کشف قانون بقای انرژی دایره المعارف مدرسه

نقش مهمی در کشف قانون بقا و تبدیل انرژی توسط آثار E.Kh. لنز و به ویژه کشف قانون جهت جریان القایی و اصل برگشت پذیری ماشین های الکتریکی. پیش نیاز مهم برای کشف قانون بقا و تبدیل انرژی، موفقیت زیست شناسی بود. افسانه در مورد "نیروی حیات" ویژه در بدن انسان و حیوانات از بین رفت. ارتباط مستقیمی بین میزان غذای مصرفی و توانایی انجام کار برقرار شد.

بیشتر ببین:

قانون بقای انرژی را نه یک فیزیکدان، بلکه توسط یک پزشک کشف کرد.

در سال 1840، در جزیره جاوه، دکتر کشتی، روبرت مایر آلمانی، رگ یک بیمار را باز کرد و... در کمال وحشت متوجه شد که نه خون تیره، بلکه قرمز مایل به قرمز جریان دارد! آیا واقعاً به جای رگ به شریان ختم شده است؟! ترس دکتر با این واقعیت توضیح داده شد که خون قرمز مایل به قرمز از قلب در شریان ها جریان می یابد - این خون پر از اکسیژن است. و به قلب برمی گردد، خون در رگ ها جریان می یابد. خون وریدی اکسیژن کمی را حفظ می کند، به همین دلیل رنگ آن قرمز تیره است. خونریزی از شریان کشنده است.

با این حال، پزشکان محلی به مایر اطمینان دادند: آنها توضیح دادند که در اینجا، در مناطق استوایی، خون وریدی مردم همان سرخی مایل به قرمز است.

"چرا این اتفاق می افتد؟ - مایر فکر می کند. - شاید واقعیت این باشد که دمای هوا در اینجا تقریباً برابر با دمای بدن انسان است ... بدن نیازی به صرف نیرو (در آن زمان) ندارد. انرژی قدرت نیز نامیده می شود!) برای حفظ دمای بدن، بنابراین اکسیژن در خون باقی می ماند - در نهایت، این احتراق اکسیژن است که قدرت می دهد. اما این به معنای آن قدرت است ذخیره : فقط از یک گونه به گونه دیگر تغییر می کند، اما هرگز ناپدید نمی شود یا از هیچ ظاهر نمی شود.

مایر با توسعه ایده خود، تمام تبدیل های انرژی شناخته شده را مورد مطالعه قرار داد - جنبشی به پتانسیل و بالعکس، انرژی مکانیکی به انرژی داخلی و انرژی داخلی به مکانیکی، و انرژی های الکتریکی و شیمیایی را بررسی کرد.

مستقل از مایر، اما چند سال بعد، قانون بقای انرژی توسط فیزیکدان انگلیسی جیمز ژول و طبیعت شناس آلمانی هرمان هلمهولتز کشف شد.

همه این دانشمندان زمانی که کشف بزرگ خود را انجام دادند بسیار جوان بودند: مایر 28 ساله، ژول 25 ساله و هلمهولتز 26 ساله بود.

مدت ها قبل از اکتشافات مایر، ژول و هلمهولتز، دانشمند برجسته روسی میخائیل واسیلیویچ لومونوسوف به کشف قانون بقای انرژی بسیار نزدیک شد.

اما، متأسفانه، آثار لومونوسوف برای مدت طولانی برای دانشمندان اروپایی ناشناخته ماند.

ایده تبدیل انرژی مکانیکی و درونی، همچنین قبل از اکتشافات مایر، ژول و هلمهولتز توسط فیزیکدان و مهندس تامپسون، که به عنوان کنت رامفورد شناخته شد، بیان شد.

معنای اساسی قانون بقای انرژی

قانون بقای انرژی "یک قانون اساسی طبیعت است که به طور تجربی ثابت شده است، که انرژی یک سیستم فیزیکی منزوی (بسته) در طول زمان حفظ می شود." به عبارت دیگر، انرژی نمی تواند از هیچ به وجود بیاید و نمی تواند در هیچ ناپدید شود، فقط می تواند از شکلی به شکل دیگر حرکت کند.

از منظر بنیادی، طبق قضیه نوتر، قانون بقای انرژی نتیجه همگنی زمان است و از این نظر جهانی است، یعنی در سیستم هایی با ماهیت های فیزیکی بسیار متفاوت ذاتی است. به عبارت دیگر، برای هر سیستم بسته خاص، صرف نظر از ماهیت آن، می توان مقدار معینی به نام انرژی را تعیین کرد که در طول زمان حفظ می شود. علاوه بر این، تحقق این قانون حفاظت در هر سیستم خاص با تبعیت این سیستم از قوانین دینامیک خاص خود، که عموماً برای سیستم های مختلف متفاوت است، توجیه می شود.

از آنجایی که قانون بقای انرژی در مورد کمیت ها و پدیده های خاص صدق نمی کند، بلکه الگوی کلی را منعکس می کند که در همه جا و همیشه قابل اجرا است، بهتر است آن را نه قانون، بلکه اصل بقای انرژی نامید.

از نقطه نظر ریاضی، قانون بقای انرژی معادل این بیانیه است که سیستم معادلات دیفرانسیل که دینامیک یک سیستم فیزیکی معین را توصیف می کند دارای اولین انتگرال حرکت است که با تقارن معادلات نسبت به زمان مرتبط است. تغییر مکان.

طبق قضیه نوتر، هر قانون بقای با تقارن خاصی از معادلات توصیف کننده سیستم همراه است. به طور خاص، قانون بقای انرژی معادل همگنی زمان است، یعنی استقلال همه قوانین توصیف کننده سیستم از لحظه زمانی که سیستم در نظر گرفته می شود.

نتیجه گیری این گفته را می توان مثلاً بر اساس فرمالیسم لاگرانژی انجام داد. اگر زمان همگن باشد، تابع لاگرانژ که سیستم را توصیف می کند به طور واضح به زمان بستگی ندارد، بنابراین مشتق کل آن نسبت به زمان به شکل زیر است:

در اینجا تابع لاگرانژ است، مختصات تعمیم یافته و مشتقات اول و دوم آنها با توجه به زمان، به ترتیب. با استفاده از معادلات لاگرانژ، مشتقات را با عبارت جایگزین می کنیم:

اجازه دهید آخرین عبارت را در فرم بازنویسی کنیم

مقدار داخل پرانتز طبق تعریف، انرژی سیستم نامیده می شود و از آنجایی که مشتق کل آن نسبت به زمان برابر با صفر است، یک انتگرال حرکت است (یعنی حفظ شده است).

تاریخچه کشف قانون بقا و تبدیل انرژی

در سال 1841، دانشمند روسی لنز و ژول انگلیسی، تقریباً همزمان و مستقل از یکدیگر، به طور تجربی ثابت کردند که می توان گرما را از طریق کار مکانیکی ایجاد کرد. ژول معادل مکانیکی گرما را تعریف کرد. این مطالعات و سایر مطالعات، کشف قانون بقا و تبدیل انرژی را آماده کردند. در 1842-1845 دانشمند آلمانی R. Mayer این قانون را بر اساس تعمیم داده های علوم طبیعی در مورد حرکت مکانیکی، الکتریسیته، مغناطیس، شیمی و حتی فیزیولوژی انسان فرموله کرد. در همان زمان، ایده های مشابهی در انگلستان (گروو) و دانمارک (کولدینگ) بیان شد. کمی بعد، این قانون توسط هلمهولتز (آلمان) تدوین شد.

دیدگاه ها در مورد گرما به عنوان شکلی از حرکت کوچکترین ذرات "غیر حساس" ماده در قرن هفدهم بیان شد. اف بیکن، دکارت، نیوتن، هوک و بسیاری دیگر به این ایده رسیدند که گرما با حرکت ذرات ماده مرتبط است. اما لومونوسوف این ایده را با تمامیت و قطعیت توسعه داد و از آن دفاع کرد. با این حال، او تنها بود.

به نظر می‌رسید که موفقیت‌های ترموفیزیک تجربی، و بالاتر از همه کالری‌سنجی، به نفع کالری‌سنجی بود. اما همان قرن نوزدهم. شواهد بصری از ارتباط بین گرما و حرکت مکانیکی به ارمغان آورد. البته این واقعیت که گرما از اصطکاک ایجاد می شود از زمان های بسیار قدیم شناخته شده است. طرفداران گرما در این پدیده چیزی شبیه به الکتریکی شدن اجسام در اثر اصطکاک دیدند - اصطکاک به خارج کردن کالری از بدن کمک می کند. با این حال، در سال 1798، بنجامین تامپسون (1753-1814)، که در سال 1790 کنت رامفورد شد، مشاهدات مهمی را در کارگاه های نظامی مونیخ انجام داد: هنگام حفاری یک کانال در لوله توپ، مقدار زیادی گرما آزاد می شود. برای بررسی دقیق این پدیده، رامفورد با حفاری یک کانال در یک سیلندر که از فلز تفنگ ماشینکاری شده بود، آزمایش کرد. یک مته بلانت در کانال حفاری شده قرار داده شد، محکم به دیواره کانال فشار داده شد و در چرخش قرار گرفت. دماسنج وارد شده در سیلندر نشان داد که در عرض 30 دقیقه پس از کار، دما 70 درجه فارنهایت افزایش یافته است. رامفورد آزمایش را با فرو بردن استوانه و مته در ظرف آب تکرار کرد. در حین حفاری، آب گرم شده و پس از 2.5 ساعت به جوش آمد. رامفورد این آزمایش را دلیلی بر این بود که گرما نوعی حرکت است.

دیوی آزمایش های خود را در مورد بدست آوردن گرما از طریق اصطکاک تکرار کرد. او با مالیدن دو قطعه به یکدیگر یخ را آب کرد. دیوی به این نتیجه رسید که فرضیه کالری را باید رها کرد و گرما را به عنوان حرکت نوسانی ذرات ماده در نظر گرفت.

به گفته مایر، همه جنبش‌ها و تغییرات در جهان توسط «تفاوت‌ها» ایجاد می‌شوند که نیروهایی را به وجود می‌آورند که به دنبال نابودی این تفاوت‌ها هستند. اما حرکت متوقف نمی شود، زیرا نیروها تخریب ناپذیر هستند و اختلافات را باز می گرداند. بنابراین، این اصل که بر اساس آن، هنگامی که نیروهای داده شده از نظر کمی تغییر نمی کنند، مانند مواد، منطقاً وجود تفاوت ها و در نتیجه جهان مادی را برای ما تضمین می کند. این فرمول ارائه شده توسط مایر به راحتی قابل انتقاد است. مفهوم «تفاوت» دقیقاً تعریف نشده است. این پیش‌بینی قانون است و نه خود قانون. اما از ارائه بیشتر مشخص می شود که او به زور علت حرکت را که با ضرب جرم و سرعت اندازه گیری می شود، درک می کند. حرکت، گرما و الکتریسیته پدیده‌هایی هستند که می‌توان آنها را به یک نیرو تقلیل داد که با یکدیگر اندازه‌گیری می‌شوند و طبق قوانین خاصی به یکدیگر تبدیل می‌شوند. این یک فرمول بسیار مشخص و واضح از قانون بقا و تبدیل نیرو است، یعنی. انرژی.

مایر با هدف به کارگیری ایده های مکانیک در فیزیولوژی، با توضیح مفهوم نیرو شروع می کند. و در اینجا دوباره این عقیده را تکرار می کند که حرکت از هیچ برخاسته نمی شود، نیرو علت حرکت است و علت حرکت یک شیء نابود نشدنی است. این صورت‌بندی به طرز شگفت‌انگیزی یادآور فرمول‌بندی «قانون جهانی» لومونوسوف است، که او «به قوانین حرکت» تعمیم داد. توجه داشته باشید که ترویج قانون جهانی حفاظت از سوی لومونوسوف و مایر به عنوان "قانون برتر طبیعت" توسط علم مدرن پذیرفته شده است، که قوانین خاص حفاظتی متعددی را به عنوان ستون اصلی تحقیقات علمی فرموله می کند. مایر معادل مکانیکی گرما را با جزئیات از اختلاف ظرفیت گرمایی گاز محاسبه می کند (این محاسبه اغلب در کتاب های درسی فیزیک مدارس تکرار می شود) و آن را بر اساس اندازه گیری های دلاروش و برارد و همچنین دولونگ که نسبت ظرفیت گرمایی هوا 367 کیلوگرم بر متر بر کیلو کالری است.

مایر تا سال 1848 توسعه ایده های خود را تکمیل کرد، زمانی که در بروشور "دینامیک آسمان در یک ارائه عمومی" مطرح کرد و سعی کرد مهمترین مشکل در مورد منبع انرژی خورشیدی را حل کند. مایر دریافت که انرژی شیمیایی برای جبران انرژی عظیم خورشید کافی نیست. اما از دیگر منابع انرژی در زمان او، فقط انرژی مکانیکی شناخته شده بود. و مایر به این نتیجه رسید که گرمای خورشید با بمباران شهاب سنگ هایی که از هر طرف به طور مداوم از فضای اطراف بر روی آن می افتند، دوباره پر می شود. او اعتراف می کند که این کشف به طور تصادفی انجام شده است (مشاهده ای در جاوا)، اما "هنوز دارایی من است و من از دفاع از حق اولویت خود دریغ نمی کنم." مایر همچنین اشاره می کند که قانون بقای انرژی، "و همچنین بیان عددی آن، معادل مکانیکی گرما، تقریباً به طور همزمان در آلمان و انگلیس منتشر شد." او به تحقیقات ژول اشاره می کند و اعتراف می کند که ژول قانون بقای و تبدیل انرژی را "بی قید و شرط مستقل کشف کرد" و "او مدیون دستاوردهای مهم متعددی در اثبات و توسعه بیشتر این قانون است." اما مایر تمایلی به چشم پوشی از حق اولویت خود ندارد و اشاره می کند که از خود آثار او مشخص است که او دنبال اثر نیست. با این حال، این به معنای کنار گذاشتن حقوق مالکیت شما نیست.

