Principo de konservado de energio

leĝo de fiziko kaj kemio
(Alidirektita el Konservado de energio (fiziko))
Por la reŝarĝado de energio en piloj kaj aliaj aparatoj, vidu Konservado de energio.

Laŭ fiziko, la Principo de konservado de energio diras ke la tuta iom de energio en iu ajn fermita sistemo restas konstante, sed ne povas esti rekreita, kvankam ĝi povas ŝanĝi sian formon. Ekzemple, froto ŝanĝas kinetikan energion al varmeca energio. La unua leĝo de termodinamiko temas pri termodinamikaj sistemoj, kaj estas la pli ĝenerala versio de la principo konservado de energio en termodinamiko. Resume, tiu principo diras ke energio ne povas esti kreita aŭ detruita; ĝi nur povas esti ŝanĝita de unu formo al alia.

En partikla fiziko, la principo de konservado de energio altrudas ke, dum nuklea reakcionuklea fendiĝo, la sumo de energioj de iniciatintaj partikloj egalas la sumon de energioj de la elsendataj partikloj, ne forgesante la ejnŝtejnan ekvivalenton "maso-energio" de partikloj. La apliko de tiu principo permesis eltrovi fotonon en 1909.

La principo laŭ klasika mekaniko kaj kvantuma mekaniko estas konsekvenco de simetrio de movo laŭ tempo. Malgraŭ tiu aspekto, la principo estas ankaŭ plenumita en sistemoj, en kiu la simetrio de movo ne reĝas.

El la principo de konservado de energio rezultas ekzemple unua leĝo de termodinamiko.

Historio

redakti
 
Taleso el Mileto.

Antikvecaj filozofoj tiom fruaj kiel Taleso de Mileto ĉirkaŭ la jaro 550 a.n.e. jam cerbumis kelkajn ideojn pri la konservado de kelkaj esencaj substancoj el kiuj ĉio estas farita. Tamen ne estas partikulara tialo por identigi iliajn teoriojn kun tio kion nun oni konas kiel "mas-energio" (por ekzemplo, Taleso opiniis, ke ĝi estas akvo). Empedoklo (490–430 a.n.e.) verkis, ke en lia universala sistemo, komponita de kvar radikoj (tero, aero, akvo, fajro), "nenio fariĝas aŭ malfariĝas";[1] anstataŭe, tiu elementoj suferas konstantan rearanĝon. Epikuro (ĉirkaŭ la jaro 350 a.n.e.) aliflanke kredis, ke ĉio en la universo estas komponita de nedivideblaj unuoj de materio — antikva antaŭaĵo de 'atomoj' — kaj li havis ankaŭ kelkajn ideojn pri la neceso konservadi, asertante, ke "la totala sumo de aĵoj estis ĉiam kiel ĝi estas nune, kaj tia ĝi ĉiam restos."[2]

En 1605, Simon Stevin kapablis solvi nombrajn problemojn en statiko bazite sur la principo, ke la eterna movado estis neebla.

En 1639, Galileo publikigis sian analizon de kelkaj situacioj — kiel la fama "interrompita pendolo" — kio povas esti priskribita (en moderna parolesprimo) kiel konservative konverto de potenciala energio al kineta energio kaj reen. Esence, li indikis, ke la alto de movanta korpo egalas al la alto el kiu ĝi falas, kaj uzis tiun observon por dedukti la ideon de inercio. La rimarkinda aspekto de tiu observo estas, ke la altoal kiu movanta korpo supreniras sur senfrota surfaco ne dependas de la formo de la surfaco.

En 1669, Christiaan Huygens publikigis siajn leĝojn de kolizio. Inter la kvantoj kijn li listigis kiel nevariaj antaŭ kaj post la kolizio de korpoj estis kaj la adicio de iliaj lineaj momantoj kaj la adicio de iliaj kinetaj energioj. Tamen, la diferenco inter elasta kaj neelasta kolizio ne estis tiam komprenita. Tio kondukis al la disputo inter postaj esploristoj pri kiu el tiuj konservitaj kvantoj estas plej fundamenta. En sia verko Horologium Oscillatorium, li haviĝis multe pli klaran aserton pri la alto de supreniro de movanta korpo, kaj konektis tiun ideoj kun la malebleco de la eterna movado. La studado de Huygens pri la dinamiko de la pendolmovado estis bazita sur unusola principo: ke la gravitocentro de peza korpo ne povas malpeziĝi per si mem.

