ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი ფიზიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი პოსტულატია. განვიხილოთ მისი გარეგნობის ისტორია, ასევე გამოყენების ძირითადი სფეროები.
ისტორიის გვერდები
პირველ რიგში, მოდით გავარკვიოთ, ვინ აღმოაჩინა ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი. 1841 წელს ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯულმა და რუსმა მეცნიერმა ლენცმა პარალელურად ჩაატარეს ექსპერიმენტები, რის შედეგადაც მეცნიერებმა შეძლეს პრაქტიკაში გაერკვიათ კავშირი მექანიკურ მუშაობასა და სითბოს შორის.
ჩვენი პლანეტის სხვადასხვა კუთხეში ფიზიკოსების მიერ ჩატარებულმა მრავალრიცხოვანმა კვლევამ წინასწარ განსაზღვრა ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონის აღმოჩენა. მეცხრამეტე საუკუნის შუა წლებში გერმანელმა მეცნიერმა მაიერმა მისცა თავისი ფორმულირება. მეცნიერი ცდილობდა შეეჯამებინა მთელი ინფორმაცია ელექტროენერგიის, მექანიკური მოძრაობის, მაგნეტიზმის, ადამიანის ფიზიოლოგიის შესახებ, რომელიც იმ დროს არსებობდა.
დაახლოებით იმავე პერიოდში მსგავსი აზრები გამოთქვეს მეცნიერებმა დანიიდან, ინგლისიდან, გერმანიაში.
ექსპერიმენტებისითბო
მიუხედავად სიცხის შესახებ იდეების მრავალფეროვნებისა, მისი სრული სურათი მხოლოდ რუს მეცნიერს მიხაილ ვასილიევიჩ ლომონოსოვს გადასცა. თანამედროვეები მხარს არ უჭერდნენ მის იდეებს, მათ სჯეროდათ, რომ სითბო არ იყო დაკავშირებული მატერიის შემადგენელი უმცირესი ნაწილაკების მოძრაობასთან.
ლომონოსოვის მიერ შემოთავაზებული მექანიკური ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი დამტკიცდა მხოლოდ მას შემდეგ, რაც რამფორდმა მოახერხა ექსპერიმენტების დროს მატერიის შიგნით ნაწილაკების მოძრაობის არსებობის დამტკიცება.
სითბოს მისაღებად ფიზიკოსი დეივი ცდილობდა ყინულის დნობას ორი ნაჭერი ყინულის ერთმანეთზე შეხებით. მან წამოაყენა ჰიპოთეზა, რომლის მიხედვითაც სითბო განიხილებოდა, როგორც მატერიის ნაწილაკების რხევითი მოძრაობა.
მეიერის კანონი ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის შესახებ ითვალისწინებდა იმ ძალების უცვლელობას, რომლებიც იწვევენ სითბოს წარმოქმნას. ეს იდეა გააკრიტიკეს სხვა მეცნიერებმა, რომლებმაც შეახსენეს, რომ ძალა დაკავშირებულია სიჩქარესთან და მასასთან, შესაბამისად, მისი მნიშვნელობა უცვლელი არ შეიძლება დარჩეს.
მეცხრამეტე საუკუნის ბოლოს მაიერმა შეაჯამა თავისი იდეები პამფლეტში და ცდილობდა გადაეჭრა სიცხის რეალური პრობლემა. როგორ გამოიყენებოდა იმ დროს ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი? მექანიკაში არ არსებობდა კონსენსუსი ენერგიის მოპოვების, გარდაქმნის შესახებ, ამიტომ ეს საკითხი ღია დარჩა მეცხრამეტე საუკუნის ბოლომდე.
კანონის თვისება
ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი ერთ-ერთი ფუნდამენტურია, რომელიც საშუალებას იძლევაგარკვეული პირობები ფიზიკური რაოდენობების გასაზომად. მას უწოდებენ თერმოდინამიკის პირველ კანონს, რომლის მთავარი ობიექტია ამ მნიშვნელობის კონსერვაცია იზოლირებულ სისტემაში.
ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი ადგენს სითბოს რაოდენობის დამოკიდებულებას სხვადასხვა ფაქტორზე. მაიერის, ჰელმჰოლცის, ჯოულის მიერ ჩატარებული ექსპერიმენტული კვლევების დროს გამოიყოფა ენერგიის სხვადასხვა სახეობა: პოტენციური, კინეტიკური. ამ სახეობების ერთობლიობას ეწოდა მექანიკური, ქიმიური, ელექტრო, თერმული.
ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონს ჰქონდა შემდეგი ფორმულირება: "კინეტიკური ენერგიის ცვლილება უდრის პოტენციური ენერგიის ცვლილებას."
მაიერი მივიდა დასკვნამდე, რომ ამ რაოდენობის ყველა სახეობას შეუძლია ერთმანეთში გარდაქმნა, თუ სითბოს მთლიანი რაოდენობა უცვლელი რჩება.
მათემატიკური გამოთქმა
მაგალითად, როგორც კანონის რაოდენობრივი გამოხატულება, ქიმიური მრეწველობა არის ენერგეტიკული ბალანსი.
ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი ადგენს კავშირს თერმული ენერგიის რაოდენობას შორის, რომელიც შედის სხვადასხვა ნივთიერების ურთიერთქმედების ზონაში, რაოდენობასთან, რომელიც ტოვებს ამ ზონას.
ენერგიის ერთი სახეობიდან მეორეზე გადასვლა არ ნიშნავს, რომ ის ქრება. არა, შეინიშნება მხოლოდ მისი გარდაქმნა სხვა ფორმაში.
ამავდროულად არის ურთიერთობა: სამუშაო - ენერგია. ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი ითვალისწინებს ამ სიდიდის მუდმივობას (მისი ჯამირაოდენობა) იზოლირებულ სისტემაში მიმდინარე ნებისმიერი პროცესისთვის. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ ერთი სახეობიდან მეორეზე გადასვლის პროცესში შეინიშნება რაოდენობრივი ეკვივალენტობა. სხვადასხვა ტიპის მოძრაობის რაოდენობრივი აღწერის მიზნით ფიზიკაში დაინერგა ბირთვული, ქიმიური, ელექტრომაგნიტური, თერმული ენერგია.
თანამედროვე ფორმულირება
როგორ იკითხება დღეს ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი? კლასიკური ფიზიკა გთავაზობთ ამ პოსტულატის მათემატიკურ აღნიშვნას თერმოდინამიკური დახურული სისტემის მდგომარეობის განზოგადებული განტოლების სახით:
W=Wk + Wp + U
ეს განტოლება აჩვენებს, რომ დახურული სისტემის ჯამური მექანიკური ენერგია განისაზღვრება, როგორც კინეტიკური, პოტენციური, შიდა ენერგიების ჯამი.
ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი, რომლის ფორმულა ზემოთ იყო წარმოდგენილი, ხსნის ამ ფიზიკური სიდიდის უცვლელობას დახურულ სისტემაში.
მათემატიკური აღნიშვნის მთავარი მინუსი არის მისი შესაბამისობა მხოლოდ დახურული თერმოდინამიკური სისტემისთვის.
ღია სისტემები
თუ გავითვალისწინებთ ნამატების პრინციპს, სავსებით შესაძლებელია ენერგიის შენარჩუნების კანონის გავრცელება არადახურულ ფიზიკურ სისტემებზე. ეს პრინციპი გირჩევთ დაწეროთ მათემატიკური განტოლებები, რომლებიც დაკავშირებულია სისტემის მდგომარეობის აღწერასთან, არა აბსოლუტური მნიშვნელობით, არამედ მათი რიცხვითი ნამატებით.
ენერგიის ყველა ფორმის სრულად გასათვალისწინებლად, შემოთავაზებული იყო დაემატოს იდეალური სისტემის კლასიკურ განტოლებასენერგეტიკული ნამატების ჯამი, რომელიც გამოწვეულია გაანალიზებული სისტემის მდგომარეობის ცვლილებებით ველის სხვადასხვა ფორმის გავლენის ქვეშ.
განზოგადებულ ვერსიაში მდგომარეობის განტოლება ასეთია:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
ეს განტოლება ითვლება ყველაზე სრულყოფილად თანამედროვე ფიზიკაში. სწორედ ის გახდა ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონის საფუძველი.
მნიშვნელობა
მეცნიერებაში არ არსებობს გამონაკლისი ამ კანონისგან, ის მართავს ყველა ბუნებრივ მოვლენას. სწორედ ამ პოსტულატის საფუძველზე შეიძლება წამოვაყენოთ ჰიპოთეზები სხვადასხვა ძრავების შესახებ, მათ შორის მუდმივი მექანიზმის განვითარების რეალობის უარყოფა. მისი გამოყენება შესაძლებელია ყველა შემთხვევაში, როდესაც საჭიროა ახსნას ერთი ტიპის ენერგიის მეორეზე გადასვლა.