مدتها قبل از ژول، تحقیقات توسط آکادمیک سن پترزبورگ E.Kh. لنز، که کار خود را در سال 1843 تحت عنوان "در مورد قوانین تولید گرما توسط جریان گالوانیکی" منتشر کرد. لنز از کار ژول یاد می کند، که انتشار آن قبل از لنز انجام شده است، اما معتقد است که اگرچه نتایج او اساساً با ژول مطابقت دارد، اما آنها از ایرادات مشروعی که توسط کار ژول مطرح شده است، آزاد هستند.

لنز رفتار مقاومت ها را به دقت مطالعه کرد، به ویژه، او وجود به اصطلاح "مقاومت گذار" را در طول انتقال از جامد به مایع بررسی کرد. این مفهوم توسط برخی از فیزیکدانان در دوره ای مطرح شد که قانون اهم هنوز به طور کلی پذیرفته نشده بود. سپس به آزمایش اصلی رفت که نتایج آن را در دو شرط زیر فرموله کرد: گرم کردن سیم توسط جریان گالوانیکی متناسب با مقاومت سیم است. گرمایش سیم توسط جریان گالوانیکی متناسب با مجذور جریان مورد استفاده برای گرمایش است. دقت و کامل بودن آزمایشات لنز، شناخت قانونی را تضمین کرد که با نام قانون ژول-لنز وارد علم شد.

ژول آزمایش های خود را در مورد آزاد شدن گرما توسط جریان الکتریکی نقطه شروعی برای تحقیقات بیشتر در مورد رابطه بین گرما و کار قرار داد. او قبلاً در اولین آزمایشات خود شروع به حدس زدن کرد که گرمای تولید شده در سیمی که قطب های یک باتری گالوانیکی را به هم وصل می کند توسط دگرگونی های شیمیایی در باتری ایجاد می شود ، یعنی او شروع به دیدن معنای پرانرژی قانون کرد. برای روشن شدن بیشتر منشأ "گرمای ژول" (همانطور که اکنون گرمای تولید شده توسط جریان الکتریکی نامیده می شود)، او شروع به مطالعه گرمای آزاد شده توسط یک جریان القایی کرد. ژول در مقاله خود "درباره اثر حرارتی الکتریسیته مغناطیسی و اثر مکانیکی گرما" که در جلسه انجمن بریتانیا در اوت 1843 ارائه شد، به این نتیجه رسید که گرما را می توان با کار مکانیکی با استفاده از مغناطیسی الکتریسیته (القای الکترومغناطیسی) و این گرما ایجاد کرد. متناسب با مجذور جریان القایی نیرو است.

ژول با چرخاندن آهنربای الکتریکی یک ماشین القایی با کمک وزنه در حال سقوط، رابطه بین کار وزنه در حال سقوط و گرمای تولید شده در مدار را تعیین کرد. او به عنوان یک نتیجه متوسط از اندازه گیری های خود دریافت که "مقدار گرمایی که می تواند یک پوند آب را یک درجه فارنهایت بالا ببرد، می تواند به نیروی مکانیکی تبدیل شود که قادر است 838 پوند را تا ارتفاع عمودی یک پا بالا ببرد." با تبدیل واحدهای پوند و پا به کیلوگرم و متر و درجه فارنهایت به درجه سانتیگراد، در می یابیم که معادل مکانیکی گرما، محاسبه شده توسط ژول، برابر با 460 کیلوگرم بر متر بر کیلو کالری است. این نتیجه گیری، ژول را به نتیجه کلی تر دیگری می رساند، که او قول می دهد آن را در آزمایش های بعدی آزمایش کند: «نیروهای قدرتمند طبیعت ... تخریب ناپذیر هستند و ... در همه مواردی که نیروی مکانیکی صرف می شود، مقدار دقیقی معادل گرما حاصل می شود.» او استدلال می‌کند که گرمای حیوانی در نتیجه دگرگونی‌های شیمیایی در بدن به وجود می‌آید و خود دگرگونی‌های شیمیایی نتیجه عمل نیروهای شیمیایی ناشی از «سقوط اتم‌ها» است همان نتایجی که مایر قبلاً به آن رسیده بود.

هلمهولتز اصل عدم امکان حرکت دائمی را مشابه این اصل می داند که «همه اعمال در طبیعت را می توان به نیروهای جذاب یا دافعه تقلیل داد». هلمهولتز ماده را منفعل و بی حرکت می داند. برای توصیف تغییراتی که در جهان اتفاق می‌افتد، باید دارای نیروهای جذاب و دافعه باشد. هلمهولتز می نویسد: «پدیده های طبیعت باید به حرکات ماده با نیروهای محرکه تغییرناپذیر تقلیل داده شوند که فقط به روابط فضایی بستگی دارند.» کاشفان قانون بقا و تبدیل انرژی مسیرهای مختلفی را برای استقرار آن دنبال کردند. مایر، با شروع مشاهدات پزشکی، بلافاصله آن را به عنوان یک قانون عمیق و جامع در نظر گرفت و زنجیره ای از تحولات انرژی را از فضا به یک موجود زنده آشکار کرد. ژول به طور مداوم و مداوم رابطه کمی بین حرارت و کار مکانیکی را اندازه گیری کرد. هلمهولتز قانون را با تحقیقات مکانیک بزرگ قرن هجدهم مرتبط کرد. آنها در مسیرهای مختلف، همراه با بسیاری دیگر از معاصران، علیرغم مخالفت دانشمندان صنفی، پیگیرانه برای تصویب و به رسمیت شناختن قانون مبارزه کردند. مبارزه آسان نبود و گاه تراژیک می شد، اما با پیروزی کامل به پایان رسید. علم قانون بزرگ بقا و تبدیل انرژی را در اختیار گرفته است.

قانون بقای انرژی یک قانون اساسی طبیعت است که به صورت تجربی ایجاد شده است و بیان می کند که انرژی یک سیستم فیزیکی ایزوله (بسته) در طول زمان حفظ می شود. به عبارت دیگر، انرژی نمی تواند از هیچ به وجود بیاید و نمی تواند در هیچ ناپدید شود، فقط می تواند از شکلی به شکل دیگر حرکت کند.

با این حال، در شاخه های مختلف فیزیک، به دلایل تاریخی، قانون بقای انرژی به گونه ای متفاوت تدوین می شود و بنابراین از بقای انواع انرژی صحبت می کند. به عنوان مثال، در ترمودینامیک، قانون بقای انرژی به عنوان قانون اول ترمودینامیک بیان می شود. از آنجایی که قانون بقای انرژی در مورد کمیت ها و پدیده های خاص صدق نمی کند، بلکه الگوی کلی را منعکس می کند که در همه جا و همیشه قابل اجرا است، بهتر است آن را نه قانون، بلکه اصل بقای انرژی نامید.

دانشمند روسی لنز و ژول انگلیسی تقریباً به طور همزمان و مستقل از یکدیگر به طور تجربی ثابت کردند که می توان گرما را از طریق کار مکانیکی ایجاد کرد. ژول معادل مکانیکی گرما را تعریف کرد. این مطالعات و سایر مطالعات، کشف قانون بقا و تبدیل انرژی را آماده کردند. در 1842-1845 دانشمند آلمانی R. Mayer این قانون را بر اساس تعمیم داده های علوم طبیعی در مورد حرکت مکانیکی، الکتریسیته، مغناطیس، شیمی و حتی فیزیولوژی انسان فرموله کرد. در همان زمان، ایده های مشابهی در انگلستان (گروو) و دانمارک (کولدینگ) بیان شد. اندکی بعد، این قانون توسط هلمهولتز (آلمان) ایجاد شد.

مرتبط با این فایل 42986 فایل ها). از جمله: و 42976 فایل دیگر.
نمایش همه فایل های پیوند شده
چرا رژیم ها جواب نمیده؟؟؟
اول از همه، بیایید بفهمیم انرژی از کجا می آید (یعنی کالری هایی که می خوریم) و از کجا ناپدید می شود. قانون بقای انرژی - "انرژی از هیچ جا نمی آید و هیچ جا ناپدید نمی شود، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر منتقل می شود." از این نتیجه می شود که ما کالری می خوریم و همچنین کالری مصرف می کنیم (مهم نیست: سیب، آناناس، یا گوشت، ساندویچ و غیره)

تعادل کالری، یعنی مقدار انرژی مصرف شده باید با انرژی مصرف شده متعادل شود. هر چیزی که خرج نمی شود مطمئناً به عنوان چربی ذخیره می شود.! اگر می خواهیم به یک اثر کاهش وزن دست یابیم، پس به تعادل منفی (اما نه بیش از حد) نیاز داریم. به نظر می رسد که همه چیز ساده است - فقط باید جریان کالری را محدود کنید و تمام. اما به این سادگی نیست. بیایید بفهمیم که روزانه چه انرژی صرف می شود:

1. گردش تولید- این ضریب انرژی مصرف شده توسط بدن برای نیازهای اضافی است که به فعالیت بدنی فرد بستگی دارد.

هرکسی که فعالیت بدنی سنگین انجام می دهد گردش مالی بالایی دارد. و کسی که تمام روز سر کار می نشیند بر این اساس کوتاه است. اما این عامل اصلی در کاهش چربی بدن نیست، بلکه تنها یک عامل کمک کننده است.

2. متابولیسم پایه- این مقدار انرژی است که بدن برای حفظ بدن در حالت استراحت در دمای متوسط نیاز دارد. اینها تنفس، ضربان قلب، هضم غذا، حفظ دمای بدن و همچنین عضلات هستند. مهمترین عامل عضله است. بافت عضلانی متابولیسم خوبی را تقویت می کند و از رسوب چربی جلوگیری می کند. ماهیچه های ما حدود 40 درصد از کل انرژی خود را در حالت استراحت صرف می کنند! فردی که ماهیچه های خوبی دارد نسبت به کسی که کالری بسیار کمتری دارد، کالری بیشتری مصرف می کند. نفر اول یک «ماشین چربی سوزی» 24 ساعته در بدن خود دارد و بر این اساس، شانس بیشتری برای جلوگیری از رسوب چربی نسبت به نفر دوم دارد. از همین رو تمرینات عضله سازی بسیار مهم هستنداز آنجایی که ماهیچه ها نقش زیادی در فرآیند متابولیک دارند.

در طول رژیم های غذایی چه اتفاقی برای بدن می افتد؟کمبود کالری (تراز خیلی منفی). که بدن به آن واکنش منفی نشان می دهد و سعی می کند "ذخایر" خود را حفظ کند. برای این منظور، او شروع به خلاص شدن از شر "دزد" اصلی کالری - ماهیچه ها می کند. و در نتیجه معلوم می شود که متابولیسم پایه کاهش می یابد و بدن در حالت استراحت انرژی بسیار کمتری نسبت به قبل از رژیم مصرف می کند. و متابولیسم کندتر به این معنی است که برای ادامه چربی سوزی، باید کالری دریافتی خود را حتی بیشتر کاهش دهید. معلومه یه دور باطل... آدم موقع رژیم گرفتن مجبور میشه تا آخر عمر روند چربی سازی رو کنترل کنه! بعلاوه توده عضلانی قوی با توده چربی شل جایگزین می شودو از آنجایی که چربی کمتر از عضله است، بدن حتی حجیم تر به نظر می رسد. خوب، چه کسی به چنین رژیم غذایی نیاز دارد؟

نتیجه:ایجاد کسری کالری زیاد و رساندن بدن به وضعیت فاجعه آمیز به نفع ما نیست. برای حفظ متابولیسم خوب، به سادگی باید تمرینات قدرتی انجام دهید و پروتئین کافی مصرف کنید(به میزان 2 گرم به ازای هر کیلوگرم وزن در روز) برای جلوگیری از کاهش توده عضلانیو همچنین از بیماری های مختلف مرتبط با آتروفی اجتناب کنید.

تیم Iron Systemtm
به فهرست فایل بروید

تاریخچه کشف قانون بقای و تبدیل انرژی

در ارتباط با کشف یک پدیده فیزیکی اساسی - القای الکترومغناطیسی، که بر اساس آن بسیاری از شاخه های مهندسی برق مدرن توسعه یافته است، مناسب است در اینجا تاریخ یک کشف دیگر، حتی مهم تر - قانون بقا و تبدیل را در نظر بگیریم. انرژی

دانشمندان و پزشکان همه زمان ها به مطالعات در مورد فرآیندهای انرژی مختلف روی آورده اند و سعی در تعمیم هایی داشته اند که حاوی عناصری از فرمول بندی قانون بقا و تبدیل انرژی است. اگر به تاریخ کشف قانون بپردازیم، اصطلاح "انرژی" تنها در آخرین مرحله از تاریخ قانون بزرگ ظاهر شد. علاوه بر این، لازم است در نظر بگیریم که دستاوردهای اصلی فیزیک، شیمی و زیست شناسی، که امکان تعمیم واقعی را فراهم می کند، تنها از آغاز قرن نوزدهم شناخته شد.

