урока 5 «Моль и молярная масса» нам известно, что моль любого вещества — это такое его количество, в котором число частиц этого вещества равно 6,022·1023. Масса одного моля вещества в граммах называется молярной массой. Моль и молярная масса являются важнейшими понятиями, без которых невозможно проводить химический расчет.
Моль — это просто средство подсчитывать атомы и молекулы порциями по 6,022·1023. Если известно, что две молекулы газообразного водорода H2 реагируют с одной молекулой газообразного кислорода O2, с образованием двух молекул воды H2O, то можно предсказать, что 2 моля H2, т.е. 4,032 г, будут реагировать с 1 молем O2, т.е. с 31,999 г, с образованием 2 молей H2O, т.е.36,031 г). Контрольное суммирование 4,032+31,999=36,031 подтверждают, что в этой реакции выполняется химический закон сохранения массы.
Урок 11 «Формулировка закона сохранения массы и энергии» является повторением уже пройденного материала перед погружением в более серьезный раздел химии.
Надеюсь вы открыли в этом уроке для себя что-то новое и интересное. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Урок 12. Элементный анализ →
← Глоссарий к главе «Законы сохранения массы и энергии»
Закон сохранения энергии и примеры
Теперь мы ввели три значения, которые имеют одну и ту же единицу измерения — кинетическая энергия, потенциальная энергия и работа. Поскольку они имеют одну и ту же единицу измерения, мы должны иметь возможность использовать их все вместе. Мы знаем, что между этими тремя значениями существует некоторая корреляция, но мы не знаем, как их использовать для описания того, как объект изменяется после завершения действия. Вот где вступает в действие закон сохранения энергии. В следующем сообщении блога мы объясним закон сохранения энергии, формулу, которая им управляет, и общие примеры сохранения энергии.
Что мы рассматриваем
Что такое Закон сохранения энергии? Закон сохранения энергии гласит, что энергия в системе до действия плюс работа, затраченная на завершение действия, будут равны энергии в системе после действия.
Это не всегда идеально работает в реальной жизни, так как часть энергии может быть потеряна из-за создания шума и тепла. На данный момент этот закон будет прекрасно работать в задачах, которые вам задают на курсах физики.
Принципы закона сохранения энергии
Более броское определение этого закона, которое вы, возможно, уже слышали, состоит в том, что энергию нельзя создать или уничтожить. Хотя это правда, чего-то не хватает. Энергия может передаваться от одного объекта к другому. Это то, что позволяет одному бильярдному шару приводить в движение другой. Это фактически говорит нам о том, что объекту или системе требуется энергия откуда-то еще, чтобы изменить или завершить действие. Вот почему вечный двигатель никогда не мог существовать.
Формула сохранения энергии и ее применение. =\sum E_{K2}+\sum E_{P2}
Напомним, что E_{K} представляет собой кинетическую энергию, E_{P} представляет собой потенциальную энергию, а W представляет собой работу.
Причина, по которой мы добавили числа к нижним индексам, состоит в том, чтобы показать, что левая часть уравнения представляет значения до того, как действие было выполнено, а правая часть — после того, как действие было выполнено. Итак, до и после того, как что-то падает или до и после столкновения двух вещей или что-то в этом роде. Однако \sum может быть новым.
\sum — это греческая буква сигма, которая используется для обозначения суммы. В этом случае это будет сумма всех кинетических энергий, потенциальных энергий и работы, поступающей в систему. Например, если бы у вас было два движущихся объекта, вам пришлось бы учитывать две кинетические энергии. Точно так же, если объект обладает потенциальной энергией гравитации и потенциальной энергией упругости, вам придется учитывать две потенциальные энергии.
Сохранение энергии ПримерыКинетическая и потенциальная энергия и работа 9{2}.
Наконец, работа является мерой усилия, необходимого от внешней силы, чтобы вызвать действие, и обычно определяется уравнением W=Fd\cos\theta.
Также важно иметь в виду, что работа, вложенная в систему, равна изменению энергии этой системы. Это то, что позволяет закону сохранения энергии работать.
Пример: простой лабораторный эксперимент
Давайте рассмотрим довольно простой эксперимент, который можно использовать для проверки закона сохранения энергии. Вам нужны только весы, секундомер и несколько вещей, которые вы можете уронить. Идея этого эксперимента состоит в том, чтобы просто измерить массу нескольких разных объектов с заметно разными массами. Вы можете использовать ручку, блокнот и пустую бутылку из-под воды — все, что может упасть, не вызывая слишком большого сопротивления воздуха. Ниже мы будем использовать некоторые примеры данных, но вы можете воссоздать этот эксперимент, чтобы найти свои собственные данные или попробовать симуляцию.