მექანიკური აპლიკაციები
როგორ იკითხება ახლანდელ დროში ენერგიის შენარჩუნებისა და ტრანსფორმაციის კანონი? მისი არსი მდგომარეობს ამ რაოდენობის ერთი ტიპის მეორეზე გადასვლაში, მაგრამ ამავე დროს მისი საერთო ღირებულება უცვლელი რჩება. იმ სისტემებს, რომლებშიც მიმდინარეობს მექანიკური პროცესები, ეწოდება კონსერვატიული. ასეთი სისტემები იდეალიზებულია, ანუ ისინი არ ითვალისწინებენ ხახუნის ძალებს, წინააღმდეგობის სხვა ტიპებს, რომლებიც იწვევენ მექანიკური ენერგიის გაფანტვას.
კონსერვატიულ სისტემაში ხდება პოტენციური ენერგიის მხოლოდ ორმხრივი გადასვლები კინეტიკურ ენერგიად.
ძალების მუშაობა, რომლებიც მოქმედებენ სხეულზე ასეთ სისტემაში, არ არის დაკავშირებული ბილიკის ფორმასთან. მისი ღირებულებადამოკიდებულია სხეულის საბოლოო და საწყის პოზიციაზე. ფიზიკაში ამ ტიპის ძალების მაგალითად განიხილეთ მიზიდულობის ძალა. კონსერვატიულ სისტემაში ძალის მუშაობის მნიშვნელობა დახურულ მონაკვეთში არის ნული, ხოლო ენერგიის შენარჩუნების კანონი მოქმედებს შემდეგი ფორმით: „კონსერვატიულ დახურულ სისტემაში პოტენციალისა და კინეტიკური ენერგიის ჯამი. სხეულები, რომლებიც ქმნიან სისტემას, უცვლელი რჩება.”
მაგალითად, სხეულის თავისუფალი დაცემის შემთხვევაში, პოტენციური ენერგია იცვლება კინეტიკურ ფორმაში, ხოლო ამ ტიპების ჯამური მნიშვნელობა არ იცვლება.
დასკვნაში
მექანიკური მუშაობა შეიძლება ჩაითვალოს მექანიკური მოძრაობის ურთიერთგადასვლის ერთადერთ გზად მატერიის სხვა ფორმებში.
ამ კანონმა იპოვა გამოყენება ტექნოლოგიაში. მანქანის ძრავის გამორთვის შემდეგ ხდება კინეტიკური ენერგიის თანდათანობითი დაკარგვა, რასაც მოჰყვება ავტომობილის გაჩერება. კვლევებმა აჩვენა, რომ ამ შემთხვევაში გამოიყოფა სითბოს გარკვეული რაოდენობა, შესაბამისად, გახეხილი სხეულები თბება, იზრდება მათი შინაგანი ენერგია. ხახუნის ან მოძრაობის მიმართ რაიმე წინააღმდეგობის შემთხვევაში შეინიშნება მექანიკური ენერგიის შიდა სიდიდეზე გადასვლა, რაც მიუთითებს კანონის სისწორეზე.
მისი თანამედროვე ფორმულირება ასე გამოიყურება: „იზოლირებული სისტემის ენერგია არ ქრება არსად, არ ჩნდება არსაიდან. ნებისმიერ ფენომენში, რომელიც არსებობს სისტემაში, ხდება ერთი ტიპის ენერგიის მეორეზე გადასვლა, ერთი სხეულიდან მეორეზე გადატანა, გარეშე.რაოდენობრივი ცვლილება.”
ამ კანონის აღმოჩენის შემდეგ, ფიზიკოსები არ ტოვებენ იდეას შექმნან მუდმივი მოძრაობის მანქანა, რომელშიც დახურულ ციკლში არ შეიცვლება სისტემის მიერ გადაცემული სითბოს რაოდენობა. მიმდებარე სამყარო, გარედან მიღებულ სითბოსთან შედარებით. ასეთი მანქანა შეიძლება გახდეს სითბოს ამოუწურავი წყარო, კაცობრიობის ენერგეტიკული პრობლემის გადაჭრის გზა.