حتی متفکران باستانی (دموکریتوس، اپیکور) ابدیت و فنا ناپذیری ماده و حرکت را تأیید کردند. فعالیت عملی روزمره مستلزم دانش قوانین حرکت بود، در درجه اول تنها شناخته شده - مکانیکی. و بنابراین، تصادفی نیست که قانون بقای انرژی در چارچوب مکانیک شروع به متبلور شدن کرد. در سال 1633، در رساله نور، ایده حفظ حرکت توسط دانشمند مشهور فرانسوی رنه دکارت (1596-1650) فرموله شد: "هنگامی که یک جسم با جسم دیگر برخورد می کند، تنها می تواند به همان اندازه حرکت را به آن منتقل کند. همان‌طور که همزمان ضرر می‌کند، و تنها به اندازه‌ای که حرکت خود را افزایش می‌دهد، از آن می‌گیریم». این ایده توسط دانشمند آلمانی گوتفرید ویلهلم لایبنیتس (1646-1716) در قانون بقای نیروهای زنده توسعه یافت.

پس از آثار کلاسیک آیزاک نیوتن (1643-1727) و گوتفرید لایب نیتس، اصل بقای حرکت فرمول روشنی در آثار M.V. لومونوسوف، که تصمیم گرفت دو اصل حفاظت را ترکیب کند: حرکت و ماده. M.V بود. لومونوسوف مسئول کشف قانون بقای ماده بود که سپس توسط دانشمند فرانسوی آنتوان لوران لاووازیه (1743-1794) به طور کاملاً مستقل تکرار شد. در سال 1744 M.V. لومونوسوف کلماتی را که مشهور شد نوشت: «تمام تغییراتی که در طبیعت اتفاق می‌افتد به گونه‌ای است که به اندازه‌ای از چیزی که از یک بدن برداشته می‌شود، به همان اندازه به بدن دیگری اضافه می‌شود، بنابراین اگر یک ماده کوچک در جایی گم شود، در جای دیگری تکثیر خواهد شد... این قانون طبیعی جهانی به همان حرکت حاکم می‌رسد، زیرا جسمی که با نیروی خود دیگری را به حرکت در می‌آورد، به همان اندازه که به دیگری می‌بخشد که از آن حرکت می‌کند، از خود آن را از دست می‌دهد.»

بنابراین در اواسط قرن 18 M.V. لومونوسوف به وضوح قانون بقای جرم و حرکت را به عنوان یک قانون جهانی طبیعت فرموله کرد. علاوه بر این، بخش اول بیان او ("همه تغییرات در طبیعت که اتفاق می افتد ...") به قدری گسترده فرموله شده است که اگر این کلمات 100 سال بعد نوشته می شد، زمانی که "تغییرات در طبیعت" دیگر شناخته شد - دگرگونی های متقابل متعدد انرژی (الکتريکي، حرارتي، شيميايي، مکانيکي)، سپس فرمولهاي ديگر قانون بقا و تبديل انرژي و بقاي ماده غيرضروري خواهد بود. اما، متأسفانه، دوران هنوز یکسان نبود و آثار علمی M.V. لومونوسوف تقریباً 150 سال ناشناخته ماند.

برای اینکه بتوانیم تحولات کیفی انرژی را از شکلی به شکل دیگر درک کنیم، باید پیش نیازهای علمی و فنی لازم و کافی وجود داشت. مهمترین این پیش نیازها توسعه دکترین گرما و عمل مهندسی گرما بود. معلوم است که آتش چه نقشی در تکامل انسان در طلوع تاریخ او داشته است. انسان در فرآیند کار یاد گرفت که با اصطکاک آتش بسازد. در تولید آتش توسط اصطکاک، تبدیل کیفی انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی از قبل مشهود بود.

برقراری روابط بین انرژی مکانیکی و حرارتی به طور عینی برای مدت طولانی توسط نظریه کالری متوقف شد. اعتقاد بر این بود که وقتی یک ماده فشرده می شود، کالری از آن خارج می شود، به عنوان مثال، هنگامی که یک گاز فشرده می شود، مانند آب پرتقال. افکار درخشان M.V. لومونوسوف در مورد حرکت مولکولی به عنوان منبع گرما، در مورد ماهیت جنبشی گرما به معنای گسترده تر، از دید جامعه علمی عمومی خارج شد. مهم‌ترین ضربه به نظریه کالری در عصر ماشین‌های بخار (1798) توسط آزمایش‌های بنجامین تامپسون آمریکایی (1753-1814) وارد شد که در اروپا با عنوان کنت رامفورد شناخته می‌شد. رامفورد هنگام حفاری لوله های اسلحه در مونیخ، انتشار گرما را مشاهده کرد که با این حال برای همه شناخته شده بود. با این حال، رامفورد توانست نشان دهد که تقریباً نامحدود گرما می تواند در این مورد آزاد شود. او در آزمایشات خود، اقداماتی را برای جداسازی مته و بشکه انجام داد تا از ورود کالری، این "ماده گرما" از هر جایی از بیرون جلوگیری کند.

اما برای حدود 30 سال پس از آزمایش های رامفورد، تئوری کالری، تصحیح و پالایش شده، همچنان در توضیح علل گرما جایگاه غالب را اشغال می کند. اساساً برای درک واقعیت تبدیل یک نوع حرکت (مثلاً مکانیکی) به نوع دیگر (مثلاً حرارتی) ایده یک معادل، به ویژه معادل مکانیکی گرما، مهم بود.

ماهیت دراماتیک تاریخ کشف قانون بقا و تبدیل انرژی این بود که تقریباً تا لحظه شناخت کامل این قانون، تقریباً هر اکتشاف قبلی که اعتبار آن را تأیید می کرد یا منتشر نشده بود یا توجه لازم به آن صورت نگرفت. یا صرفاً با خصومت علم رسمی مواجه شد.

آثار مرتبط از M.V. لومونوسوف تا سال 1904 فراموش شد و با انتشار در روسیه در یک زمان، آنها به آزمایشگاه های غربی نفوذ نکردند. رامفورد که پایه‌های نظریه کالری را متزلزل کرده بود، نمی‌توانست آن را بدون یافتن شواهدی دال بر معادل بودن تبدیل حرکت مکانیکی به گرما سرنگون کند. مهندس با استعداد بیست و هشت ساله فرانسوی سادی کارنو (1796-1832) در سال 1824 اثر قابل توجهی با عنوان "تأملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" منتشر کرد که در آن آنچه را که بعداً به وجود آمد بیان کرد. قانون دوم ترمودینامیک یا «اصل کارنو» نامیده می شود. اما مطالعات بعدی که در آن اس. کارنو نظریه کالری را رها کرد و برای اولین بار معادل مکانیکی گرما را تعیین کرد، به موقع منتشر نشد و دست نوشته های او تنها در سال 1878 شناخته شدند.

اس. کارنو در پیوست تنها کتاب خود نوشت: «گرما چیزی نیست جز یک نیروی محرکه، یا بهتر است بگوییم حرکتی که شکل خود را تغییر داده است. این حرکت ذرات اجسام است. هر جا که نیروی محرکه از بین برود، گرما به طور همزمان به مقدار دقیقاً متناسب با مقدار نیروی محرکه ناپدید شده ایجاد می شود. برعکس، هرگاه گرما از بین برود، نیروی محرکه ای پدید می آید.» با توجه به اندازه گیری های S. Carnot، معادل مکانیکی گرما 370 کیلوگرم در متر بود (به یاد بیاورید که این مقدار 427 کیلوگرم در متر یا 4186 ژول است).

مطالعات نظری S. Carnot به سوال خاصی که توسط صنعت در حال توسعه مطرح شده بود، پاسخ داد، که چگونه یک موتور حرارتی را اقتصادی تر کرد. اس. کارنو بر این باور بود که حرکت دائمی غیرممکن است. اما حتی معاصران او نیز توجهی را که شایسته این آثار بود نکردند.

تحقیق در مورد اثرات شیمیایی، حرارتی و مکانیکی جریان الکتریکی، کشف پدیده القای الکترومغناطیسی در 40 سال اول قرن 19. به عنوان دومین پیش نیاز مهم برای کشف قانون بقا و تبدیل انرژی عمل کرد.

در سال 1836، M. Faraday دو قانون الکترولیز را تدوین کرد که با آنها ارتباط بین مقدار الکتریسیته و خواص شیمیایی یک ماده برقرار کرد.

فیزیکدان بزرگ انگلیسی به طور قطع بر نیاز به ایجاد معادل‌هایی بین انواع مختلف انرژی، یا به تعبیر آن زمان، بین نیروهای مختلف تأکید کرد. او نوشت: «ما فرآیندهای زیادی داریم که در آن شکل خارجی نیروی می‌تواند دستخوش چنان تغییراتی شود که تبدیل آشکار آن به دیگری باشد. بنابراین، می توانیم نیروی شیمیایی را به جریان الکتریکی و جریان الکتریکی را به نیروی شیمیایی تبدیل کنیم. آزمایش های عالی T. Seebeck و J. Pelte ارتباط متقابل گرما و الکتریسیته را نشان می دهد و G. Oersted و آزمایش من تبدیل پذیری الکتریسیته و مغناطیس را نشان می دهند. اما در هیچ موردی، حتی در مورد مارماهی برقی و مارماهی، نیرو تولید نمی‌شود بدون اینکه هزینه‌ای برای چیزی که آن را تغذیه می‌کند، انجام دهد.» M. Faraday در دفتر خاطرات خود در سال 1837 نوشت: "باید تعداد نیروهای مادی (یعنی نیروهای الکتریسیته، گرانش، میل ترکیبی شیمیایی، انسجام و غیره) را با هم مقایسه کرد، جایی که می توان برای آنها بیان کرد. معادل ها در این یا شکل دیگر."

افسانه در مورد "نیروی حیات" ویژه در بدن انسان و حیوانات از بین رفت. ارتباط مستقیمی بین میزان غذای مصرفی و توانایی انجام کار برقرار شد.

دهه 40 قرن نوزدهم زمان تعمیم های گسترده بود. تاریخ نقش تعیین کننده ای در ایجاد قانون بقای و تبدیل انرژی به دانشمندان آلمانی رابرت مایر (1814-1878) و هرمان هلمهولتز و همچنین فیزیکدان انگلیسی جیمز ژول (1818-1889) اختصاص می دهد.

R. Mayer پزشک کشتی در یک کشتی هلندی بود که در سال 1840، ایده قانون بقای و تبدیل انرژی "به طور ناگهانی" به ذهن او خطور کرد. کلمه "ناگهان" به دلیلی در گیومه قرار داده شده است: R. Mayer بعداً در مورد بینش ناگهانی نوشت، اما آیا کشفی ناگهانی است که مقدمات آن برای یک فارغ التحصیل از دانشگاه توبینگن به خوبی شناخته شده است؟ انگیزه اولیه برای R. Mayer ناگهانی بود: او توجه را به چیزی جلب کرد که برای پزشکانی که دائماً در عرض های جغرافیایی گرمسیری کار می کردند به خوبی شناخته شده بود. در حالی که کشتی در جاوه اقامت داشت، ملوانی بیمار شد و R. Mayer، طبق معمول آن زمان، با باز کردن رگ "او را خون کرد". تعجب او را تصور کنید وقتی دید که خون وریدی به اندازه عرض های جغرافیایی معتدل تیره نیست. R. Mayer متوجه شد که در دمای متوسط هوا، برای حفظ عملکردهای حیاتی و دمای لازم بدن، مواد مغذی کمتر و "سوزاندن" کمتری مورد نیاز است. مقایسه حقایق علمی متعدد از حوزه شیمی، فیزیک و زیست شناسی او را به این نتیجه رساند که افکار، طبق بیان آر. طبیعت

در سال 1841، R. Mayer مقاله ای با عنوان "در مورد تعیین کمی و کیفی نیروها" نوشت، اما سردبیر یک مجله فیزیکی معروف در اروپا انتشار آن را ضروری ندانست. نسخه خطی مقاله در آرشیو سرمقاله کشف شد و تنها در سال 1881 منتشر شد، یعنی. 40 سال بعد مقاله بعدی، "یادداشت هایی در مورد نیروهای طبیعت بی جان" در سال 1842 منتشر شد. در این اثر، R. Mayer توجه زیادی به دگرگونی های متقابل کار مکانیکی و گرما دارد، بدون اطلاع از تحقیقات مربوطه S. کارنو، معادل مکانیکی گرما را تعیین می کند (به گفته وی، برابر با 365 کیلوگرم بر متر بر کیلو کالری است)، از "تخریب ناپذیری" نیروها صحبت می کند و اصل خود را فرموله می کند. در اینجا، برای اولین بار در تاریخ علم، R. Mayer بدون اینکه هنوز این کلمه را به زبان آورده باشد، معنای «انرژی» را در مفهوم «نیرو» قرار می دهد (اما این کلمه قبلاً تلفظ می شد؛ فیزیکدان انگلیسی با این کلمه. توماس یانگ (1773-1829) کمیتی متناسب با جرم و مجذور سرعت یک جسم متحرک تعیین کرد.

عقاید آر. مایر چنان ماهیت کلی و جهانی داشت که در ابتدا مورد قبول معاصرانش قرار نگرفت. زندگی او تبدیل به یک مبارزه مداوم برای استقرار اصل خود شد.

اندازه گیری های کلاسیک معادل مکانیکی گرما در سال های 1841-1843 انجام شد. (انتشار 1843) D. Joule. به گفته وی، این معادل 460 کیلوگرم بر متر بر کیلو کالری بوده است. D. Joule همچنین مستقل از E. Lenz، ارتباط بین جریان الکتریکی و گرمای تولید شده را برقرار کرد (قانون ژول-لنز). جالب است بدانید که انجمن بریتانیا (به نام آکادمی علوم بریتانیا) از انتشار کامل کار دی. ژول امتناع ورزید و از او توضیحات تجربی بیشتری خواست.