Шаг 1. Рассчитайте значения потенциальной энергииВо-первых, вам нужно взять массу каждого объекта и рассчитать потенциальную энергию.
| Объект | Масса | Сила гравитационного поля | Высота 9000 8 | E_{P}=mgh | E_{P} |
| Объект 1 | 0,5\text{ кг} | 9,81\text{ м/с}^{2} 9{2}\cdot 3\text{ m} | 147. 15\text{ J} |
Во-вторых, сбросьте каждый объект с высоты, которую вы указали выше, и укажите, как долго он берет каждый предмет, чтобы упасть. Затем мы воспользуемся этим, чтобы вычислить среднюю скорость каждого объекта при его падении. Вы захотите отбросить каждый элемент несколько раз, чтобы убедиться, что у вас есть хорошее среднее значение, чтобы уменьшить любые потенциальные ошибки в данных.
| Объект 9{2} | 155.2\text{ J} |
- E_{K1}=0\text{J}
- E_{P1}=\text{известный}
- Вт=0\текст{J}
- E_{K2}=\text{известный}
- E_{P2}=0\text{J}
\сумма E_{K1}+\сумма E_{P1}+\сумма W=\сумма E_{K2}+\сумма E_{P2}
0\текст{J}+E_{P1}+0\текст{J}=E_{K2}+0\текст{J}
E_{P1}=E_{K2}
Итак, мы видим, что рассчитанная нами потенциальная энергия для каждого объекта должна быть равна рассчитанной нами кинетической энергии.
Как видите, у нас ошибка. В частности, наши значения кинетической энергии не идеально соответствуют нашим значениям потенциальной энергии. Учитывая, что наши значения процентной ошибки составляют от 3% до 5%, мы можем предположить, что они были вызваны неточными измерениями, ошибками округления из-за проблемы или другими человеческими факторами. Итак, мы успешно провели лабораторию, доказывающую закон сохранения энергии.
Как энергосбережение применимо к американским горкам?
Давайте возьмем другой пример и посмотрим, как закон сохранения энергии применим к американским горкам.
В этом случае мы предположим, что автомобиль американских горок, заполненный людьми, имеет массу 700\text{ кг}. На этой конкретной горке автомобиль подъезжает к своему первому холму высотой 75\text{ м}. Предположим, что автомобиль покоится на вершине холма и при падении с автомобилем не совершается никакой работы, какова будет его скорость у подножия холма?
Раствор
- 9{2}\cdot 75\текст{м}}
- Первый закон движения (закон инерции): Объект с постоянной скоростью (или в состоянии покоя, где v = 0) остается в этом состоянии, если неуравновешенная внешняя сила воздействует на него.
- Второй закон движения: Суммарная сила (F net ) действует для ускорения объектов массой (м). Ускорение (а) — это скорость изменения скорости (v).
- Третий закон движения: Для каждой силы в природе существует сила, равная по величине и противоположная по направлению.
- В изолированных системах механическая энергия может преобразовываться в тепловую в пределах их границ; вы можете определить «систему» как любую выбранную вами установку, если вы можете быть уверены в ее физических характеристиках. Это не нарушает закон сохранения энергии.
v_{2}=38,36\текст{ м/с}
Заключение Закон сохранения энергии играет важную роль в физике. Это дает инженерам знания, необходимые им для создания таких вещей, как американские горки и ракетные корабли. Это также позволяет нам комбинировать, казалось бы, несвязанные идеи, такие как высота объекта и растяжение пружины. Работа с этим уравнением поначалу может показаться сложной, но со временем становится легче. Чем к большему количеству проблем вы примените его, тем больше шаблонов вы увидите в нем, и вскоре он будет скорее полезен, чем напряжен.
Заинтересованы в школьной лицензии?
Пригласите Альберта в свою школу и предоставьте всем учителям лучший в мире банк вопросов для:
➜ SAT® и ACT®
➜ AP®
➜ ELA, математика, естественные и социальные науки
Варианты для учителей, школы, районы.
ИЗУЧИТЕ ВАРИАНТЫ
Закон сохранения энергии: определение, формула, вывод (с примерами)
Поскольку физика изучает движение материи и энергии, 9Закон сохранения энергии 0007 — ключевая идея для объяснения всего, что изучает физик, и того, как он или она изучает это.
Физика — это не запоминание единиц или уравнений, а структура, управляющая поведением всех частиц, даже если сходство не очевидно с первого взгляда.
Первый закон термодинамики является переформулировкой этого закона сохранения энергии в терминах тепловой энергии: внутренняя энергия системы должно равняться сумме всей работы, выполненной системой, плюс или минус количество тепла, поступающего в систему или выходящего из нее.
