L; energia și conservarea acesteia
Energia și conservarea acesteia
Orice domeniu al științelor fizice introduce concept deenergie. Deși acest concept este recent (aproximativ două secole), a depășit în mare măsură domeniul de competență al științelor fizice și nu este o exagerare să spunem că condiționează „ordonarea vieții noastre pe planeta Pământ”: cu atât mai puțină „perturbare este „în aprovizionarea cu energie este o sursă de conflict și intervenție rapidă.
1. Conceptul de conservare a energiei
Cuvântul energie provine din grecescul energhia care înseamnă „forță în acțiune”, adică capacitatea de a produce o mișcare.
Deci un corp care are energie cinetică (denumită anterior "forță vie") poate continua, de la sine, mișcarea sa cel puțin pe o anumită distanță chiar și într-un mediu rezistent (opus mișcării).
Energie potenţial (numită anterior "forță moartă") are capacitatea de a produce mișcare, deoarece, spontan, de exemplu, cade un corp greu necontrolat, o particulă încărcată q nelimitat potențialului electric V () pune în mișcare spre regiuni cu mai puțină energie electrică.
În mecanică, vedem:
- că forțele și energia cinetică apar împreună în teorema energiei cinetice,
- că energia potențială este legată de noțiunea de forțe conservatoare, adică forțe care conservă energia mecanică.
Foarte repede, conceptul de energie mecanică s-a dovedit insuficient.
Un operator exercită o acțiune (forță) asupra unui sistem care capătă energie mecanică. Într-o serie de cazuri se dovedește că munca operatorului este egală cu energia mecanică dobândită de sistem.
Acest lucru este satisfăcător pentru mintea umană atașată noțiunii de conservare: energia dobândită de sistem a fost pierdută de operatorul care a putut să o transmită (să o schimbe) prin muncă.
Cum să interpretăm dacă munca operatorului nu este egală cu energia mecanică dobândită de sistem? Acest lucru se întâmplă atunci când există „frecare, rezistență” și energia mecanică dobândită este întotdeauna mai mică decât munca operatorului.Scade energia Universului? Există posibilitatea unei creații spontane de energie care ar compensa parțial, total, pierderea de energie sau chiar o va depăși, ceea ce ar determina creșterea energiei Universului ?
Răspunsul la aceste întrebări este Principiul conservării energiei.
2. Primul principiu al termodinamicii
2.1. Schimbarea stării unui sistem
prin schimb de energie sub forma muncii forțelor operatorului extern
| Un gaz este închis într-un recipient (cilindru) din care unul (piston) din pereții solizi este mobil. Un operator extern prin exercitarea unei forțe asupra pistonului provoacă deplasarea acestuia din urmă și, de exemplu, o scădere a volumului ocupat de gaz. Va exista o creștere a presiunii gazului și, în general, o modificare a temperaturii gazului. |
Starea sistemului de gaze s-a schimbat.
Operatorul a făcut o muncă care, din ceea ce am învățat de la Mecanică, este un schimb de energie între sistemul de gaz și operatorul extern. Acest schimb de energie are ca rezultat o modificare a variabilelor de stare.
prin transferuri de căldură (spunem și schimb de căldură sau schimb de energie termică)
Când punem „contact” corpuri de temperaturi diferite, producem o schimbare a stării acestor corpuri (schimbarea temperaturilor și/sau a fazelor).
Apa dintr-o cratiță în contact cu flacăra unui gaz în flăcări își vede temperatura crescând și apoi începe să fiarbă, adică se transformă în vapori (gaz).
Nu putem atribui aceste schimbări în starea sistemului schimburilor de energie sub formă de muncă.
În acest caz vorbim despre transferuri termice (sau termice).
Cu toate acestea, nu ar trebui să credem că aceste două moduri de a acționa asupra unui sistem pot fi total echivalente: prin transferuri de căldură, nu putem afecta niciodată în mod direct mișcarea unui sistem.
2.2. Principiul echivalenței
Suntem destul de capabili să ridicăm temperatura apei într-o oală punând în mișcare palete solide (agitator). Producem efecte destul de comparabile cu cele produse de transferurile de căldură, dar de data aceasta prin schimbul de energie sub formă de muncă.
Transferul de căldură (căldura) este un alt mod de aschimb de energie între diferite sisteme ?
Întrebarea a fost dezbătută mult timp în secolul al XIX-lea. Răspunsul face parte din Principiul echivalenței și anume că munca forțelor și căldura sunt singurele două modalități posibile de schimb de energie între sisteme închis.
Lucrarea lui J. Joule în secolul trecut a fost decisivă.
Într-un calorimetru (un recipient care conține apă ai cărui pereți pot fi perfect izolați din punct de vedere termic), Joule, la început, a ridicat temperatura schimbând energie sub formă de lucru (W a fost furnizat calorimetrului și numărat pozitiv), apoi ar readuce calorimetrul la starea inițială prin răcire prin schimb de căldură cu exteriorul (căldura Î a fost pierdut de calorimetru și numărat negativ).
Măsurătorile lui Joule, pe acest caz experimental, au arătat că
Acest rezultat presupune că munca și căldura sunt numărate în aceeași unitate.
De fapt, înainte de Joule, cantitățile de căldură erau numărate în calorii, caloria fiind cantitatea de căldură necesară pentru a crește 1g apă de la 14,5 la 15,5 ° C sub presiune atmosferică normală.