سرانجام، در سال 1847، G. Helmholtz، در کار خود "درباره بقای نیرو"، قانون بقا را در کلی ترین شکل آن ارائه کرد، و نشان داد که مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی ثابت می ماند. G. Helmholtz عبارت نیروی الکتروموتور القایی را بر اساس قانون بقای انرژی به دست آورد. در آنجا برای اولین بار یک تفسیر ریاضی از قانون ارائه شد. تکمیل سفر طولانی که علم برای تدوین دقیق قانون بقای انرژی طی کرده است را می توان گزارش W. Thomson "درباره نظریه دینامیکی گرما" (1851) در نظر گرفت.

در سال 1860، دبلیو. تامسون اصطلاح «انرژی» را به معنای امروزی آن وارد علم کرد. فیزیکدان معروف اسکاتلندی ویلیام جان مک‌کوارن رانکین (رانکین) (1820-1872)، یکی از پدیدآورندگان ترمودینامیک فنی، در سال 1853 به همین تعبیر از اصطلاح «انرژی» رسید.

مناسب است که ارائه تاریخچه کشف قانون را با سخنان فیزیکدان برجسته انگلیسی و شخصیت عمومی جان دیموند برنال (1901-1971) که 100 سال بعد نوشته شده است، پایان دهیم: "قانون بقای انرژی ... بزرگترین کشف فیزیکی اواسط قرن 19 بود. او بسیاری از علوم را در هم آمیخت و با روندهای زمانه هماهنگی استثنایی داشت. انرژی تبدیل به واحد پول جهانی فیزیک شده است - استاندارد طلایی تغییراتی که در جهان رخ می دهد ... تمام فعالیت های انسان به عنوان یک کل - صنعت، حمل و نقل، روشنایی و در نهایت، غذا و زندگی - از نقطه نظر وابستگی به این یک اصطلاح کلی - انرژی در نظر گرفته می شد.

قبلی78910111213141516171819202122بعدی

بیشتر ببین:

قانون بقای انرژی مکانیکی

انرژی مکانیکی یک سیستم مکانیکی محافظه کار در طول زمان حفظ می شود.

به بیان ساده، در غیاب نیروهای اتلاف کننده (مثلاً نیروهای اصطکاک)، انرژی مکانیکی از هیچ به وجود نمی آید و در هیچ کجا ناپدید نمی شود.

برای مثال، برای یک سیستم بسته از اجسام فیزیکی، برابری صادق است
Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2,
جایی که Ek1، Ep1- انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم هر تعامل، Ek2، Ep2- انرژی های مربوطه بعد از.

قانون بقای انرژی- این قانون یکپارچه. این بدان معنی است که از عمل قوانین دیفرانسیل تشکیل شده است و خاصیت عمل ترکیبی آنهاست.

تدوین قانون بقای انرژی مکانیکی.

کل انرژی مکانیکی، یعنی مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل یک جسم ثابت می ماند اگر فقط نیروهای کشش و گرانش عمل کنند و نیروهای اصطکاکی وجود نداشته باشند.

نکات دیگر در مورد فیزیک

مطالعه فرآیند تبدیل گرما به کار و بالعکس و ایجاد معادل مکانیکی گرما نقش عمده ای در کشف قانون بقا و تبدیل انرژی ایفا کرد. با این حال، این کشف توسط کل دوره توسعه فیزیک در نیمه اول قرن 19 تهیه شد. جايگاه بيشتر و بيشتري در تحقيقات فيزيكي توسط مطالعات پديده هايي كه در آنها تبديل شكل هاي مختلف حركت به يكديگر صورت مي گرفت، اشغال مي كرد. بررسی اثرات شیمیایی، حرارتی، نور جریان الکتریکی، مطالعه اثر محرک آن، مطالعه فرآیندهای تبدیل گرما به کار و غیره - همه اینها به ظهور و توسعه ایده کمک کرد. قابلیت تبدیل "نیروهای" طبیعت به یکدیگر.

این ایده به بلوغ رسید و شروع به تضاد با دیدگاه های مبتنی بر مفهوم "بی وزنی" کرد. این ایده به طور فزاینده ای توسط دانشمندان مختلف بیان می شود و یک مرحله لازم بود تا این ایده به یک قانون فیزیکی تبدیل شود. این گام توسط بسیاری از دانشمندان برداشته شده است. جالب است بدانید که تعدادی از آنها در زمان کشف قانون بقا و تبدیل انرژی فیزیکدان نبودند. نقش اصلی در ایجاد قانون بقای و تبدیل انرژی را دکتر مایر آلمانی، هلمهولتز دانشمند آلمانی (که در آن زمان پزشک و فیزیولوژیست بود و تنها پس از آن فیزیکدان شد) و سرانجام ژول انگلیسی، ایفا کردند. که به تحقیقات فیزیکی مشغول بود.

رابرت مایر

رابرت مایر (1814-1878) در رشته پزشکی و فیزیولوژی تحصیل کرد. در سال 1840، او کشف کرد که رنگ خون گرفته شده از رگ از افرادی که در مناطق استوایی زندگی می کنند، نسبت به افرادی که در اروپا زندگی می کنند، روشن تر است. مایر با بررسی این پدیده به این نتیجه رسید که دلیل این امر تفاوت دمای بدن انسان و محیط است. با تأمل در مورد این سؤال، او سرانجام به این ایده کلی در مورد تخریب ناپذیری "نیروهای طبیعت" و توانایی آنها برای تبدیل شدن به یکدیگر رسید. مایر ابتدا دیدگاه ها و نتیجه گیری های خود را در کار خود "در مورد تعیین کمی و کیفی نیروها" بیان کرد. در اینجا، مایر با کلمه «نیرو» می‌فهمد که بعداً انرژی نامیده شد. او این اصطلاح را در آثار بعدی خود حفظ کرده است. نیروها از نظر مایر عللی هستند که رابطه متقابل بین مواد اجسام را تغییر می دهند. از قوانین منطق و اصل علیت، به گفته مایر، چنین برمی‌آید که نیروها اشیایی نابود نشدنی هستند، اما در کیفیت‌هایشان تغییر می‌کنند. مایر معتقد است که علم با مطالعه نوع وجود نیروها (فیزیک) باید کمیت اجسام خود را بدون تغییر در نظر بگیرد و فقط کیفیت آنها را تغییر دهد. وی در ادامه می نویسد:

«...حرکت، گرما و همانطور که در ادامه می خواهیم نشان دهیم الکتریسیته، پدیده هایی هستند که با یکدیگر اندازه گیری می شوند و طبق قوانین خاصی به یکدیگر تبدیل می شوند». 2

با بیان این اصول کلی، مایر، اما با توجه خاص به آنها، تعدادی فرضیات اشتباه و گیج کننده را مطرح کرد. بنابراین، برای مثال، او نه انرژی جنبشی، بلکه کمیت حرکت را به عنوان معیار حرکت مکانیکی در نظر گرفت. مایر قصد داشت این اثر را در مجله فیزیک Annalen der physik منتشر کند. با این حال، پوگندورف، سردبیر مجله، از انتشار آن خودداری کرد. مقاله ماهیت کلی نیمه فلسفی داشت و هیچ نتیجه تجربی یا نظری خاصی نداشت.

در همان سال 1841، مایر اثر جدیدی در مورد همین موضوع نوشت و با در نظر گرفتن تجربه ناموفق خود، آن را به مجله شیمیایی-دارویی "Annalen der Chemie und Pharmacie" فرستاد، جایی که در سال 1842 تحت عنوان "یادداشت ها" منتشر شد. بر نیروهای طبیعت بی جان». در این مقاله، که عمدتاً ماهیت کلی داشت، مایر ایده های خود را با دقت بیشتری توسعه داد و مفاد اشتباه مندرج در مقاله اول را انجام نداد. نکته مهم جدید این بود که مایر با صحبت در مورد تبدیل انرژی مکانیکی به گرما برای اولین بار وجود معادل مکانیکی گرما را تأیید کرد. او نوشت:

«... باید به این سوال پاسخ داد که مقدار گرمای مربوط به مقدار معینی از نیروی سقوط یا حرکت چقدر است؟ به عنوان مثال، ما باید تعیین می‌کردیم که یک بار معین چقدر باید از سطح زمین بلند شود تا نیروی سقوط آن معادل گرم کردن وزن مساوی آب از 0 تا 1 درجه باشد. 3 .

مایر همچنین گزارش می دهد که او محاسبه مربوطه را با استفاده از مقادیر شناخته شده ظرفیت گرمایی هوا در فشار ثابت cp و ظرفیت گرمایی در حجم ثابت cv انجام داده و معادل مکانیکی گرما را پیدا کرده است که طبق محاسبات وی ، برابر با 365 کیلوگرم بر کیلو کالری است.

در سال 1845، مایر کتاب «جنبش ارگانیک در ارتباط با متابولیسم» را منتشر کرد، جایی که او با جزئیات بیشتری دکترین بقای و تبدیل انرژی (در اصطلاح خود «نیرو») را تشریح کرد. در جزئیات بیشتر، نکات اصلی مایر به شرح زیر است. او معتقد بود در طبیعت دو نوع علت وجود دارد: یکی با خاصیت وزن و نفوذ ناپذیری مشخص می شود - این ماده است و دسته دیگر علل نیروها هستند. ماده و نیروها تخریب ناپذیرند. این از این اصل ناشی می شود که یک علت همیشه با یک معلول مساوی است که به نوبه خود علت عمل بعدی است. در عین حال، دلایل می توانند اشکال مختلفی داشته باشند. «علل (از نظر کمی) تخریب ناپذیر و (از لحاظ کیفی) قادر به تغییر اشیاء هستند.» از این نظر، نیروها اشیاء تخریب ناپذیری هستند که قابلیت دگرگونی دارند. چندین "نیروی" کیفی متفاوت در طبیعت وجود دارد. اول، حرکت: "حرکت قدرت است." این قدرت با مقدار نیروی انسانی سنجیده می شود. هنگامی که اجسام کشسان با هم برخورد می کنند، مقدار کل "نیروهای زنده" ثابت می ماند. نیروی دیگر «نیروی سقوط» است. منظور مایر از این نیرو، انرژی پتانسیل یک جسم بلند شده است. با حاصل ضرب وزن و قد اندازه گیری می شود. هنگام سقوط، "نیروی سقوط" و "نیروی حرکت" متقابلا به یکدیگر تبدیل می شوند. مقدار کل آنها ثابت می ماند. گرما نیز «نیرو» است. می توان آن را به حرکت مکانیکی تبدیل کرد و بالعکس. تبدیل اثر مکانیکی (نام عمومی، به گفته مایر، برای انرژی جنبشی و پتانسیل) به گرما و بالعکس همیشه در مقادیر کاملاً معادل رخ می دهد. مایر در کار خود "حرکت آلی و متابولیسم" مقدار دقیق تری برای معادل مکانیکی گرما (نسبت به مقاله 1842) می دهد که دوباره بر اساس تفاوت بین ظرفیت گرمایی هوا در حجم ثابت و فشار ثابت یافت شد. بر اساس محاسبات وی، معادل مکانیکی آن 425 کیلوگرم بر کیلو کالری است.

الکتریسیته نیز نوعی تجلی نیروی فیزیکی است. در صورت اصطکاک، انرژی مکانیکی می تواند به الکتریسیته تبدیل شود. مایر یک الکتروفور را مثال می‌زند و به درستی خاطرنشان می‌کند که هنگام برداشتن صفحه رویی، علاوه بر کار در برابر گرانش، کار مکانیکی باید در برابر نیروی الکتریکی نیز صرف شود.

علاوه بر نیروهای ذکر شده، "نیروی شیمیایی" نیز وجود دارد. به گفته مایر، این قدرت در اختیار مواد شیمیایی است که می‌توانند در حین جدا شدن با هم ترکیب شوند: وجود مجزای شیمیایی یا تفاوت شیمیایی مواد، «نیرو» است. مایر نمونه هایی از تبدیل پذیری «نیروها» را در نظر می گیرد: حرکت مکانیکی به گرما و الکتریسیته، الکتریسیته به گرما و «اثر مکانیکی»، گرما به الکتریسیته، و غیره. بنابراین، او به طور خاص در برابر ایده غیرقابل قبول صحبت می کند. او می نویسد:

بیایید حقیقت بزرگ را بیان کنیم: هیچ چیز غیر مادی وجود ندارد. ما به خوبی می‌دانیم که با فرضیه‌های ریشه‌ای مبارزه می‌کنیم که توسط بزرگ‌ترین مقامات رسمیت داده شده‌اند، که می‌خواهیم همراه با مایعات غیرقابل تصور، هر آنچه از خدایان یونان باقی مانده است را از تعلیم طبیعت بیرون کنیم. با این حال، ما همچنین می دانیم که طبیعت در حقیقت ساده اش از هر آفریده دست انسان، از تمام توهمات روح آفریده شده، بزرگتر و زیباتر است.» 4 .

اولین کارهای مایر توجه فیزیکدانان را به خود جلب نکرد. آنها در مجلات فیزیک منتشر نشدند، و عمدتاً ماهیت کلی داشتند، ناگفته نماند این واقعیت که با تئوری رایج کالری و به طور کلی، با ایده هایی درباره چیزهای غیرقابل تصور در تضاد بودند.