Еще одним известным принципом сохранения в физике является закон сохранения массы; как вы обнаружите, эти два закона сохранения — и здесь вы также познакомитесь с двумя другими — более тесно связаны, чем кажется на первый взгляд (или мозгу).
Законы движения Ньютона
Любое изучение универсальных физических принципов должно быть подкреплено обзором трех основных законов движения, сформулированных Исааком Ньютоном сотни лет назад. Это:
Сохраняющиеся величины в физике
Законы сохранения в физике применимы к математическому совершенству только в действительно изолированных системах. В повседневной жизни такие сценарии встречаются редко. Четыре сохраняющиеся величины: масса , энергия , импульс и угловой момент . Последние три из них относятся к сфере механики.
Масса — это просто количество материи чего-либо, и при умножении на местное ускорение силы тяжести получается вес. Массу нельзя разрушить или создать с нуля не больше, чем энергию.
Импульс является произведением массы объекта и его скорости (m· v ). В системе двух и более сталкивающихся частиц общий импульс системы (сумма индивидуальных импульсов тел) никогда не меняется, пока нет потерь на трение или взаимодействия с внешними телами.
Угловой момент ( L ) — это просто импульс относительно оси вращающегося объекта, равный m· v·r , где r — расстояние от объекта до ось вращения.
Энергия появляется во многих формах, некоторые более полезные, чем другие. Теплота, форма, в которой вся энергия в конечном счете предназначена для существования, является наименее полезной с точки зрения использования ее для полезной работы и обычно является продуктом.
Закон сохранения энергии можно записать:
KE+PE+IE=E
где KE = кинетическая энергия = (1/2)m v 2 , PE = потенциальная энергия (равна m г ч, когда гравитация является единственной действующей силой, но проявляется в других формах), IE = внутренняя энергия, а E = полная энергия = константа.
Преобразования энергии и формы энергии
Вся энергия во вселенной возникла в результате Большого взрыва, и это общее количество энергии не может измениться. Вместо этого мы наблюдаем постоянное изменение форм энергии, от кинетической энергии (энергии движения) к тепловой энергии, от химической энергии к электрической энергии, от гравитационной потенциальной энергии к механической энергии и так далее.
Примеры передачи энергии
Тепло — это особый вид энергии ( тепловая энергия ), поскольку, как уже отмечалось, оно менее полезно для человека, чем другие формы.
Это означает, что когда часть энергии системы превращается в тепло, ее нельзя так же легко вернуть в более полезную форму без внесения дополнительной работы, которая требует дополнительной энергии.
Невероятное количество лучистой энергии, которую Солнце излучает каждую секунду и которое никогда не может быть восстановлено или повторно использовано, является неопровержимым свидетельством этой реальности, которая постоянно разворачивается по всей галактике и Вселенной в целом.
Часть этой энергии «улавливается» в биологических процессах на Земле, включая фотосинтез в растениях, которые производят себе пищу, а также обеспечивают пищу (энергию) для животных и бактерий и так далее.
Он также может быть захвачен продуктами человеческой инженерии, такими как солнечные батареи.
Отслеживание сохранения энергии
Учащиеся старших классов физики обычно используют круговые диаграммы или гистограммы, чтобы показать общую энергию изучаемой системы и отслеживать ее изменения.
Поскольку общее количество энергии в круговой диаграмме (или сумма высот столбцов) не может измениться, разница в срезах или категориях столбцов показывает, какая часть общей энергии в любой заданной точке представляет собой ту или иную форму энергии. .
В одном сценарии разные диаграммы могут отображаться в разных точках для отслеживания этих изменений. Например, обратите внимание, что количество тепловой энергии почти всегда увеличивается, в большинстве случаев представляя собой отходы.
Например, если вы бросите мяч под углом 45 градусов, вся его энергия сначала будет кинетической (поскольку h = 0), а затем в точке, в которой мяч достигнет высшей точки, его потенциальная энергия в виде доля общей энергии самая высокая.
Как при подъеме, так и при последующем падении часть его энергии преобразуется в тепло в результате сил трения с воздухом, так что KE + PE не остается постоянным на протяжении всего этого сценария, а вместо этого уменьшается, в то время как общая энергия E по-прежнему остается постоянным. 92
Предполагая отсутствие потерь энергии на трение, закон сохранения механической энергии позволяет вычислить v , что получается 44,3 м/с.
А Эйнштейн?
Студенты-физики могут быть сбиты с толку знаменитым уравнением масса-энергия ( E = mc 2 ), задаваясь вопросом, противоречит ли оно закону сохранения энергии 900 08 (или сохранение массы ), поскольку подразумевает, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.