Das Gesetz des neunzehnten Jahrhunderts der Bewahrung der Energie ist ein Gesetz der Physik. Es stellt fest, dass die Summe der Energie in einem isolierten System unveränderlich mit der Zeit bleibt. Wie man sagt, wird die Gesamtenergie mit der Zeit erhalten. Für ein isoliertes System bedeutet dieses Gesetz, dass Energie seine Position innerhalb des Systems ändern kann, und dass es Form innerhalb des Systems ändern kann, zum Beispiel kann chemische Energie kinetische Energie werden, aber diese Energie kann weder geschaffen noch zerstört werden. Im neunzehnten Jahrhundert wurden Masse und Energie als seiend von der ziemlich verschiedenen Natur betrachtet.

Seitdem die Theorie von Albert Einstein der speziellen Relativität gezeigt hat, dass Energie eine gleichwertige Masse hat (sieh Masse in der speziellen Relativität), und Masse hat eine gleichwertige Energie, man spricht von einem Gesetz der Bewahrung der Massenenergie als eine aktualisierte Version des Gesetzes des neunzehnten Jahrhunderts. Alle Partikeln, sowohl massiv wie Protone als auch massless wie Fotonen, haben beziehungsweise Energie und Massenentsprechungen.

Die Gesamtmasse und die Gesamtenergie eines Systems können beide beziehungsweise in der speziellen Relativität definiert werden, aber für jeden hält sein Bewahrungsgesetz. Partikeln, sowohl wägbar als auch unwägbar, sind Zwischenkonvertierungen der Form, sowohl in der Entwicklung als auch in Vernichtung unterworfen. Dennoch, in einem isolierten System, Bewahrung der Gesamtenergie und Bewahrung der Gesamtmasse hält jeder als ein getrenntes Gesetz.

Eine Folge des Gesetzes der Bewahrung der Energie ist, dass keine beabsichtigte "fortwährende Bewegungsmaschine" Energie an seine Umgebungen fortwährend liefern kann.

Geschichte

Alte Philosophen schon zu Lebzeiten von Thales von Miletus ~550 BCE hatten inklings der Bewahrung, aus der alles gemacht wird. Jedoch gibt es keinen besonderen Grund, das damit zu identifizieren, was wir heute als "Massenenergie" wissen (zum Beispiel, hat Thales gedacht, dass es Wasser war). 1638 hat Galileo seine Analyse von mehreren Situationen — einschließlich des berühmten "unterbrochenen Pendels" veröffentlicht — der (auf der modernen Sprache) als das konservative Umwandeln potenzieller Energie zur kinetischen Energie und zurück wieder beschrieben werden kann. Es war Gottfried Wilhelm Leibniz während 1676-1689, wer zuerst eine mathematische Formulierung der Art der Energie versucht hat, die mit der Bewegung (kinetische Energie) verbunden wird. Leibniz hat das in vielen mechanischen Systemen (mehrerer Massen, M jeder mit der Geschwindigkeit v), bemerkt

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wurde erhalten, so lange die Massen nicht aufeinander gewirkt haben. Er hat diese Menge die Kraft viva oder lebende Kraft des Systems genannt. Der Grundsatz vertritt eine genaue Behauptung der ungefähren Bewahrung der kinetischen Energie in Situationen, wo es keine Reibung gibt. Viele Physiker haben damals gemeint, dass die Bewahrung des Schwungs, der sogar in Systemen mit der Reibung, wie definiert, durch den Schwung hält:

war die erhaltene Kraft viva. Es wurde später gezeigt, dass, unter den richtigen Bedingungen, beide Mengen gleichzeitig solcher als in elastischen Kollisionen erhalten werden.