در سال 1843، مستقل از مایر، انگلیسی، جیمز پرسکات ژول (1818-1889) به کشف هم ارزی گرما و کار و سپس به قانون بقا و تبدیل انرژی رسید. از سال 1841، ژول به مطالعه آزاد شدن گرما توسط جریان الکتریکی پرداخته است. در این زمان، به ویژه، او قانونی را کشف کرد که به طور مستقل توسط لنز (قانون ژول-لنز) نیز ایجاد شد. سپس با بررسی مقدار کل گرمای آزاد شده در کل مدار، از جمله سلول گالوانیکی، در یک زمان معین، مشخص کرد که این مقدار گرما برابر با گرمای واکنش های شیمیایی است که در همان زمان در عنصر رخ می دهد. او، ژول، عقیده دارد که منبع گرمای آزاد شده در یک مدار جریان الکتریکی، فرآیندهای شیمیایی است که در یک سلول گالوانیکی اتفاق می‌افتد، و جریان الکتریکی، همانطور که بود، این گرما را در کل مدار حمل می‌کند. او نوشت که «الکتریسیته ممکن است به عنوان عامل مهمی در نظر گرفته شود که گرمای شیمیایی را انتقال، سازماندهی و اصلاح می کند». اما یک "ماشین الکترومغناطیسی" می تواند به عنوان منبع جریان الکتریکی نیز عمل کند. گرمای تولید شده توسط جریان الکتریکی را در این مورد چگونه باید در نظر بگیریم؟ ژول همچنین این سوال را مطرح می کند: اگر یک ماشین مغناطیسی (یعنی یک موتور الکتریکی) به مداری با یک عنصر گالوانیکی متصل شود چه اتفاقی می افتد؟

جیمز پرسکات ژول

ژول در ادامه تحقیقات خود در این راستا به نتایج مهم جدیدی دست یافت که در کار "اثر حرارتی مغناطیسی الکتریسیته و ارزش مکانیکی گرما" منتشر شده در سال 1843 بیان کرد. اول از همه، ژول به بررسی این مسئله پرداخت. گرمای تولید شده توسط جریان القایی برای این کار یک سیم پیچ با هسته آهنی را در لوله ای که پر از آب بود قرار داد و آن را در میدان مغناطیسی تشکیل شده توسط قطب های آهنربا چرخاند (شکل 63). ژول با اندازه گیری مقدار جریان القایی با یک گالوانومتر متصل به انتهای سیم پیچ سیم با استفاده از یک کموتاتور جیوه، و همزمان با تعیین مقدار گرمای تولید شده توسط جریان در لوله، به این نتیجه رسید که جریان القایی مانند جریان گالوانیکی گرمایی آزاد می کند که مقدار آن متناسب با مجذور جریان و مقاومت است.

برنج. 63. نصب ژول (مگنت در نقشه مشخص نشده است)

برنج. 64. نصب ژول برای تعیین معادل مکانیکی گرما

سپس ژول سیم پیچی را که در یک لوله آب قرار داده شده بود به یک مدار گالوانیکی متصل کرد. او با چرخاندن آن در جهات مخالف، جریان مدار و گرمای تولید شده را در مدت زمان معینی اندازه گرفت، به طوری که سیم پیچ زمانی نقش یک موتور الکتریکی و بار دیگر به عنوان مولد جریان الکتریکی را بازی می کرد. سپس با مقایسه مقدار گرمای آزاد شده با گرمای واکنش های شیمیایی رخ داده در سلول گالوانیکی، ژول به این نتیجه رسید که "گرمای ناشی از عمل شیمیایی در معرض افزایش یا کاهش است" و "بنابراین ما در مغناطیسی الکتریسیته داریم. عاملی که قادر به تخریب با وسایل مکانیکی معمولی یا برانگیختن گرما باشد.» 6.

در نهایت، ژول این لوله را مجبور به چرخش در یک میدان مغناطیسی از قبل تحت تأثیر وزنه‌های در حال سقوط کرد. برابر با 460 kgm/kcal باشد.

در همان سال، ژول آزمایشی را گزارش کرد که در آن کار مکانیکی مستقیماً به گرما تبدیل شد. او گرمای آزاد شده هنگام عبور آب از لوله های باریک* را اندازه گیری کرد و دریافت که معادل مکانیکی گرما 423 کیلوگرم بر کیلو کالری است.

پس از آن، ژول دوباره به تعیین تجربی معادل مکانیکی گرما بازگشت. او در سال 1849 آزمایش معروفی را در مورد اندازه گیری معادل مکانیکی گرما انجام داد. او با استفاده از وزنه‌های در حال سقوط، محوری با تیغه‌ها را مجبور به چرخش در داخل یک کالری‌سنج پر از مایع کرد (شکل 64). با اندازه گیری کار انجام شده توسط بارها و گرمای آزاد شده در کالریمتر، ژول معادل مکانیکی گرما معادل 424 کیلوگرم بر کیلو کالری دریافت کرد.

کشف معادل مکانیکی گرما ژول را به کشف قانون بقا و تبدیل انرژی سوق داد. او در یک سخنرانی در سال 1847 در منچستر گفت:

بنابراین، می بینید که نیروی زنده می تواند به گرما تبدیل شود و گرما می تواند به نیروی زنده یا جذب از راه دور تبدیل شود. بنابراین، هر سه - یعنی گرما، نیروی زنده و جاذبه در یک فاصله (که می توانم نور را به آنها وارد کنم...) - متقابلاً به یکدیگر تبدیل می شوند. علاوه بر این، هیچ چیز در طول این دگرگونی ها از دست نمی رود.» 7 .

هرمان هلمهولتز (1821-1894) یک پزشک و فیزیولوژیست با آموزش بود، بلافاصله پس از فارغ التحصیلی از موسسه پزشکی-جراحی به تحقیق در زمینه فیزیولوژی، به ویژه در رابطه با موضوع تبدیل اشکال مختلف انرژی در زندگی مشغول شد. ارگانیسم این مطالعات منجر به این سوال شد: «اگر بپذیریم که دائمی متحرک عموماً غیرممکن است، چه روابطی باید بین نیروهای مختلف طبیعت وجود داشته باشد؟» 8 . هلمهولتز در حین کار بر روی این مشکل به کشف قانون بقا و تبدیل انرژی نیز رسید. او مقاله ای نوشت که پوگندورف نیز از انتشار آن در مجله خود امتناع کرد. در سال 1847 به عنوان یک کتاب جداگانه منتشر شد.

هلمهولتز از قانون شناخته شده بقای «نیروهای زنده» ناشی می شود که البته برای نیروهای مرکزی معتبر است. او می نویسد:

وقتی اجسام طبیعی مستقل از زمان و سرعت با نیروهای جاذب و دافعه بر یکدیگر عمل می کنند، مجموع نیروهای زنده و نیروهای کششی آنها ثابت می ماند، بنابراین حداکثر کار به دست آمده معین و متناهی خواهد بود. ارزش” 9. (در اینجا، با "نیروی کشش" (Spannkraft)، هلمهولتز به معنای انرژی بالقوه بود.)

با این حال، قانون بقای نیروهای زنده فقط در مکانیک و حتی در آن زمان فقط در مورد نیروهای محافظه کار عمل می کند (هلمهولتز در ابتدا عمل خود را به نیروهای مرکزی محدود کرد).

هرمان هلمهولتز

برای اینکه اکنون به سمت قانون کلی بقای «نیروها» حرکت کنیم (همانطور که هلمهولتز، مانند مایر، انرژی می نامد)، او معتقد است که همه پدیده های طبیعی در نهایت به حرکت و آرایش اجسام مادی می رسند که بین آنها نیروهای مرکزی عمل می کنند.

تا کنون، اساساً هیچ چیز جدیدی در چنین استدلال هلمهولتز وجود ندارد. بسیاری از مردم قبل از او و در زمان او چنین فکر می کردند. و اگر به این ملاحظات اکتفا می کرد، شایستگی او در کشف قانون بقا و تبدیل انرژی به صفر می رسید. نکته اصلی این است که او مطالعه کرد که به نظر او چگونه قانون بقای "نیروهای زنده" در همه پدیده های فیزیکی ظاهر می شود: مکانیک، ترموفیزیک، الکترودینامیک و غیره. او در واقع مسئله تبدیل انواع مختلف انرژی را مورد مطالعه قرار داد. در فرآیندهای فیزیکی، اگرچه او این اشکال را مظهر «نیروی زنده» یا «نیروی تنش» می‌دانست.

هلمهولتز ابتدا فرآیندهای تبدیل انرژی را در چارچوب مکانیک بررسی کرد، یعنی فرآیندهای تبدیل انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل و بالعکس. او سپس با استناد به کشف معادل مکانیکی گرما توسط ژول، فرآیندهای تبدیل حرکت مکانیکی به گرما را بررسی می کند. پس از این، هلمهولتز به پدیده های الکتریکی می رود. او تعیین کرد که انرژی یک خازن باردار برابر با 1/2 q 2 /c است که در آن q بار و c ظرفیت خازن است. در هنگام تخلیه، این انرژی به گرما تبدیل می شود که در هادی که صفحات خازن را می بندد، آزاد می شود.

هلمهولتز همچنین فرآیندهای انرژی در مدار گالوانیکی را مطالعه می کند. کار جریان الکتریکی و گرمای تولید شده در مدار را در نظر می گیرد (با استفاده از قانون ژول-لنز)، و همچنین موردی که یک عنصر حرارتی در مدار گنجانده شده است.

هلمهولتز با در نظر گرفتن پدیده های الکترومغناطیسی، با استفاده از قانون بقای انرژی، بیان قانون القای الکترومغناطیسی را دریافت کرد. او مدار بسته ای را با جریان و آهنربا تحت تأثیر این جریان در نظر گرفت. در یک بازه زمانی کوتاه dt، تغییرات زیر در سیستم رخ می دهد. اولاً، یک باتری که جریان I را در مدار پشتیبانی می کند، کاری برابر با εldt، که ε نیروی حرکتی الکتریکی باتری است. ثانیاً در این مدت زمان مقداری گرما در مدار آزاد می شود که برابر با I 2 Rdt، جایی که R مقاومت مدار است. و سرانجام، موقعیت نسبی آهنربا و مدار با جریان تغییر می کند، که همانطور که هلمهولتز معتقد بود، منجر به تغییر در "نیروی زنده" آهنربا می شود. تغییر در این "نیروی زنده" باید برابر باشد IdV، که در آن V یک تابع بالقوه است که توسط نویمان معرفی شده است. طبق قانون بقای «نیرو»، برابری باید رعایت شود

نتیجه این است که یک نیروی القایی الکتروموتور برابر با -dV/dt در مدار برانگیخته می شود. اگر در نظر بگیریم که مقدار V برابر با شار القای مغناطیسی در مدار است، همانطور که می بینیم، قانون القای الکترومغناطیسی 10 به دست آمده است.

هلمهولتز در پایان کار بر روی مسئله کاربرد اصل بقای "نیرو" در فرآیندهای آلی تمرکز می کند و آن را به طور مثبت حل می کند. در خاتمه می نویسد:

«من فکر می کنم که داده های ارائه شده ثابت می کند که قانون مذکور با هیچ یک از حقایق شناخته شده در علوم طبیعی مغایرت ندارد و به طرز شگفت انگیزی توسط تعداد زیادی از آنها تأیید می شود ... تأیید کامل (قانون - B.S.) ... باید باشد. به عنوان یکی از وظایف اصلی آینده نزدیک فیزیک محسوب می شود. 11

کارهای هلمهولتز بیش از حد سرد مورد استقبال قرار گرفت. خود هلمهولتز در خاطراتش نوشته است:

من تا حدی از مقاومتی که در میان متخصصان دیدم شگفت زده شدم. من از کار در پوگندورف آنالن امتناع کردم و در میان اعضای آکادمی برلین فقط ریاضیدان K. G. I. Jacobi بود که طرف من را گرفت. 12

با این حال، علیرغم استقبال سردی که کار مایر، هلمهولتز و ژول در ابتدا با آن مواجه شد، ایده کلی آنها بیشتر و بیشتر گسترش یافت و در عمل تحقیقات فیزیکی به کار رفت. این ایده که یک قانون فیزیکی جدید و بسیار مهم و حتی بیشتر از آن، یک قانون کلی علوم طبیعی کشف شده است، به تدریج ذهن دانشمندان را در بر می گیرد. آثار دانشمندان انگلیسی W. Thomson، W. J. Rankin و فیزیکدان آلمانی R. Clausius نقش مهمی در توسعه اصول اساسی Mayer، Joule و Helmholtz ایفا کردند.

اول از همه، کشف قانون بقا و تبدیل انرژی نقش تعیین کننده ای در مطالعات بعدی فرآیندهای تبدیل گرما به کار ایفا کرد که منجر به ایجاد پایه های ترمودینامیک شد. قانون بقا و تبدیل انرژی در سایر زمینه های فیزیک نیز به کار می رود، به عنوان مثال، در تحقیقات الکترودینامیک.

قبلاً در سال 1848 V. Thomson با تکیه بر کار ژول قانون بقا و تبدیل انرژی را در پدیده القای الکترومغناطیسی اعمال کرد. او (مستقل از هلمهولتز) نشان داد که "کل کار صرف شده برای تولید حرکت تولید القای الکترومغناطیسی باید معادل اثر مکانیکی از دست رفته توسط جریان باشد" 13 .

بعدها، تامسون با استفاده از قانون بقا و تبدیل انرژی، دوباره پدیده القای الکترومغناطیسی و سپس پدیده خود القایی را بررسی کرد و مشخص کرد که انرژی یک هادی با جریان را می توان با فرمول Li 2 12 2 بیان کرد. ، که در آن L کمیتی است که فقط به هندسه هادی بستگی دارد (که بعداً ضریب خود القایی نامیده شد). تامسون در سال 1853 با بررسی مسئله انرژی آهنرباها و جریان ها، این انرژی را به صورت یک انتگرال بر روی حجم بیان کرد.

در سال 1852، کلازیوس قانون بقا و تبدیل انرژی را در پدیده های الکتریکی اعمال کرد. کلازیوس در کار خود "در مورد معادل مکانیکی تخلیه الکتریکی و گرمایش حاصل از هادی ها" نوشت:

همانطور که کار مکانیکی را می توان از طریق گرما انجام داد، جریان الکتریکی می تواند تا حدی عمل مکانیکی و بخشی گرما ایجاد کند. 14 .

