A lei da conservação e da transformação da energia é um dos postulados mais importantes da física. Considere a história de sua aparição, bem como as principais áreas de aplicação.
Histórico
Primeiro, vamos descobrir quem descobriu a lei da conservação e transformação da energia. Em 1841, o físico inglês Joule e o cientista russo Lenz realizaram experimentos em paralelo, como resultado dos quais os cientistas conseguiram descobrir na prática a conexão entre trabalho mecânico e calor.
Numerosos estudos realizados por físicos em diferentes partes do nosso planeta predeterminaram a descoberta da lei da conservação e transformação da energia. Em meados do século XIX, o cientista alemão Mayer deu sua formulação. O cientista tentou resumir todas as informações sobre eletricidade, movimento mecânico, magnetismo, fisiologia humana que existiam naquela época.
Por volta do mesmo período, pensamentos semelhantes foram expressos por cientistas na Dinamarca, Inglaterra, Alemanha.
Experiências comcalor
Apesar da variedade de idéias sobre o calor, uma imagem completa dele foi dada apenas ao cientista russo Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Os contemporâneos não apoiavam suas ideias, acreditavam que o calor não estava associado ao movimento das menores partículas que compõem a matéria.
A lei de conservação e transformação da energia mecânica, proposta por Lomonosov, foi sustentada somente depois que Rumfoord conseguiu provar a presença de movimento de partículas no interior da matéria no decorrer de experimentos.
Para obter calor, o físico Davy tentou derreter gelo esfregando dois pedaços de gelo um contra o outro. Ele apresentou uma hipótese segundo a qual o calor era considerado um movimento oscilatório de partículas de matéria.
A lei de conservação e transformação da energia de Mayer assumiu a imutabilidade das forças que causam o aparecimento do calor. Essa ideia foi criticada por outros cientistas, que lembraram que a força está relacionada à velocidade e à massa, portanto, seu valor não poderia permanecer in alterado.
No final do século XIX, Mayer resumiu suas ideias em um panfleto e tentou resolver o problema real do calor. Como a lei de conservação e transformação da energia era usada naquela época? Na mecânica, não havia consenso sobre como obter, transformar energia, então essa questão permaneceu em aberto até o final do século XIX.
Característica da lei
A lei da conservação e transformação da energia é uma das fundamentais, permitindocertas condições para medir grandezas físicas. É chamada de primeira lei da termodinâmica, cujo objetivo principal é a conservação desse valor em um sistema isolado.
A lei da conservação e transformação da energia estabelece a dependência da quantidade de calor em vários fatores. No curso de estudos experimentais conduzidos por Mayer, Helmholtz, Joule, vários tipos de energia foram distinguidos: potencial, cinética. A combinação dessas espécies foi chamada de mecânica, química, elétrica, térmica.
A lei da conservação e transformação da energia tinha a seguinte formulação: "A variação da energia cinética é igual à variação da energia potencial."
Mayer chegou à conclusão de que todas as variedades dessa quantidade são capazes de se transformar umas nas outras se a quantidade total de calor permanecer in alterada.
Expressão matemática
Por exemplo, como expressão quantitativa da lei, a indústria química é o balanço energético.
A lei da conservação e transformação da energia estabelece uma relação entre a quantidade de energia térmica que entra na zona de interação de várias substâncias, com a quantidade que sai dessa zona.
A transição de um tipo de energia para outro não significa que ela desapareça. Não, apenas sua transformação em outra forma é observada.
Ao mesmo tempo, existe uma relação: trabalho - energia. A lei de conservação e transformação da energia assume a constância desta quantidade (suaquantidade) para quaisquer processos que ocorrem em um sistema isolado. Isso indica que no processo de transição de uma espécie para outra, observa-se equivalência quantitativa. Para dar uma descrição quantitativa dos diferentes tipos de movimento, a energia nuclear, química, eletromagnética e térmica foi introduzida na física.
