Hukum kekekalan dan transformasi energi adalah salah satu postulat fisika yang paling penting. Pertimbangkan sejarah kemunculannya, serta area utama aplikasi.
Halaman Sejarah
Pertama, mari kita cari tahu siapa yang menemukan hukum kekekalan dan transformasi energi. Pada tahun 1841, fisikawan Inggris Joule dan ilmuwan Rusia Lenz melakukan eksperimen secara paralel, sebagai hasilnya para ilmuwan berhasil menemukan dalam praktik hubungan antara kerja mekanik dan panas.
Sejumlah penelitian yang dilakukan oleh fisikawan di berbagai bagian planet kita telah menentukan penemuan hukum kekekalan dan transformasi energi. Pada pertengahan abad kesembilan belas, ilmuwan Jerman Mayer memberikan rumusannya. Ilmuwan mencoba merangkum semua informasi tentang listrik, gerakan mekanik, magnet, fisiologi manusia yang ada saat itu.
Sekitar periode yang sama, pemikiran serupa diungkapkan oleh para ilmuwan di Denmark, Inggris, Jerman.
Eksperimen dengankehangatan
Meskipun beragam gagasan tentang panas, gambaran lengkapnya hanya diberikan kepada ilmuwan Rusia Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Orang-orang sezamannya tidak mendukung gagasannya, mereka percaya bahwa panas tidak terkait dengan pergerakan partikel terkecil yang menyusun materi.
Hukum kekekalan dan transformasi energi mekanik, yang diusulkan oleh Lomonosov, didukung hanya setelah Rumfoord berhasil membuktikan adanya gerakan partikel di dalam materi selama eksperimen.
Untuk mendapatkan panas, fisikawan Davy mencoba mencairkan es dengan menggosokkan dua keping es satu sama lain. Dia mengajukan hipotesis yang menyatakan bahwa panas dianggap sebagai gerakan osilasi partikel materi.
Hukum kekekalan dan transformasi energi Mayer mengasumsikan kekekalan gaya yang menyebabkan munculnya panas. Ide ini dikritik oleh ilmuwan lain, yang mengingatkan bahwa gaya berkaitan dengan kecepatan dan massa, oleh karena itu, nilainya tidak dapat diubah.
Pada akhir abad kesembilan belas, Mayer merangkum ide-idenya dalam sebuah pamflet dan mencoba memecahkan masalah panas yang sebenarnya. Bagaimana hukum kekekalan dan transformasi energi digunakan pada saat itu? Dalam mekanika, tidak ada konsensus tentang cara memperoleh, mengubah energi, jadi pertanyaan ini tetap terbuka sampai akhir abad kesembilan belas.
Fitur hukum
Hukum kekekalan dan transformasi energi adalah salah satu yang mendasar, memungkinkankondisi tertentu untuk mengukur besaran fisika. Ini disebut hukum pertama termodinamika, yang tujuan utamanya adalah kekekalan nilai ini dalam sistem yang terisolasi.
Hukum kekekalan dan transformasi energi menetapkan ketergantungan jumlah panas pada berbagai faktor. Selama studi eksperimental yang dilakukan oleh Mayer, Helmholtz, Joule, berbagai jenis energi dibedakan: potensial, kinetik. Kombinasi dari spesies ini disebut mekanik, kimia, listrik, termal.
Hukum kekekalan dan transformasi energi memiliki rumusan sebagai berikut: "Perubahan energi kinetik sama dengan perubahan energi potensial."
Mayer sampai pada kesimpulan bahwa semua jenis kuantitas ini mampu berubah menjadi satu sama lain jika jumlah total panas tetap tidak berubah.
Ekspresi matematika
Misalnya, sebagai ekspresi kuantitatif dari hukum, industri kimia adalah neraca energi.
Hukum kekekalan dan transformasi energi menetapkan hubungan antara jumlah energi panas yang memasuki zona interaksi berbagai zat, dengan jumlah yang meninggalkan zona ini.
Transisi dari satu jenis energi ke jenis energi lain tidak berarti menghilang. Tidak, hanya transformasinya ke bentuk lain yang diamati.
Pada saat yang sama, ada hubungan: usaha - energi. Hukum kekekalan dan transformasi energi mengasumsikan keteguhan kuantitas ini (totalnyakuantitas) untuk setiap proses yang terjadi dalam sistem yang terisolasi. Ini menunjukkan bahwa dalam proses transisi dari satu spesies ke spesies lain, kesetaraan kuantitatif diamati. Untuk memberikan deskripsi kuantitatif dari berbagai jenis gerak, energi nuklir, kimia, elektromagnetik, panas diperkenalkan dalam fisika.