در همان سال، کلازیوس قانون بقای انرژی را برای فرآیندهای انرژی در مدار جریان مستقیم و سال بعد در مورد پدیده های ترموالکتریک به کار برد.

رانکین علاوه بر تامسون و کلازیوس، روی توسعه و بکارگیری قانون بقا و تبدیل انرژی نیز کار کرد. او اولین کسی بود که اصطلاح «انرژی» را به طور گسترده به کار برد و سعی کرد مفهوم انرژی را یک تعریف کلی ارائه دهد. منظور از انرژی، رانکین توانایی تولید کار است. او در سال 1855 در تعریف مفهوم انرژی نوشت: "اصطلاح "انرژی" به هر حالتی از ماده اشاره دارد که توانایی تولید کار را شامل می شود. "مقدار انرژی با مقدار کاری که می تواند تولید کند اندازه گیری می شود." حتی قبل از آن، در سال 1853، رانکین انرژی را به دو بخش «واقعی» و «بالقوه» تقسیم کرد. او نوشت:

انرژی واقعی یا محسوس یک حالت قابل اندازه گیری، قابل انتقال و تبدیل است که باعث می شود یک ماده حالت خود را تغییر دهد... هنگامی که چنین تغییری رخ می دهد، انرژی واقعی ناپدید می شود و با انرژی بالقوه یا نهان جایگزین می شود که اندازه گیری می شود بزرگی تغییر حالت، مقاومتی که این تغییر در برابر آن انجام می شود" 16 .

با استفاده از انرژی "واقعی" رانکین شامل "نیروی زنده"، گرما، گرمای تابشی، نور، عمل شیمیایی و جریان الکتریکی است که اشکال مختلف آن است. به انرژی پتانسیل - "نیروی مکانیکی گرانش"، کشش، میل شیمیایی، انرژی الکتریسیته ساکن و مغناطیس.

تامسون که برای اولین بار از اصطلاح "انرژی واقعی" که توسط رانکین معرفی شد استفاده کرد، سپس آن را با "انرژی جنبشی" جایگزین کرد.

قبلاً در دهه 50 ، قانون بقای و تبدیل انرژی به عنوان یک قانون کلی طبیعت شناخته شد که همه پدیده های فیزیکی را پوشش می دهد. اکنون بحث در مورد اولویت افتتاحیه آغاز می شود. همه چیز با یک مجادله کوچک بین مایر و ژول در صفحات مجله فرانسوی "Comptes rendus" در سال های 1847-1849 آغاز شد. در مورد اولویت در کشف معادل مکانیکی گرما. در سال 1849، یک روزنامه نسبتاً گسترده در آلمان به طور خاص علیه مایر صحبت کرد و او را یک آماتور توصیف کرد و به مردم نسبت به "کشف خیالی آقای دکتر مایر" هشدار داد و اشاره کرد که ادعای ناسازگاری استدلال او قبلاً وجود داشته است. توسط محافل علمی معتبر اثبات شده است. در سال 1851، مایر، در مقاله خود "در مورد معادل مکانیکی گرما"، که تاریخچه این کشف را تشریح می کند، نوشت:

نظریه جدید به زودی توجه دانشمندان را به خود جلب کرد. اما از آنجایی که در اینجا در آلمان و خارج از کشور به عنوان یک کشف منحصراً خارجی در نظر گرفته شد، این باعث شد که حقوق خود را در اولویت قرار دهم. 17 .

هلمهولتز در سال 1851 برای اولین بار به کار مایر اشاره کرد و در سال 1852 اولویت دومی را در کشف قانون بقا و تبدیل انرژی تأیید کرد.

هلمهولتز می نویسد: "این بیانیه در مورد تخریب ناپذیری کار نیروهای مکانیکی و هم ارزی نیروهای طبیعی مختلف با مقدار معینی از کار مکانیکی، اولین بار توسط مایر بیان شد" 18.

او آثار مایر را به عنوان موضوع گزارش خود انتخاب کرد و به شکل جذاب معمول خود، تمام نتایج اصلی آثار مایر را ارائه کرد. هنگامی که عموم مردم که شدیداً به این سؤال علاقه مند بودند، طبیعتاً می خواستند بدانند که صاحب همه این تحقیقات کیست، تیندال از مردی نام برد که در یک شهر کوچک آلمانی زندگی می کرد، بدون هیچ گونه حمایت علمی یا تشویقی، با انرژی و پشتکار شگفت انگیز برای توسعه استعدادهای درخشان خود تلاش کرد. اندیشه ها" 20 .

فیزیکدان انگلیسی تایت به شدت با تشخیص اولویت مایر در مجله "Good Words" مخالفت کرد. او با اعتراض به تیندال، از به رسمیت شناختن هر یک از شایستگی های مایر خودداری کرد. مناقشه ای بین Tait و Tyndall ایجاد شد. هلمهولتز و کلازیوس به آن پاسخ دادند. اگر هلمهولتز بسیار محتاطانه از مایر دفاع می کرد، کلازیوس در مورد یکی از مقالاتش به شدت به تایت اعتراض کرد. او نوشت که این مقاله فقط می تواند ضرر داشته باشد

«شما شهرت علمی بالایی دارید. هر خواننده ای در نگاه اول متوجه می شود که این یک ارائه بی طرفانه و تاریخی از موضوع نیست که باید از دانشمندی در رده شما انتظار داشت، بلکه مقاله ای آغشته به حزب گرایی است که فقط برای تجلیل از چند نفر نوشته شده است. 21 .

متعاقبا، تت به مخالفت با اولویت مایر ادامه داد. او در سال 1876 نوشت:

"...زمان آن فرا رسیده است که مایر... را در جای مناسب خود قرار دهیم... قانون بقای انرژی در شکل کلی آن بدون شک توسط کولدینگ در کپنهاگ و ژول در منچستر ایجاد و به طور تجربی اثبات شده است." 22 .

در آلمان، اگرچه کلازیوس و تا حدودی هلمهولتز در کنار مایر بودند، مایر همچنان در معرض حملاتی بود که گاهی به شکل شایعات در می آمد. در سال 1858 شایعاتی در مورد مرگ ادعایی او منتشر شد. پوگندورف، در فرهنگ لغت بزرگ زندگینامه خود (1863)، در پایان مقاله ای بیش از حد متواضع در مورد مایر، نوشت: «... به نظر می رسد که در حدود سال 1858 در بیمارستان روانی درگذشت. درست است، در پایان کتاب او یک "گواهی" اضافی در مورد مایر قرار داد: "مرده نیست...، اما هنوز زنده است" 23.

در نهایت، اولویت مایر توسط E. Dühring 24 دفاع شد، که به طور همزمان نقش ژول و هلمهولتز را در کشف قانون بقای و تبدیل انرژی ناچیز دانست، که همچنین به تقویت اولویت مایر کمکی نکرد.

مبارزه حول اولویت مایر با مبارزه حول درک ماهیت قانون حفظ و تبدیل انرژی مرتبط بود. مایر نسبت به بسیاری از معاصران خود و به ویژه دانشمندانی مانند Tait که به دیدگاه تجربی محدودی از دانش پایبند بودند، به درک این قانون از موضع فلسفی گسترده تری برخورد کرد. مایر بدون شک در زمینه تعدادی از مسائل یک انقلابی بود.

انگلس اولین کسی بود که به درستی از شایستگی های مایر قدردانی کرد. انگلس با ادای احترام به هلمهولتز، با این وجود خاطرنشان کرد:

مایر قبلاً در سال 1842 بر «تخریب ناپذیری نیرو» تأکید کرد و در سال 1845، بر اساس دیدگاه جدید خود، توانست چیزهای بسیار درخشان تری را در مورد «روابط بین فرآیندهای مختلف طبیعت» نسبت به هلمهولتز بیان کند. در سال 1847." 25 .

انگلس در جای دیگر خاطرنشان کرد:

«...ثابت کمی حرکت قبلاً توسط دکارت و تقریباً با همان عبارات فعلی بیان شده بود (کلوزیوس، رابرت مایر؟). اما تغییر شکل حرکت تنها در سال 1842 کشف شد و این، و نه قانون ثبات کمی، جدید است. 26 .

این مایر بود که برای اولین بار بر وجود تبدیل های کیفی اشکال مختلف انرژی به یکدیگر تأکید کرد و صرفاً ثبات کمی آن را تأیید نکرد. از نظر جهان بینی عمومی، این مهمترین نکته در قانون تثبیت شده بقای و تبدیل انرژی بود، و دقیقاً همین شرایط بود که توجه بسیاری از دانشمندان آن زمان را که سعی داشتند به سادگی بیان کنند، دور شد. قانون جدید تحت جهان بینی مکانیکی عمومی، آن را مانند هلمهولتز به عنوان بیانی از قانون بقای نیروهای زنده تفسیر می کند.

ایجاد قانون بقا و تبدیل انرژی گامی انقلابی در توسعه علوم فیزیکی و به طور کلی علم بود. این قانون همه پدیده‌های فیزیکی را به هم متصل می‌کند و موانع متافیزیکی بین حوزه‌های فردی فیزیک را از بین می‌برد، که توسط دکترین «بی وزن» تضمین شده بود، که اکنون به پایان رسیده است. ماده "بی وزن" سرانجام از فیزیک حذف شد. انگلس نوشت:

«...نیروهای فیزیکی - این اصطلاحاً «انواع» تغییرناپذیر فیزیک - به اشکال حرکت ماده تبدیل شده اند که به طرق مختلف متمایز می شوند و طبق قوانین خاصی به یکدیگر تبدیل می شوند. تصادفی بودن حضور فلان نیروی فیزیکی از علم حذف شد، زیرا ارتباط متقابل و انتقال آنها به یکدیگر ثابت شد. 27 .

انگلس به استقرار قانون بقای و تبدیل انرژی برای یک دیدگاه دیالکتیکی- ماتریالیستی درست از جهان اهمیت زیادی می داد و آن را همتراز با کشف سلول و نظریه داروین قرار می داد:

او نوشت: "به لطف این سه اکتشاف بزرگ و دیگر موفقیت های عظیم علوم طبیعی." - اکنون به طور کلی می توانیم نه تنها ارتباطی را که بین فرآیندهای طبیعت در مناطق منفرد آن وجود دارد، بلکه ارتباطی را که بین این مناطق فردی وجود دارد نیز کشف کنیم. بنابراین، با کمک حقایق ارائه شده توسط خود علم طبیعی تجربی، می توان به شکل نسبتاً سیستماتیک تصویری کلی از انگیزه ها به عنوان یک کل منسجم ارائه داد. 28 .

1 Mayer R. قانون بقا و تبدیل انرژی. M. - L., GTTI, 1933, p. 62.
2 Mayer R. قانون بقا و تبدیل انرژی، ص. 68-69.
3 همان، ص. 85-86.
4 مایر آر. قانون بقا و تبدیل انرژی، ص. 130.
5 Goule G. مقالات علمی. جلد 1، لندن، 1884، ص. 120.
6 Joule J. The Scientific مقالات جلد. 1، ص. 146.
7 همان، ص. 270-271.
8 Helmholtz G. در مورد حفظ قدرت. M., GTTI, 1922, p. 69-70.
9 He1mho11z N. Wissenschaftiche Abhandlungen. V. I. لایپزیگ، 1882. SS. 26-27.
10 این نتیجه هلمهولتز را نمی توان صحیح دانست. ماکسول توجه خود را به این امر جلب کرد (نگاه کنید به: Maxwell J.K. Selected Works on the theory of the electromagnetic field. M., Gostekhizdat, 1952, pp. 403-405).
11 Helmholtz G. در مورد بقای نیرو. M. - L.، GTTI، 1934، ص 115.
12 همان، ص. 124.
13 تامسون دبلیو. مقالات ریاضی و فیزیکی. جلد 1، کمبریج، 1882. پ. 91.
14 Clausius R. Ann. فیزیک B. 86, 1852, s. 337.
15 Rankin W. مقالات علمی متفرقه. لندن، 1881، ص. 217.
16 همان.
17 Mayer P. قانون بقا و تبدیل انرژی، ص. 279.
18 He1mho11z N. Fortschritte der Physik, V. Gahrgang, 1853, s. 241.
19 کلازیوس تا سال 1862 نظر کمی نسبت به مایر داشت. نامه تیندال که در آن خواسته بود از نوشته های مانر مطلع شود، کلازیوس را وادار کرد تا آثار مایر را به تفصیل مطالعه کند و در نتیجه نظر خود را به شدت تغییر داد. او با ارسال آثاری که مایر نوشته بود، این موضوع را به تیندال اطلاع داد.
20 روزنبرگر اف. تاریخ فیزیک، بخش سوم، شماره. II. M.-JI., ONTI, 1936, p. 55-56.
21 همان، ص. 57.
22 همان، ص. 54.
23 همان.
24 در طول E. Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts, Chemnitz,. 1880.
25 مارکس ک.، انگلس اف. سوخ. اد. 2. T. 20, p. 400.
26 همان، ص. 5
27 مارکس ک.، انگلس اف. سوخ. اد. 2-ه، ت 20، ص. 353.
28 مارکس ک.، انگلس اف. سوخ. اد. 2. ت 21، ص. 304.

معرفی

1. معنای اساسی قانون بقای انرژی

2. تاریخچه کشف قانون بقا و تبدیل انرژی

نتیجه

کتابشناسی - فهرست کتب

معرفی

ارتباط کار ما در در نظر گرفتن ویژگی های قانون بقای انرژی است که نتیجه همگنی زمان است و از این نظر جهانی است ، یعنی در سیستم هایی با ماهیت های فیزیکی بسیار متفاوت ذاتی است.