 
Gottfried Leibniz.

Inter 1676–1689, Gottfried Leibniz kiel unua klopodis matematikan formuladon de la energitipo kiu estas asocia kun la koncepto de movado (kineta energio). Uzante la laborojn de Huygens pri kolizio, Leibniz notis, ke en multaj mekanikaj sistemoj (de kelkaj masoj mi, el kiuj ĉiu kun rapideco vi),

 

ĝi konserviĝas tiom daŭre kiom la masoj ne interagadas. Li nomis tiun kvantoj la vis vivavivanta forto de la sistemo. Tiu principo reprezentas akuratan aserton de la proksimuma konservado de la kineta energio en situacioj en kiuj ne estas frotado. Multaj tiamaj fizikistoj, kiel Newton, tenis, ke la momantokonservado, kiu ekzistas eĉ en sistemoj kun frotado, kiel difinita de la momanto:

 

estas la konservita vis viva. Poste oni montris, ke ambaŭ kvantoj estas konservataj samtempe se ekzistas taŭgaj kondiĉoj, kiel ĉe la elasta kolizio.

En 1687, Isaac Newton publikigi sian verkon Principia, kiu estis organizita ĉirkaŭ la koncepto de forto kaj momanto. Tamen, esploristoj tuj agnoskis, ke la principoj markitaj en la libro, kvankam akurataj por punktomasoj, ne estis sufiĉaj por elteni la movojn de rigidaj kaj fluaj korpoj. Necesus ankaŭ aliaj principoj.

Ĉirkaŭ la 1690-aj jaroj, Leibniz estis argumentante, ke la konservado de vis viva kaj la momantokonservado estis subfosantaj la tiam popularan filozofian doktrinon de "interagadismo". (Dum la 19-a jarcento, kiam la energikonservado estis pli bone komprenita, la baza argumento de Leibniz estis atinganta disvastigitan akceptadon. Kelkaj modernaj fakuloj plue defendis specife konservo-bazitajn atakojn al dualismo, dum aliaj metas tiun argumenton en pli ĝeneralan argumenton pri "kaŭza fermiteco".)[3]

 
Daniel Bernoulli.

La leĝo de la konservado de la "vis viva" estis pionire defendita de la patro-fila duopo formita de Johann kaj Daniel Bernoulli. La unua formulis la principon de "virtuala laboro" kiel uzita en statiko en sia tuta ĝeneraleco en 1715, dum la dua bazis sian verkon Hydrodynamica, publikigita en 1738, sur tiu aparta principo pri la koncervado de la "vis viva". La studo fare de Daniel pri la perdo de "vis viva" de fluanta akvo kondukis lin al formulado de la "Principo de Bernoulli", kiu asertas, ke la perdo estas proporcia al la ŝanĝo en hidrodinamika premo. Daniel formulis ankaŭ la nociojn de laboro kaj efikeco por hidraŭlikajn maŝinojn; kaj li havigis kinetan teorion de gasoj, kaj ligis la kinetan energion de gasmolekuloj kun la temperaturo de la gaso.

Tiu fokuso pri la "vis viva" fare de eŭropaj fizikistoj eventuale kondukis al la malkovro de statismaj principoj hegemoniaj por mekaniko, kiel la principo de D'Alembert, kaj la Lagranĝa kaj la Hamiltona formuladoj pri mekaniko.

 
Emilie du Chatelet.