Kata-kata modern
Bagaimana hukum kekekalan dan transformasi energi dibaca hari ini? Fisika klasik menawarkan notasi matematika dari postulat ini dalam bentuk persamaan keadaan umum untuk sistem tertutup termodinamika:
W=Wk + Wp + U
Persamaan ini menunjukkan bahwa energi mekanik total sistem tertutup didefinisikan sebagai jumlah energi kinetik, potensial, internal.
Hukum kekekalan dan transformasi energi, yang rumusnya disajikan di atas, menjelaskan invarian kuantitas fisik ini dalam sistem tertutup.
Kelemahan utama notasi matematika adalah relevansinya hanya untuk sistem termodinamika tertutup.
Sistem terbuka
Jika kita memperhitungkan prinsip kenaikan, sangat mungkin untuk memperluas hukum kekekalan energi ke sistem fisik yang tidak tertutup. Prinsip ini menganjurkan penulisan persamaan matematika yang berkaitan dengan deskripsi keadaan sistem, tidak secara absolut, tetapi dalam peningkatan numeriknya.
Untuk sepenuhnya memperhitungkan semua bentuk energi, diusulkan untuk menambahkan persamaan klasik sistem idealjumlah kenaikan energi yang disebabkan oleh perubahan keadaan sistem yang dianalisis di bawah pengaruh berbagai bentuk medan.
Dalam versi umum, persamaan keadaan adalah sebagai berikut:
dW=i Ui dqi + j Uj dqj
Persamaan ini dianggap yang paling lengkap dalam fisika modern. Hal inilah yang menjadi dasar hukum kekekalan dan transformasi energi.
Arti
Dalam sains tidak ada pengecualian untuk hukum ini, ia mengatur semua fenomena alam. Atas dasar postulat inilah seseorang dapat mengajukan hipotesis tentang berbagai mesin, termasuk sanggahan terhadap realitas perkembangan mekanisme abadi. Ini dapat digunakan dalam semua kasus di mana perlu untuk menjelaskan transisi dari satu jenis energi ke jenis energi lainnya.
Aplikasi mekanis
Bagaimana hukum kekekalan dan transformasi energi dibaca saat ini? Esensinya terletak pada transisi satu jenis kuantitas ini ke yang lain, tetapi pada saat yang sama nilai keseluruhannya tetap tidak berubah. Sistem-sistem di mana proses mekanis dilakukan disebut konservatif. Sistem seperti itu diidealkan, yaitu tidak memperhitungkan gaya gesekan, jenis hambatan lain yang menyebabkan disipasi energi mekanik.
Dalam sistem konservatif, hanya transisi timbal balik dari energi potensial menjadi energi kinetik yang terjadi.
Kerja gaya yang bekerja pada benda dalam sistem seperti itu tidak terkait dengan bentuk lintasan. Nilainyatergantung pada posisi akhir dan awal tubuh. Sebagai contoh gaya-gaya semacam ini dalam fisika perhatikan gaya gravitasi. Dalam sistem konservatif, nilai kerja gaya pada bagian tertutup adalah nol, dan hukum kekekalan energi akan berlaku dalam bentuk berikut: “Dalam sistem tertutup konservatif, jumlah energi potensial dan energi kinetik tubuh yang membentuk sistem tetap tidak berubah.”
Misalnya pada kasus jatuh bebas suatu benda, energi potensial berubah menjadi bentuk kinetik, sedangkan nilai total jenis ini tidak berubah.
Kesimpulan
Kerja mekanis dapat dianggap sebagai satu-satunya cara saling transisi dari gerak mekanis menjadi bentuk materi lain.
Hukum ini telah menemukan penerapannya dalam teknologi. Setelah mematikan mesin mobil, ada kehilangan energi kinetik secara bertahap, diikuti dengan berhentinya kendaraan. Penelitian telah menunjukkan bahwa dalam kasus ini, sejumlah panas dilepaskan, oleh karena itu, benda gosok memanas, meningkatkan energi internalnya. Dalam kasus gesekan atau resistensi terhadap gerakan, transisi energi mekanik menjadi nilai internal diamati, yang menunjukkan kebenaran hukum.
Formulasi modernnya terlihat seperti: “Energi dari sistem yang terisolasi tidak hilang entah dari mana, tidak muncul entah dari mana. Dalam setiap fenomena yang ada di dalam sistem, terjadi peralihan dari satu jenis energi ke jenis energi lain, perpindahan dari satu benda ke benda lain, tanpaperubahan kuantitatif.”
Setelah penemuan hukum ini, fisikawan tidak meninggalkan ide untuk menciptakan mesin gerak abadi, di mana, dalam siklus tertutup, tidak akan ada perubahan jumlah panas yang ditransfer oleh sistem ke dunia sekitarnya, dibandingkan dengan panas yang diterima dari luar. Mesin seperti itu bisa menjadi sumber panas yang tak habis-habisnya, cara untuk memecahkan masalah energi umat manusia.