هدف از این کار بررسی اصول اساسی قانون بقای انرژی است.

دستیابی به هدف مستلزم حل تعدادی از وظایف است:

1) معنای اساسی قانون بقای انرژی را در نظر بگیرید.

2) تاریخچه کشف قانون بقا و تبدیل انرژی را مطالعه کنید.

کاشفان قانون بقا و تبدیل انرژی مسیرهای مختلفی را برای استقرار آن دنبال کردند. مایر، با شروع مشاهدات پزشکی، بلافاصله آن را به عنوان یک قانون عمیق و جامع در نظر گرفت و زنجیره ای از تحولات انرژی را از فضا به یک موجود زنده آشکار کرد. ژول به طور مداوم و مداوم رابطه کمی بین حرارت و کار مکانیکی را اندازه گیری کرد. هلمهولتز قانون را با تحقیقات مکانیک بزرگ قرن هجدهم مرتبط کرد.

1. معنای اساسی قانون بقای انرژی

قانون بقای انرژی "یک قانون اساسی طبیعت است که به صورت تجربی ایجاد شده است و بیان می کند که انرژی یک سیستم فیزیکی منزوی (بسته) در طول زمان حفظ می شود." به عبارت دیگر، انرژی نمی تواند از هیچ به وجود بیاید و نمی تواند در هیچ ناپدید شود، فقط می تواند از شکلی به شکل دیگر حرکت کند.

در اینجا تابع لاگرانژ، مختصات تعمیم یافته و مشتقات اول و دوم آنها با توجه به زمان است. با استفاده از معادلات لاگرانژ، مشتقات را با عبارت جایگزین می کنیم:

اجازه دهید آخرین عبارت را در فرم بازنویسی کنیم

2. تاریخچه کشف قانون بقا و تبدیل انرژی

قانون بقای انرژی تبدیل

به نظر می‌رسید که موفقیت‌های ترموفیزیک تجربی، و بالاتر از همه کالری‌سنجی، به نفع کالری‌سنجی بود. اما همان قرن نوزدهم. شواهد بصری از ارتباط بین گرما و حرکت مکانیکی به ارمغان آورد. البته این واقعیت که گرما از اصطکاک ایجاد می شود از زمان های بسیار قدیم شناخته شده است. طرفداران گرما در این پدیده چیزی شبیه به الکتریکی شدن اجسام توسط اصطکاک دیدند - اصطکاک به فشردن کالری از بدن کمک می کند. با این حال، در سال 1798، بنجامین تامپسون (1753-1814)، که در سال 1790 کنت رامفورد شد، مشاهدات مهمی را در کارگاه های نظامی مونیخ انجام داد: هنگام حفاری یک کانال در لوله توپ، مقدار زیادی گرما آزاد می شود. برای بررسی دقیق این پدیده، رامفورد با حفاری یک کانال در یک سیلندر که از فلز تفنگ ماشینکاری شده بود، آزمایش کرد. یک مته بلانت در کانال حفاری شده قرار داده شد، محکم به دیواره کانال فشار داده شد و در چرخش قرار گرفت. دماسنج وارد شده در سیلندر نشان داد که در عرض 30 دقیقه پس از کار، دما 70 درجه فارنهایت افزایش یافته است. رامفورد آزمایش را با فرو بردن استوانه و مته در ظرف آب تکرار کرد. در حین حفاری، آب گرم شده و پس از 2.5 ساعت به جوش آمد. رامفورد این آزمایش را دلیلی بر این بود که گرما نوعی حرکت است.

به گفته مایر، همه جنبش‌ها و تغییرات در جهان توسط «تفاوت‌ها» ایجاد می‌شوند که نیروهایی را به وجود می‌آورند که به دنبال نابودی این تفاوت‌ها هستند. اما حرکت متوقف نمی شود، زیرا نیروها تخریب ناپذیر هستند و اختلافات را باز می گرداند. بنابراین، این اصل که بر اساس آن نیروهای زمانی که داده می‌شوند، از نظر کمی تغییر ناپذیرند، مانند مواد، منطقاً وجود تفاوت‌ها و در نتیجه جهان مادی را به ما تضمین می‌کند.» این فرمول ارائه شده توسط مایر به راحتی قابل انتقاد است. مفهوم «تفاوت» دقیقاً تعریف نشده است. این پیش‌بینی قانون است و نه خود قانون. اما از ارائه بیشتر مشخص می شود که او به زور علت حرکت را که با ضرب جرم و سرعت اندازه گیری می شود، درک می کند. حرکت، گرما و الکتریسیته پدیده‌هایی هستند که می‌توان آنها را به یک نیرو تقلیل داد که با یکدیگر اندازه‌گیری می‌شوند و طبق قوانین خاصی به یکدیگر تبدیل می‌شوند. این یک فرمول بسیار مشخص و واضح از قانون بقا و تبدیل نیرو است، یعنی. انرژی.

مایر با هدف به کارگیری ایده های مکانیک در فیزیولوژی، با توضیح مفهوم نیرو شروع می کند. و در اینجا دوباره این عقیده را تکرار می کند که حرکت از هیچ برخاسته نمی شود، نیرو علت حرکت است و علت حرکت یک شیء نابود نشدنی است. این صورت‌بندی به طرز شگفت‌انگیزی یادآور فرمول‌بندی «قانون جهانی» لومونوسوف است، که او «به قوانین حرکت» تعمیم داد. توجه داشته باشید که ترویج قانون جهانی حفاظت توسط لومونوسوف و مایر به عنوان "قانون برتر طبیعت" توسط علم مدرن پذیرفته شده است، که قوانین خاص متعددی را برای حفاظت به عنوان ستون اصلی تحقیقات علمی فرموله می کند. مایر معادل مکانیکی گرما را با جزئیات از اختلاف ظرفیت گرمایی گاز محاسبه می کند (این محاسبه اغلب در کتاب های درسی فیزیک مدارس تکرار می شود) و آن را بر اساس اندازه گیری های دلاروش و برارد و همچنین دولونگ که نسبت ظرفیت گرمایی هوا 367 کیلوگرم بر متر بر کیلو کالری است.

مایر تا سال 1848 توسعه ایده های خود را تکمیل کرد، زمانی که در بروشور "دینامیک آسمان در یک ارائه عمومی" مطرح کرد و سعی کرد مهمترین مشکل در مورد منبع انرژی خورشیدی را حل کند. مایر دریافت که انرژی شیمیایی برای جبران انرژی عظیم خورشید کافی نیست. اما از دیگر منابع انرژی در زمان او، فقط انرژی مکانیکی شناخته شده بود. و مایر به این نتیجه رسید که گرمای خورشید با بمباران شهاب سنگ هایی که از هر طرف به طور مداوم از فضای اطراف بر روی آن می افتند، دوباره پر می شود. او اعتراف می کند که این کشف به طور تصادفی انجام شده است (مشاهده ای در جاوا)، اما "هنوز دارایی من است و من از دفاع از حق اولویت خود دریغ نمی کنم." مایر همچنین اشاره می کند که قانون بقای انرژی، "و همچنین بیان عددی آن، معادل مکانیکی گرما، تقریباً به طور همزمان در آلمان و انگلیس منتشر شد." او به تحقیقات ژول اشاره می‌کند و اذعان می‌کند که ژول قانون بقای و تبدیل انرژی را "به طور مستقل کشف کرده است" و "او مدیون دستاوردهای مهم متعددی در اثبات و توسعه بیشتر این قانون است." اما مایر تمایلی به چشم پوشی از حق اولویت خود ندارد و اشاره می کند که از خود آثار او مشخص است که او دنبال اثر نیست. با این حال، این به معنای کنار گذاشتن حقوق مالکیت شما نیست.

لنز روش آزمایشی را به دقت اندیشید و توسعه داد، گالوانومتر مماس را که به عنوان یک جریان سنج برای او عمل می کرد، آزمایش و بررسی کرد، واحد مقاومتی که استفاده می کرد را تعیین کرد (به یاد داشته باشید که قانون اهم تا آن زمان هنوز مورد استفاده عمومی قرار نگرفته بود). و همچنین واحدهای جریان و نیروی الکتروموتور که مورد دوم را بر حسب واحد جریان و مقاومت بیان می کند. لنز رفتار مقاومت ها را به دقت مطالعه کرد، به ویژه، او وجود به اصطلاح "مقاومت گذار" را در طول انتقال از جامد به مایع بررسی کرد. این مفهوم توسط برخی از فیزیکدانان در دوره ای مطرح شد که قانون اهم هنوز به طور کلی پذیرفته نشده بود. سپس به آزمایش اصلی رفت که نتایج آن را در دو شرط زیر فرموله کرد: گرم کردن سیم توسط جریان گالوانیکی متناسب با مقاومت سیم است. گرمایش سیم توسط جریان گالوانیکی متناسب با مجذور جریان مورد استفاده برای گرمایش است. دقت و کامل بودن آزمایشات لنز، شناخت قانونی را تضمین کرد که با نام قانون ژول-لنز وارد علم شد.

ژول با چرخاندن آهنربای الکتریکی یک ماشین القایی با کمک وزنه در حال سقوط، رابطه بین کار وزنه در حال سقوط و گرمای تولید شده در مدار را تعیین کرد. او به عنوان یک نتیجه متوسط از اندازه گیری های خود دریافت که "مقدار گرمایی که می تواند یک پوند آب را یک درجه فارنهایت بالا ببرد، می تواند به نیروی مکانیکی تبدیل شود که قادر است 838 پوند را تا ارتفاع عمودی یک پا بالا ببرد." با تبدیل واحدهای پوند و پا به کیلوگرم و متر و درجه فارنهایت به درجه سانتیگراد، در می یابیم که معادل مکانیکی گرما، محاسبه شده توسط ژول، برابر با 460 کیلوگرم بر متر بر کیلو کالری است. این نتیجه گیری ژول را به نتیجه کلی تر دیگری می رساند که او قول می دهد آن را در آزمایش های بعدی آزمایش کند: «نیروهای قدرتمند طبیعت... تخریب ناپذیر هستند و... در تمام مواردی که نیروی مکانیکی صرف می شود، مقدار دقیقی معادل گرما حاصل می شود.» او استدلال می‌کند که گرمای حیوانی در نتیجه دگرگونی‌های شیمیایی در بدن به وجود می‌آید و خود دگرگونی‌های شیمیایی نتیجه عمل نیروهای شیمیایی ناشی از «سقوط اتم‌ها» است همان نتایجی که مایر قبلاً به آن رسیده بود.

ژول آزمایشات خود را در دهه 60 و 70 ادامه داد. در سال 1870 او به عضویت کمیسیون تعیین معادل مکانیکی گرما درآمد. این کمیسیون شامل وی. تامسون، ماکسول و دانشمندان دیگر بود. اما ژول خود را به کار یک آزمایشگر محدود نکرد. او قاطعانه موضع نظریه جنبشی گرما را گرفت و یکی از بنیانگذاران نظریه جنبشی گازها شد. این اثر ژول بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت. هلمهولتز برخلاف پیشینیان خود، قانون را با اصل عدم امکان یک ماشین حرکت دائمی (perpetuum mobile) مرتبط می کند. این اصل توسط لئوناردو داوینچی، دانشمند قرن هفدهم پذیرفته شد. (به یاد داشته باشید که استوین قانون صفحه مایل را بر عدم امکان حرکت دائمی بنا نهاد) و سرانجام در قرن هجدهم. آکادمی علوم پاریس از در نظر گرفتن پروژه های حرکت دائمی خودداری کرد. هلمهولتز اصل عدم امکان حرکت دائمی را مشابه این اصل می داند که «همه اعمال در طبیعت را می توان به نیروهای جذاب یا دافعه تقلیل داد». هلمهولتز ماده را منفعل و بی حرکت می داند. برای توصیف تغییراتی که در جهان اتفاق می‌افتد، باید دارای نیروهای جذاب و دافعه باشد. هلمهولتز می نویسد: «پدیده های طبیعت باید به حرکات ماده با نیروهای محرکه ثابت تقلیل داده شوند که فقط به روابط فضایی بستگی دارند.» کاشفان قانون بقا و تبدیل انرژی مسیرهای مختلفی را برای استقرار آن دنبال کردند. مایر، با شروع مشاهدات پزشکی، بلافاصله آن را به عنوان یک قانون عمیق و جامع در نظر گرفت و زنجیره ای از تحولات انرژی را از فضا به یک موجود زنده آشکار کرد. ژول به طور مداوم و مداوم رابطه کمی بین حرارت و کار مکانیکی را اندازه گیری کرد. هلمهولتز قانون را با تحقیقات مکانیک بزرگ قرن هجدهم مرتبط کرد. آنها در مسیرهای مختلف، همراه با بسیاری دیگر از معاصران، علیرغم مخالفت دانشمندان صنفی، پیگیرانه برای تصویب و به رسمیت شناختن قانون مبارزه کردند. مبارزه آسان نبود و گاه تراژیک می شد، اما با پیروزی کامل به پایان رسید. علم قانون بزرگ بقا و تبدیل انرژی را در اختیار گرفته است.

نتیجه

کتابشناسی - فهرست کتب

1. 100 اکتشاف علمی بزرگ / تحت D.K. ثمینا. - م.: وچه، 2002. - 480 ص.

2. آنتوشینا، L.G.، Pavlov، S.V.، Skipetrova، L.A. فیزیک عمومی. مجموعه مشکلات / L.G. آنتوشینا، S.V. پاولوف، L.A. اسکی پتروا. - م.: Infra-M، 2008. - 336 ص.

