قوانین حرکت و انرژی چیه؟

این کشف چه می‌گوید؟

انرژی نه به وجود می‌آید و نه از میان می‌رود، فقط از یک شکل به شکل دیگر تغییر پیدا می‌کند، اما کل انرژی در یک سامانهٔ بسته همیشه ثابت است.

چه کسی آن را کشف کرد؟

هرمان فن هلمهولتز Hermann Von Holmholtz

انرژی هیچ‌گاه از بین نمی‌رود، فقط تغییر شکل می‌دهد، اما کل انرژی هیچ‌گاه تغییر پیدا نمی‌کند. این اصل به دانشمندان و مهندسان اجازه داد که سامانه نیرویی را طراحی کنند که به شما اجازه روشن کردن خانه‌اتان را می‌دهد و سوخت خودروی شما را تامین می‌کند؛ به آن بقای انرژی می‌گویند و یکی از مهم‌ترین کشفیات علم است. این کشف یکی از مفاهیم بنیادین در طبیعت است و نخستین قانون ترمودینامیک را تشکیل می‌دهد کلیدی است برای صرفه‌جویی در انرژی و تغییر انواع انرژی به یکدیگر. هنگامی که هرمان فن هلمهولتز تمام مطالعات و تحقیقات را روی هم گذاشت تا این اصل را کشف کند، علوم و مهندسی را برای همیشه دچار تحول کرد.

هرمان فن هلمهولتز به سال ۱۸۲۱، در پتسدام آلمان متولد شد. پدرش تاجر طلا بود. او در سن ۱۶ سالگی با استفاده از بورس دولتی به تحصیل پزشکی پرداخت و متعهد شد در عوض، ۱۰ سال در ارتش پروس خدمت کند. او عملاً در موسسه پزشکی برلین به تحصیل پرداخت اما گاه و بی‌گاه به دانشگاه برلین می‌رفت تا در کلاس‌های شیمی و فیزیولوژی حاضر شود.

در همان حال که او به خدمت در ارتش مشغول بود، به تحقیق هم می‌پرداخت. او ثابت کرد که کار ماهیچه‌ها ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی و فیزیکی است نه از «نیروهای ناشناخته حیاتی». بسیاری از محققان از اصطلاح «نیروهای حیاتی» برای توضیح پدیده‌های ناشناخته که قادر به توضیح آن نبودند استفاده می‌کردند. این «نیروهای حیاتی» گویی از هیچ، انرژی می‌آفریدند.

هلمهولتز می‌خواست ثابت کند که تمام حرکات ماهیچه‌ها، از طریق واکنش‌های فیزیکی (مکانیکی) و واکنش‌های شیمیایی درون ماهیچه‌ها صورت می‌گیرد. او به نظریه «نیروهای حیاتی» اعتقادی نداشت.

در طی تحقیقاتش او به نظریه بقای انرژی رسید (هیچ کاری انجام نمی‌شود. بدون آن‌که نیروی آن از جایی تأمین شود و از بین نمی‌رود بدون آن‌که نیروی به جایی برود).

او برای محاسبات دقیق تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی کاینتیک Kinetic (حرکت و کار) و تبدیل تغییرات فیزیکی ماهیچه به کار بر مطالعه ریاضیات پرداخت.

هلمهولتز توانست ثابت کند که کار از خلاء به وجود نمی‌آید و این کشف او را به اصل بقای انرژی رساند. انرژی هیچ‌گاه از بین نمی‌رود. به گرما، صوت و نور تبدیل می‌شود و می‌توان مقدار این تبدیل را محاسبه کرد.

در ۱۸۴۷ او متوجه شد که نظریه عمومی بقای انرژی را اثبات کرده است، مقدار انرژی در طبیعت (یا هر سامانهٔ بسته) همیشه ثابت باقی می‌ماند. انرژی می‌تواند به اشکال مختلف (الکتریسیته، مغناطیس، انرژی شیمیایی، انرژی جنبشی، نور، گرما، صوتی، انرژی پتانسیل و شتاب) در آید اما نه از بین می‌رود و نه آفریده می‌شود.

بزرگ‌ترین چالشی که نظریه هلمهولتز با آن روبه‌رو شد از طرف ستاره‌شناس‌هایی عنوان گردید که خورشید را مطالعه می‌کردند. اگر خورشید نور و گرما تولید نمی‌کرد، پس این مقدار عظیم انرژی که از آن ساطع می‌شد از کجا می‌آمد؟ از سوزاندن ماده درونی همانند آتش که انرژی آن تولید نمی‌شد. دانشمندان به تازگی کشف کرده بودند که خورشید ظرف ۲۰ میلیون سال – با تولید نور و گرما – می‌تواند تمام ماده درونش را مصرف کند و بسوزد.

پنج سال طول کشید تا هلمهولتز متوجه شد پاسخ این سوال گرانش است. خورشید به آرامی فرو می‌ریزد و نیروی گرانش به نور و گرما تبدیل می‌شود. پاسخ او به مدت ۸۰ سال پذیرفته شد تا سرانجام انرژی هسته‌ای کشف گردید.

قانون بقای انرژی به علاوه نظریه انفجار بزرگ یا مِه‌بانگ BigBang به ما می‌گوید که تمام انرژی که تا به حال وجود داشته یا در کائنات وجود دارد در لحظه انفجار بزرگ حضور داشته. تمام آتش و گرمایی که در ستارگان، در آتشفشان‌ها، در حرکت ستارگان، ستاره‌های دنباله‌دار و سیاره‌ها وجود دارد، در لحظه انفجار بزرگ آزاد شده است.

