مقاله در مورد قانون پایستگی انرژی
اشکال انرژی
در زندگی روزمره ما، اشکال مختلفی از انرژی وجود دارد. در مبحث کار و انرژی، با دو شکل از انرژی مکانیکی آشنا شدیم: انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی . انرژی پتانسیل شامل چندین نوع است، از جمله انرژی گرانشی، انرژی کشسانی و انرژی الکتریکی . انرژی جنبشی شامل دو نوع است: انرژی جنبشی انتقالی و انرژی جنبشی چرخشی.
یک انبه خوشمزه و رسیده وقتی از ساقه‌اش آویزان است، انرژی پتانسیل گرانشی دارد. همین اتفاق وقتی در ارتفاع مشخصی از زمین هستید، مثلاً روی پشت بام، می‌افتد. یک جسم به دلیل موقعیتش نسبت به زمین، دارای انرژی پتانسیل گرانشی است.
کش لاستیکی کشیده شده‌ی یک تیرکمان دارای انرژی پتانسیل کشسانی است. تیرکمان می‌تواند به دلیل انرژی پتانسیل کشسانی موجود در کش لاستیکی کشیده شده، سنگی را پرتاب کند. به طور مشابه، کمانی که توسط یک کماندار کشیده می‌شود می‌تواند به دلیل انرژی پتانسیل کشسانی موجود در کمان کشیده شده، تیری را به حرکت درآورد.
علاوه بر انرژی پتانسیل و جنبشی که ماده در اندازه بزرگ دارد و اغلب در زندگی روزمره می‌بینیم، اشکال دیگری از انرژی نیز وجود دارد. انرژی الکتریکی، انرژی هسته‌ای، انرژی شیمیایی و غیره وجود دارد. پس از ظهور نظریه جنبشی، گفته شد که انرژی در اشکال دیگر (انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی و غیره) انرژی جنبشی یا انرژی پتانسیل در سطح اتمی یا مولکولی است. انرژی شیمیایی ذخیره شده در غذا و سوخت، به دلیل نیروهای الکتریکی بین اتم‌های تشکیل دهنده مولکول‌ها (که به عنوان پیوندهای شیمیایی نیز شناخته می‌شوند)، انرژی پتانسیل ذخیره شده در مولکول‌ها در نظر گرفته می‌شود. انرژی الکتریکی، انرژی مغناطیسی و انرژی هسته‌ای را می‌توان به عنوان انرژی جنبشی یا انرژی پتانسیل در مقیاس اتمی نیز در نظر گرفت.
تغییرات در شکل انرژی
توجه به این نکته مهم است که انرژی می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تغییر کند. در سطح ماکروسکوپی، می‌توانیم نمونه‌های بی‌شماری از تبدیل انرژی را پیدا کنیم. یک انبه که از ساقه‌اش آویزان است، دارای انرژی پتانسیل گرانشی است. با افتادن انبه به زمین، انرژی پتانسیل آن در طول مسیرش به سمت زمین کاهش می‌یابد. با شروع افتادن، انرژی پتانسیل کاهش می‌یابد زیرا فاصله عمودی انبه از زمین کاهش می‌یابد. این انرژی به انرژی جنبشی انتقالی تبدیل می‌شود زیرا سرعت انبه به دلیل شتاب گرانشی ثابت افزایش می‌یابد. انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره شده در یک تیرکمان کشیده شده می‌تواند هنگام رها شدن کشش تیرکمان به انرژی جنبشی انتقالی یک سنگ تبدیل شود... یک کمان خمیده نیز دارای انرژی پتانسیل کشسانی است.
انرژی پتانسیل کشسانی در یک کمان خمیده می‌تواند به انرژی جنبشی انتقالی تیر تبدیل شود. در سطح میکروسکوپی، می‌توانیم نمونه‌هایی از تبدیل انرژی را نیز پیدا کنیم. وقتی یک چراغ نئون را روشن می‌کنید، انرژی الکتریکی همزمان به انرژی نوری تبدیل می‌شود. مثال دیگر تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی چرخشی (یک پنکه) و غیره است. این فرآیند تبدیل انرژی الکتریکی در واقع ناشی از تغییر بین انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی در سطح اتمی یا مولکولی است.
تغییرات در شکل انرژی معمولاً شامل انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر است.