3. بلوخینتسف، دی.ای. مبانی مکانیک کوانتومی / D.I. بلوخینسف. - سن پترزبورگ: لان، 2004. - 672 ص.

4. دوکوف، V.M. تاریخچه فرمول بندی قانون بقای انرژی / V.M. دوکوف // فیزیک. -- م.: اول سپتامبر. -- 2002. -- شماره 31/02. -- ص 32--34.

5. Kubo، R. ترمودینامیک / R. Kubo. - M.: Nauka، 2007. - 307 p.

6. سیوخین، دی.و. درس عمومی فیزیک / D.V. سیوخین. - م.: فیزمتلیت، 2004. - 656 ص.

7. Tipler، P.A.، Llewellyn، R.A. فیزیک مدرن / P.A. تیپلر، آر.آ. لیولین. - م.: میر، 1386. - 496 ص.

اسناد مشابه

تفسیر مفهوم «نیروی زنده» در آثار علمی دکارت، لایب نیتس، نیوتن، یونگ. آشنایی با محتوای قانون بقا و تبدیل انرژی در مکانیک. بررسی تئوری های کالری و جنبشی فرآیندهای تبدیل کار به گرما.

چکیده، اضافه شده در 2010/07/30

جبرگرایی به عنوان آموزه ای از رابطه عینی، طبیعی و وابستگی متقابل پدیده های جهان مادی و معنوی. مشخصات کلی قوانین بقا، تاریخچه کشف قانون بقای ماده. تکامل قانون بقای انرژی.

چکیده، اضافه شده در 2009/11/29

تقارن و معانی آن: متناسب (متعادل) و تعادل. تقارن طبیعت در فیزیک، نظریه های بنیادی آن. قوانین بقا: قانون تغییر و قانون بقای انرژی کل، قانون بقای تکانه، قانون بقای بار.

چکیده، اضافه شده در 2008/01/05

قوانین بنیادی بقا (قانون بقای انرژی، قانون بقای تکانه، قانون بقای تکانه زاویه ای). ارتباط قوانین حفاظت با تقارن مکان و زمان. تقارن به عنوان مبنایی برای توصیف اشیاء و فرآیندها در دنیای خرد.

چکیده، اضافه شده در 1393/11/17

سلسله مراتب قوانین علمی طبیعی. قوانین حفاظت رابطه بین قوانین حفاظت و تقارن سیستم. قوانین فیزیکی اساسی که بر اساس آن، در شرایط خاص، کمیت های فیزیکی معینی در طول زمان تغییر نمی کنند.

چکیده، اضافه شده در 1384/10/17

قوانین بقای جرم و انرژی در فرآیندهای ماکروسکوپی خود سازماندهی سیستم های شیمیایی و انرژی فرآیندهای شیمیایی. ویژگی های سطح بیولوژیکی سازماندهی ماده. آلودگی محیطی: جو، آب، خاک، غذا.

تست، اضافه شده در 11/11/2010

قانون بقای جرم به عنوان یکی از قوانین اساسی علوم طبیعی. رابطه بین انرژی استراحت و جرم بدن اینشتین، نظریه نسبیت. تبدیل متقابل جرم و انرژی در انرژی هسته ای. جوهر فیزیکی آتش، ماهیت جرم.

چکیده، اضافه شده در 2010/04/23

قوانین دینامیک در عالم کلان و قوانین ایستا در عالم صغیر. قانون بقای انرژی و عدم امکان ایجاد یک ماشین حرکت دائمی از نوع اول. قانون دوم ترمودینامیک و عدم امکان ایجاد یک ماشین حرکت دائمی از نوع دوم. انرژی فرآیندهای شیمیایی

تست، اضافه شده در 2010/06/20

مفهوم تقارن به عنوان تغییرناپذیری (تغییر ناپذیری) خصوصیات و ویژگی های یک شی در رابطه با هرگونه تبدیل (عملیات) روی آن است. اهمیت قوانین بقا (تکانه، انرژی، بار) برای علم. ایزوتروپی فضا-زمان.

کار دوره، اضافه شده در 11/04/2011

مسیرهای توسعه علوم طبیعی در قرون 18-19. ویژگی های نظریه کیهان شناسی کانت-لاپلاس. قانون بقا و تبدیل انرژی. ساختار سلولی گیاهان و جانوران. نظریه تکاملی داروین. جدول تناوبی عناصر مندلیف.

قانون بقا و تبدیل انرژی یکی از مهم ترین فرض های فیزیک است. بیایید تاریخچه ظاهر آن و همچنین زمینه های اصلی کاربرد را در نظر بگیریم.

صفحات تاریخ

ابتدا بیایید بفهمیم چه کسی قانون بقا و تبدیل انرژی را کشف کرده است. در سال 1841، فیزیکدان انگلیسی ژول و دانشمند روسی لنز آزمایشاتی را به صورت موازی انجام دادند که در نتیجه دانشمندان توانستند در عمل رابطه بین کار مکانیکی و گرما را روشن کنند.

مطالعات متعددی که توسط فیزیکدانان در نقاط مختلف سیاره ما انجام شد، کشف قانون بقا و تبدیل انرژی را از پیش تعیین کرد. در اواسط قرن نوزدهم، دانشمند آلمانی مایر فرمول آن را ارائه کرد. این دانشمند سعی کرد تمام اطلاعات مربوط به الکتریسیته، حرکت مکانیکی، مغناطیس و فیزیولوژی انسان را که در آن زمان وجود داشت، خلاصه کند.

در همان دوره، افکار مشابهی توسط دانشمندان دانمارک، انگلستان و آلمان بیان شد.

آزمایش با گرما

علیرغم تنوع ایده ها در مورد گرما، درک کامل آن تنها توسط دانشمند روسی میخائیل واسیلیویچ لومونوسوف ارائه شد. معاصران او از ایده های او حمایت نمی کردند، آنها معتقد بودند که گرما با حرکت کوچکترین ذرات تشکیل دهنده ماده ارتباطی ندارد.

قانون بقا و تبدیل انرژی مکانیکی که توسط لومونوسوف پیشنهاد شده بود، تنها پس از آن پشتیبانی شد که رامفورد در جریان آزمایشات توانست وجود حرکت ذرات را در ماده اثبات کند.

برای بدست آوردن گرما، فیزیکدان دیوی سعی کرد یخ را با مالیدن دو تکه یخ به یکدیگر ذوب کند. او فرضیه ای را مطرح کرد که بر اساس آن گرما به عنوان حرکت نوسانی ذرات ماده در نظر گرفته می شود.

به گفته مایر، قانون بقا و تبدیل انرژی تغییر ناپذیری نیروهایی را که باعث ظهور گرما می شوند، فرض می کند. این ایده توسط دانشمندان دیگر مورد انتقاد قرار گرفت و یادآور شدند که نیرو با سرعت و جرم مرتبط است، بنابراین، مقدار آن نمی تواند یک مقدار ثابت باقی بماند.

در پایان قرن نوزدهم، مایر ایده های خود را در یک جزوه خلاصه کرد و سعی کرد مشکل مبرم گرما را حل کند. در آن زمان از قانون بقا و تبدیل انرژی چگونه استفاده می شد؟ در مکانیک در مورد روشهای بدست آوردن و تبدیل انرژی اتفاق نظر وجود نداشت، بنابراین تا پایان قرن نوزدهم این سؤال باز بود.

ویژگی قانون

قانون بقا و تبدیل انرژی یکی از قوانین اساسی است که تحت شرایط خاصی امکان اندازه گیری مقادیر فیزیکی را فراهم می کند. به آن قانون اول ترمودینامیک می گویند که هدف اصلی آن حفظ این کمیت در شرایط یک سیستم ایزوله است.

قانون بقا و تبدیل انرژی بین مقدار انرژی حرارتی وارد شده به منطقه برهمکنش مواد مختلف با مقداری که از این ناحیه خارج می شود، ارتباط برقرار می کند.

انتقال یک نوع انرژی به نوع دیگر به معنای ناپدید شدن آن نیست. خیر، فقط تبدیل آن به شکل دیگری مشاهده می شود.

در این مورد، یک رابطه وجود دارد: کار - انرژی. قانون بقای و تبدیل انرژی، ثبات این کمیت (مقدار کل آن) را در طول هر فرآیندی که در این محیط رخ می دهد، نشان می دهد که در فرآیند انتقال یک نوع به نوع دیگر، هم ارزی کمی مشاهده می شود. به منظور ارائه توصیف کمی از انواع مختلف حرکت، انرژی هسته ای، شیمیایی، الکترومغناطیسی و حرارتی در فیزیک معرفی شد.

جمله بندی مدرن

امروزه قانون بقا و تبدیل انرژی چگونه خوانده می شود؟ فیزیک کلاسیک یک نمایش ریاضی از این اصل را در قالب یک معادله تعمیم یافته وضعیت یک سیستم بسته ترمودینامیکی ارائه می دهد:

این معادله نشان می دهد که کل انرژی مکانیکی یک سیستم بسته به صورت مجموع انرژی های جنبشی، پتانسیل و درونی تعیین می شود.

قانون بقا و تبدیل انرژی، که فرمول آن در بالا ارائه شد، تغییر ناپذیری این کمیت فیزیکی را در یک سیستم بسته توضیح می دهد.

نقطه ضعف اصلی نماد ریاضی مربوط بودن آن فقط برای یک سیستم ترمودینامیکی بسته است.

سیستم های باز

اگر اصل افزایش ها را در نظر بگیریم، می توان قانون بقای انرژی را به سیستم های فیزیکی باز گسترش داد. این اصل توصیه می کند معادلات ریاضی مربوط به توصیف وضعیت سیستم را نه به صورت مطلق، بلکه در افزایش عددی آنها بنویسید.

به منظور در نظر گرفتن کامل تمام اشکال انرژی، پیشنهاد شد که به معادله کلاسیک یک سیستم ایده آل، مجموع افزایش های انرژی که ناشی از تغییرات در وضعیت سیستم مورد تجزیه و تحلیل تحت تأثیر اشکال مختلف است، اضافه شود. رشته.

در نسخه تعمیم یافته به این صورت است:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj

این معادله است که کاملترین معادله در فیزیک مدرن در نظر گرفته می شود. این بود که اساس قانون بقا و تبدیل انرژی شد.

معنی

در علم هیچ استثنایی از این قانون وجود ندارد. بر اساس این فرض است که می توان فرضیه هایی را در مورد موتورهای مختلف، از جمله رد واقعیت توسعه یک مکانیسم دائمی، مطرح کرد. می توان از آن در همه مواردی که لازم است انتقال یک نوع انرژی به نوع دیگر را توضیح داد استفاده کرد.

کاربرد در مکانیک

در حال حاضر قانون بقا و تبدیل انرژی چگونه خوانده می شود؟ ماهیت آن در انتقال یک نوع از این کمیت به دیگری نهفته است، اما در عین حال ارزش کلی آن بدون تغییر باقی می ماند. سیستم هایی که در آنها فرآیندهای مکانیکی انجام می شود محافظه کار نامیده می شوند. چنین سیستم هایی ایده آل هستند، یعنی نیروهای اصطکاک و سایر انواع مقاومت که باعث اتلاف انرژی مکانیکی می شوند را در نظر نمی گیرند.

در یک سیستم محافظه کار، تنها انتقال متقابل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی اتفاق می افتد.

کار نیروهایی که در چنین سیستمی بر جسمی وارد می شوند به شکل مسیر ارتباطی ندارد. مقدار آن به موقعیت نهایی و اولیه بدن بستگی دارد. به عنوان نمونه ای از نیروهایی از این دست در فیزیک، گرانش در نظر گرفته می شود. در یک سیستم محافظه کار مقدار کار توسط یک نیرو در یک مقطع بسته صفر است و قانون پایستگی انرژی به شکل زیر معتبر خواهد بود: «در یک سیستم بسته محافظه کار مجموع پتانسیل و انرژی جنبشی از بدنه هایی که سیستم را تشکیل می دهند بدون تغییر باقی می ماند.»

به عنوان مثال، در مورد سقوط آزاد یک جسم، انرژی پتانسیل به شکل جنبشی تبدیل می شود، در حالی که مقدار کل این انواع تغییر نمی کند.

سرانجام

کار مکانیکی را می توان تنها راه انتقال متقابل حرکت مکانیکی به اشکال دیگر ماده دانست.

این قانون در فناوری کاربرد پیدا کرده است. پس از خاموش شدن موتور خودرو، به تدریج انرژی جنبشی از دست می رود و به دنبال آن خودرو متوقف می شود. مطالعات نشان داده است که در این حالت مقدار مشخصی گرما آزاد می شود، بنابراین اجسام مالشی گرم می شوند و انرژی درونی آنها افزایش می یابد. در صورت اصطکاک یا هرگونه مقاومت در برابر حرکت، انتقال انرژی مکانیکی به مقدار داخلی مشاهده می شود که نشان دهنده درستی قانون است.

فرمول مدرن آن به این صورت است: "انرژی یک سیستم منزوی به هیچ جا ناپدید نمی شود، از هیچ جا ظاهر نمی شود. در هر پدیده ای که در یک سیستم وجود دارد، انتقال از یک نوع انرژی به نوع دیگر، انتقال از یک جسم به جسم دیگر، بدون تغییر کمی وجود دارد.

پس از کشف این قانون، فیزیکدانان ایده ایجاد یک ماشین حرکت دائمی را که در آن، در یک چرخه بسته، تغییری در مقدار گرمای منتقل شده توسط سیستم به دنیای اطراف ایجاد نمی کند، کنار نمی گذارند. ، در مقایسه با گرمای دریافتی از خارج. چنین ماشینی می تواند به منبعی تمام نشدنی گرما تبدیل شود، راهی برای حل مشکل انرژی بشریت.