.

تعریف قانون پایستگی انرژی :

در جهان هستی همواره واکنش های مختلفی در حال انجام است. یا مواد با یکدیگر ترکیب شده و مواد جدیدی ساخته می شود  یا ترکیبات مختلف به مواد دیگر تجزیه می شود. در این حین ممکن است ویژگی های فیزیکی زیادی مثل حجم، چگالی، مقاومت گرمایی و الکتریکی تغییر کند. اما جرم و انرژی در سیستم منزوی ثابت و پایسته خواهد بود.

کمیت های بسیاری در فیزیک ثابت و پایسته (یعنی با گذشت زمان تغییر نمی کنند) هستند. کمیت های انرژی، تکانه و تکانه زاویه ای از این قبیل هستند که از پایستگی آن ها می توان برای پیش بینی فرآیندهای فیزیکی استفاده کرد. انرژی ممکن است به صورت های دیگری چون پتانسیل، گرمایی، الکتریکی و گرانشی تبدیل شود اما مقدار آن ثابت است. بر اساس این قانون جرم می تواند به انرژی و بالعکس انرژی به جرم البته با سرعت بسیار (در حد سرعت نور) بالا تبدیل شود.

قانون پایستگی انرژی

توجه :

اصل بقای انرژی فقط در سیستم های ایزوله (منزوی) نسبت به محیط تعریف می شود. اگر توپی روی سطحی که اصطکاک دارد حرکت کند چون سطح روی توپ کار انجام می دهد و از آن انرژی می گیرد از قانون پایستگی انرژی اطاعت نمی کند. قانون پایستگی انرژی در کتاب های درسی علوم پایه هفتم و نهم و فیزیک پایه دهم آورده شده است.

سیستم چیست ؟

به مجموعه ای از اشیا به عنوان مثال یک جسم که تاثیرات فیزیکی مثل نیرو (به عنوان مثال حرکت جسم) در آن بررسی می شود سیستم می گویند. به جهان اطراف سیستم به جز سیستم، محیط می گویند. سیستم و محیط توسط مرز سیستم از هم جدا می شود. وقتی یک بادکنک بادشده در هواست، بادکنک سیستم، هوای اطراف آن محیط و پوسته بادکنک مرز بین سیستم و محیط است. سیستم منزوی و ایزوله که برای تعریف قانون بقای انرژی لازم است، سیستمی است که با محیط بیرون تبادل ماده و انرژی نداشته باشد.

انرژی چیست ؟

به توانایی انجام کار انرژی می گویند که انواع مختلفی چون انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل، انرژی گرمایی، انرژی الکترومغناطیسی، انرژی شیمیایی، انرژی الکتریکی و انرژی هسته ای دارد. اصل پایستگی انرژی با ثابت بودن مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل بیان می شود و این بقای انرژی تا زمانی خواهد بود که نیروهای پایستار عمل کنند و انرژی کل همیشه باقی است. برای انجام هر کاری حتی حرکت کردنمان به انرژی احتیاج داریم. انرژی هرجسم جنبش ذرات بنیادی آن است که از معادله معروف انیشتین (E = mc^۲) مقدار آن به دست می آید.

انرژی چیست؟

تلاش برای نقض قانون پایستگی انرژی :

در گذشته یک مخترع آلمانی به نام اورفیرئوس چرخی با اتصالات پیچیده ساخت که دائم می چرخید (محرک دائمی). حتی با چندین آزمایش معلوم شد این چرخ دائم می چرخد. اما خیلی زود مشخص شد که این مخترع حیله کرده و شخصی را در محفظه ای جدا گذاشته تا این چرخ را بچرخاند. او نتوانست قانون پایستگی انرژی را نقض کند. همچنین در سال ۱۸۰۰ ساعتی ساخته شد که بدون کوک کار می کرد. اما مشخص است که بر اثر اختلاف فشارهوا کوک این ساعت انجام می شود و این گزینه نیز قانون بقای انرژی را نقض نمی کند.

تلاشی بتا :

تلاشی دیگر برای نقض قانون پایستگی انرژی واکنش رادیواکتیو (تجزیه کربن) است که وقتی نوترون در اثر تجزیه تبدیل به الکترون و پروتون می شود کاهش انرژی در سمت راست معادله مشاهده شد. نیلز بور با این واکنش قانون بقای انرژی را نقض شده می دانست اما پائولی ذره ای به سمت راست واکنش اضافه کرد و گفت این ذره کشف نخواهد شد. اما پادنوترینو با کشف ذره ای شبیه ذره گفته شده پائولی به این ناقض قانون بقای انرژی پایان داد. بر طبق این قانون هیچ قت انرژی از هیچ به جود نمی آید و اگر در آزمایش این قانون نقض شود علت فقط در درست و دقیق منزوی نکردن سیستم و خطای آزمایش است.

کاربرد قانون پایستگی انرژی در فیزیک :

وقتی انرژی در یک سیستم پایاست، در یک فرآیند در فیزیک انرژی ابتدایی و انتهایی براساس قانون پایستگی انرژی که انرژی از بین نمی رود برابر قرار داده می شود و بر این اساس می توان یک کمیت را به دست آورد. به عنوان مثال وقتی جرم متصل به فنر فشرده شده که دارای انرژی پتانسیل است رها شود، این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. با مساوی قرار دادن این دو انرژی سرعت جرم به دست می آید.