تبدیل انرژی معمولاً شامل انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر است. یک کمان خمیده انرژی پتانسیل الاستیک دارد. وقتی کمان کشیده می‌شود، انرژی پتانسیل الاستیک کمان به انرژی جنبشی انتقالی تیر تبدیل می‌شود. همزمان، انرژی از کمان به تیر منتقل می‌شود. وقتی یک موتورسیکلت متوقف شده را هل می‌دهید، انرژی پتانسیل شیمیایی بدن شما به انرژی جنبشی انتقالی موتورسیکلت تبدیل می‌شود. همزمان، انرژی از شما به موتورسیکلت منتقل می‌شود. آب در بالای سد دارای انرژی پتانسیل گرانشی است. وقتی آب می‌افتد، انرژی پتانسیل گرانشی آن به انرژی جنبشی انتقالی آن تبدیل می‌شود. سپس آب در حال سقوط یک توربین را به حرکت در می‌آورد. وقتی آب توربین را به حرکت در می‌آورد، انرژی جنبشی انتقالی آن به انرژی جنبشی چرخشی آن تبدیل می‌شود. همزمان، انرژی از آب به توربین منتقل می‌شود.
همیشه وقتی انرژی منتقل می‌شود، کار انجام می‌شود.
در هر یک از مثال‌هایی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت ، انتقال انرژی همیشه با تلاش همراه است. وقتی انرژی از کمان به تیر منتقل می‌شود، کمان روی تیر کار انجام می‌دهد. وقتی انرژی از شما به موتورسیکلت منتقل می‌شود، شما روی موتورسیکلت کار انجام می‌دهید. وقتی انرژی از آب به توربین منتقل می‌شود، آب روی توربین کار انجام می‌دهد. اگر کاری انجام نمی‌شد، حرکت تیر هنگام رها شدن کمان غیرممکن بود، و همچنین یک موتورسیکلت خراب هنگام هل دادن حرکت نمی‌کرد. همین امر در مورد توربین نیز صادق است. اما در واقعیت، پیکان، موتورسیکلت خراب و توربین حرکت می‌کنند . می‌توان نتیجه گرفت که تلاش (W) همیشه زمانی انجام می‌شود که انرژی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود.
اگرچه دانشمندان می‌دانند که انرژی همیشه از یک جسم به جسم دیگر تغییر شکل می‌دهد ، اما نتوانسته‌اند نتیجه بگیرند که انرژی پایسته است . دانشمندان از وجود گرما گیج شده‌اند. گرما همیشه به دلیل اصطکاک ظاهر می‌شود. به عنوان مثال، شما یک بلوک را که روی زمین است هل می‌دهید. وقتی بلوک را هل می‌دهید، انرژی پتانسیل شیمیایی در بدن شما به انرژی جنبشی انتقالی بلوک تبدیل می‌شود. همزمان، انرژی از شما به بلوک منتقل می‌شود. وقتی انرژی از شما به بلوک منتقل می‌شود، شما روی بلوک کار انجام می‌دهید (W = Fs). البته، بلوک حرکت می‌کند.
بعد از حرکت، بلوک معمولاً متوقف می‌شود. بلوک به دلیل اصطکاک متوقف می‌شود. هر جا اصطکاک وجود داشته باشد، گرما هم وجود دارد. سعی کنید کف دست‌هایتان را به هم بمالید. کف دست‌هایتان گرم می‌شود، درست است ؟ همین اتفاق برای بلوک می‌افتد. سطح کف و پایه بلوک به دلیل اصطکاک گرم می‌شوند . اصطکاک همچنین نیروی اتلاف نامیده می‌شود زیرا کل انرژی مکانیکی (انرژی مکانیکی = انرژی پتانسیل + انرژی جنبشی) را کاهش یا حذف می‌کند. در این حالت، نیروی اصطکاک، انرژی جنبشی انتقالی بلوک را حذف می‌کند. انرژی جنبشی انتقالی بلوک از انرژی پتانسیل شیمیایی ناشی می‌شود.