Texto moderno
Como a lei da conservação e transformação da energia é lida hoje? A física clássica oferece uma notação matemática deste postulado na forma de uma equação de estado generalizada para um sistema termodinâmico fechado:
W=Wk + Wp + U
Esta equação mostra que a energia mecânica total de um sistema fechado é definida como a soma das energias cinética, potencial e interna.
A lei da conservação e transformação da energia, cuja fórmula foi apresentada acima, explica a invariância desta grandeza física em um sistema fechado.
A principal desvantagem da notação matemática é sua relevância apenas para um sistema termodinâmico fechado.
Sistemas abertos
Se levarmos em conta o princípio dos incrementos, é bem possível estender a lei da conservação da energia para sistemas físicos não fechados. Este princípio recomenda escrever equações matemáticas relacionadas à descrição do estado do sistema, não em termos absolutos, mas em seus incrementos numéricos.
Para levar em conta todas as formas de energia, foi proposto adicionar à equação clássica de um sistema ideala soma dos incrementos de energia que são causados por mudanças no estado do sistema analisado sob a influência de várias formas do campo.
Na versão generalizada, a equação de estado é a seguinte:
dW=Σi Ui dqi + Σj Uj dqj
Esta equação é considerada a mais completa da física moderna. Foi ela que se tornou a base da lei de conservação e transformação da energia.
Significado
Na ciência não há exceções a esta lei, ela rege todos os fenômenos naturais. É com base neste postulado que se podem levantar hipóteses sobre vários motores, incluindo a refutação da realidade do desenvolvimento de um mecanismo perpétuo. Pode ser usado em todos os casos em que seja necessário explicar as transições de um tipo de energia para outro.
Aplicações mecânicas
Como se lê a lei da conservação e transformação da energia na atualidade? Sua essência está na transição de um tipo dessa quantidade para outro, mas ao mesmo tempo seu valor global permanece in alterado. Aqueles sistemas nos quais os processos mecânicos são realizados são chamados conservativos. Tais sistemas são idealizados, ou seja, não levam em consideração as forças de atrito, outros tipos de resistência que causam dissipação de energia mecânica.
Em um sistema conservativo, ocorrem apenas transições mútuas de energia potencial em energia cinética.
O trabalho de forças que atuam sobre um corpo em tal sistema não está relacionado com a forma do caminho. Seu valordepende da posição final e inicial do corpo. Como exemplo de forças desse tipo na física, considere a força da gravidade. Em um sistema conservativo, o valor do trabalho de uma força em uma seção fechada é zero, e a lei de conservação da energia será válida da seguinte forma: “Em um sistema conservativo fechado, a soma das energias potencial e cinética dos corpos que compõem o sistema permanece in alterado.”
Por exemplo, no caso de uma queda livre de um corpo, a energia potencial muda para uma forma cinética, enquanto o valor total desses tipos não muda.
Em conclusão
O trabalho mecânico pode ser considerado como a única forma de transição mútua do movimento mecânico para outras formas de matéria.
Esta lei encontrou aplicação na tecnologia. Após desligar o motor do carro, há uma perda gradual de energia cinética, seguida de uma parada do veículo. Estudos mostraram que, neste caso, uma certa quantidade de calor é liberada, portanto, os corpos em atrito aquecem, aumentando sua energia interna. No caso de atrito ou qualquer resistência ao movimento, observa-se uma transição da energia mecânica para um valor interno, o que indica a correção da lei.
Sua formulação moderna se parece com: “A energia de um sistema isolado não desaparece do nada, não aparece do nada. Em qualquer fenômeno que exista dentro do sistema, há uma transição de um tipo de energia para outro, transferência de um corpo para outro, semmudança quantitativa.”
Após a descoberta dessa lei, os físicos não abandonam a ideia de criar uma máquina de movimento perpétuo, na qual, em um ciclo fechado, não haveria variação na quantidade de calor transferida pelo sistema para o mundo circundante, em comparação com o calor recebido do exterior. Tal máquina poderia se tornar uma fonte inesgotável de calor, uma forma de resolver o problema energético da humanidade.