Émilie du Châtelet (1706–1749) proponis kaj testis la hipotezon de la konservado de totala energio, kie io diferenca el la momanto. Inspirita de la teorioj de Gottfried Leibniz, ŝi ripetis kaj publikigis eksperimenton origine planitan de Willem 's Gravesande en 1722 en kiu buloj estis faligitaj el diferencaj altecoj sur tavolo de malmola argilo. Oni pruvis, ke la kineta energio de ĉiu bulo — kiel indikita de la kvuanto de materio movita — estas proporcia al la kvadrato de la rapideco. Oni trovis, ke la disformado de la argilo estas rekte proporcia al la alteco el kiu la bulo estis faligita, egale al la dekomenca potenciala energio. Pli fruaj esploristoj, kiel Newton kaj Voltaire, estis kredintaj, ke la "energio" (kiel ili ĝis tiam subkomprenis la koncepton entute) ne estis diferenca el la momanto kaj tiel ĝi estas proporcia al la rapideco. Laŭ tiu miskompreno, la disformado de la argilo estus devinta esti proporcia al la kvadrata radiko de la alteco el kiu la buloj estis faligitaj. En klasika fiziko, la ĝusta formulo estas  , kie   estas la kineta energio de objekto,   ties maso kaj   ties rapideco. Sur tiu bazo, du Châtelet proponis, ke energio devas ĉiam havi la samajn dimensiojn en ajna formo, kio estas necesa por povi konsideri ĝin en diferencaj formoj (kineta, potenciala, varma, ...).[4][5]

Neŭtona pendolo

redakti
  Pli detalaj informoj troveblas en artikolo Neŭtona pendolo.
 
La Neŭtona pendolo en 3D por po du pilkoj.

La Neŭtona pendolo, nomite laŭ Sir Isaac Newton, estas aparato kiu pruvas la konservadon de movokvanto kaj energio tra serio de svingantaj sferoj. Kiam unu pilko en unu pinto estas levita kaj liberigita, ĝi frapas la apudan sferon; tiu forto estas transmitita tra la apudaj sferoj kaj pelas la lastan supren; ĉio poste ripetiĝas sen apenaŭ energiperdo. Tiu aparato estas konata ankaŭ kiel Neŭtonaj pilkoj.[6][7][8][9]

Fakuloj

redakti

Referencoj

redakti
  1. Janko, Richard (2004). “Empedocles, "On Nature"”, Zeitschrift für Papyrologie und Epigraphik 150, p. 1–26. 
  2. Laertius, Diogenes. Lives of Eminent Philosophers: Epicurus.[rompita ligilo]. Tiu fragmento venas el letero komplete citita de Diogeno, kaj supozeble verkita de Epikuro mem en kiu li metis la fundamenton de sia filozofio.
  3. (September 2021) “Conservation of Energy: Missing Features in Its Nature and Justification and Why They Matter”, Foundations of Science 26 (3), p. 559–584. doi:10.1007/s10699-020-09657-1. 
  4. Hagengruber, Ruth, eldonisto (2011) Émilie du Chatelet between Leibniz and Newton. Springer. (ISBN 978-94-007-2074-9).
  5. Arianrhod, Robyn. (2012) Seduced by logic : Émilie du Châtelet, Mary Somerville, and the Newtonian revolution, ‑a eldono, Nov-Jorko: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-993161-3.
  6. Sciencedemonstrations.fas.harvard.eu. Sciencedemonstrations.fas.harvard.edu. Alirita 3a de Novembro 2011.
  7. Hendrix2.uoregon.edu. Hendrix2.uoregon.edu. Arkivita el la originalo je 2011-07-20. Alirita 3a de Novembro 2011. Arkivita kopio. Arkivita el la originalo je 2011-07-20. Alirita 2015-11-26.
  8. claymore.engineer.gvsu.edu. claymore.engineer.gvsu.edu. Arkivita el la originalo je 2011-09-28. Alirita 3a de Novembro 2011. Arkivita kopio. Arkivita el la originalo je 2011-09-28. Alirita 2015-11-26.
  9. Demo.pa.mus.edu. Demo.pa.msu.edu. Arkivita el la originalo je 2011-08-14. Alirita 3a de Novembro 2011. Arkivita kopio. Arkivita el la originalo je 2011-08-14. Alirita 2015-11-26.

Vidu ankaŭ

redakti