کالور
Sقبل از قرن نوزدهم، هیچ دانشمندی نمی‌دانست اون چیه؟ گرما یا گرما. نظریه‌ای مطرح شد مبنی بر اینکه گرما نوع خاصی از ماده است (این ماده کالریک نامیده می‌شود). اما وجود مواد تحت عنوان کالری قابل اثبات نیست وجود آن. از آنجایی که اواخر دهه ۱۸۳۰، جیمز ژول (۱۸۱۸-۱۸۸۹)) آزمایشی انجام داد و دریافت که انرژی جنبشی از دست رفته همیشه برابر است با اینکه اگرr ناشی از.
نه گرما و نه انرژی جنبشیk به طور جداگانه ابدی هستند. آنچه همیشه ابدی است، کل مقدار انرژی جنبشی و گرما است. ژول بر اساس نتایج آزمایش‌های خود، مقایسه‌ای با انتقال حرارت انجام داد. از اجسام با دمای بالا (اجسام داغ) ke اشیاء با دمای پایین (اشیاء سرد). Jاوله نتیجه گرفت که اگرr استn انرژی کهg حرکت به دلیل اختلاف دما. این تعریف گرما از دیدگاه ماکروسکوپی است. از دیدگاه میکروسکوپی، گرما را می‌توان توضیح داد با استفاده از نظریه جنبشی
در مبحث نظریه جنبشی گازها، آموختیم که دمای یک جسم، معیاری از انرژی جنبشی مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن جسم است. هرچه دمای یک جسم بالاتر باشد، انرژی جنبشی مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن جسم بیشتر است. انرژی جنبشی با سرعت حرکت مرتبط است. هرچه انرژی جنبشی (EK بالاتر) مولکول‌ها بیشتر باشد، سرعت حرکت (v بالاتر) مولکول‌ها نیز بیشتر است. اگر یک جسم با دمای بالا (جسم داغ) را با یک جسم با دمای پایین (جسم سرد) تماس دهیم، گرما به طور خودکار از جسم با دمای بالا به جسم با دمای پایین جریان می‌یابد . هنگامی که دمای یک جسم افزایش می‌یابد، انرژی جنبشی مولکول‌های تشکیل‌دهنده آن جسم نیز افزایش می‌یابد (سرعت حرکت مولکولی افزایش می‌یابد). می‌توان نتیجه گرفت که گرما، انرژی جنبشی مولکول‌های با سرعت بالا است.
دانشمندان پس از دانستن اینکه گرما انرژی‌ای است که به دلیل اختلاف دما حرکت می‌کند (تعریف ماکروسکوپی) یا اینکه گرما انرژی جنبشی مولکول‌های سریع است (تعریف میکروسکوپی)، سرانجام قانون پایستگی انرژی را تدوین کردند :
انرژی می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تغییر کند، از جسمی به جسم دیگر منتقل شود، اما کل انرژی هرگز کاهش یا افزایش نمی‌یابد.
تغییرات در شکل انرژی شامل انتقال انرژی از یک جسم به جسم دیگر است. هر انتقال انرژی همیشه با تلاش یا کار همراه است. بر اساس نتایج آزمایش‌ها و تجزیه و تحلیل دانشمندان، مشخص شده است که گرما در واقع انرژی است که به دلیل اختلاف دما منتقل می‌شود (درک ماکروسکوپی) یا گرما انرژی جنبشی مولکول‌های سریع است (درک میکروسکوپی). می‌توانیم بگوییم که کار (W) و گرما (Q) در انتقال انرژی دخیل هستند. قانون اول ترمودینامیک قانونی است که انتقال انرژی شامل گرما و کار را توضیح می‌دهد. گرما و کار شکلی از انرژی نیستند ، بلکه فقط در انتقال انرژی بین اشیاء، بین اشیاء و موجودات زنده یا بین موجودات زنده دخیل هستند.
در قانون اول ترمودینامیک، با یک کمیت جدید نیز آشنا می‌شویم: انرژی درونی (U). انرژی درونی، کل انرژی جنبشی مولکول‌ها و انرژی پتانسیل ناشی از برهمکنش‌های بین اتم‌های تشکیل‌دهنده یک مولکول یا برهمکنش‌های بین مولکول‌های تشکیل‌دهنده یک جسم یا موجود زنده است. هر جسم از اتم‌ها یا مولکول‌ها تشکیل شده است. بنابراین، هر جسم در جهان باید انرژی درونی داشته باشد. هر فرآیند انتقال انرژی شامل گرما و کار منجر به تغییر در انرژی درونی خواهد شد.