Es waren größtenteils Ingenieure wie John Smeaton, Peter Ewart, Gustave-Adolphe Hirn und Marc Seguin, der eingewandt hat, dass die Bewahrung des Schwungs allein für die praktische Berechnung nicht entsprechend war und vom Grundsatz von Leibniz Gebrauch gemacht hat. Der Grundsatz wurde auch von einigen Chemikern wie William Hyde Wollaston verfochten. Akademiker wie John Playfair waren schnell, um darauf hinzuweisen, dass kinetische Energie klar nicht erhalten wird. Das ist einer modernen auf dem zweiten Gesetz der Thermodynamik gestützten Analyse offensichtlich, aber in den 18. und 19. Jahrhunderten war das Schicksal der verlorenen Energie noch unbekannt. Allmählich ist es gekommen, um verdächtigt zu werden, dass die Hitze, die unvermeidlich durch die Bewegung unter der Reibung erzeugt ist, eine andere Form der Kraft viva war. 1783 haben Antoine Lavoisier und Pierre-Simon Laplace die zwei konkurrierenden Theorien der Kraft viva und Wärmetheorie nachgeprüft. Die 1798-Beobachtungen von Graf Rumford der Hitzegeneration während der langweiligen von Kanonen haben mehr Gewicht zur Ansicht hinzugefügt, dass mechanische Bewegung in die Hitze umgewandelt werden konnte, und (als wichtig), dass die Konvertierung quantitativ war und (das Berücksichtigen einer universalen Umwandlungskonstante zwischen kinetischer Energie und Hitze) vorausgesagt werden konnte. Kraft hat viva jetzt angefangen, als Energie bekannt zu sein, nachdem der Begriff zuerst in diesem Sinn von Thomas Young 1807 gebraucht wurde.

Die Wiederkalibrierung der Kraft viva zu

der als Entdeckung des genauen Werts für die kinetische Energie verstanden werden kann, Umwandlungskonstante zu arbeiten, war größtenteils das Ergebnis der Arbeit von Gaspard-Gustave Coriolis und Jean-Victor Poncelet im Laufe der Periode 1819-1839. Der erstere hat die Menge quantité de travail (Menge der Arbeit) und die Letzteren, Schinderei mécanique (mechanische Arbeit) genannt, und beide haben seinen Gebrauch in der Technikberechnung verfochten.

In einer Zeitung sterben Über Natur der Wärme, der in Zeitschrift für Physik 1837 veröffentlicht ist, Karl Friedrich Mohr hat eine der frühsten allgemeinen Behauptungen der Doktrin der Bewahrung der Energie in den Wörtern gegeben: "Außer den 54 bekannten chemischen Elementen gibt es in der physischen Welt einen Agenten nur, und das wird Kraft [Energie oder Arbeit] genannt. Es, kann gemäß Verhältnissen, als Bewegung, chemische Sympathie, Kohäsion, Elektrizität, Licht und Magnetismus erscheinen; und von irgendwelchen dieser Formen kann es in einigen von anderen umgestaltet werden."

Mechanische Entsprechung von der Hitze

Eine Schlüsselbühne in der Entwicklung des modernen Bewahrungsgrundsatzes war die Demonstration der mechanischen Entsprechung von der Hitze. Die Wärmetheorie hat diese Hitze aufrechterhalten konnte weder geschaffen noch zerstört werden, aber die Bewahrung der Energie hat den gegensätzlichen Grundsatz zur Folge, dass Hitze und mechanische Arbeit austauschbar sind.

1798 hat Graf Rumford (Benjamin Thompson) Maße der Reibungshitze durchgeführt, die in langweiligen Kanonen erzeugt ist, und hat die Idee entwickelt, dass Hitze eine Form der kinetischen Energie ist; seine Maße haben Wärmetheorie widerlegt, aber waren ungenau genug, um Zimmer für Zweifel zu verlassen.

Der mechanische Gleichwertigkeitsgrundsatz wurde zuerst in seiner modernen Form vom deutschen Chirurgen Julius Robert von Mayer 1842 festgesetzt. Mayer ist zu seinem Schluss auf einer Reise zum holländischen Östlichen Indies gelangen, wo er gefunden hat, dass das Blut seiner Patienten ein tieferes Rot war, weil sie weniger Sauerstoff, und deshalb weniger Energie verbrauchten, um ihre Körpertemperatur im heißeren Klima aufrechtzuerhalten. Er hatte entdeckt, dass Hitze und mechanische Arbeit beide Formen der Energie, und später, nach der Besserung seiner Kenntnisse der Physik waren, hat er eine quantitative Beziehung zwischen ihnen (Bar' 1845) berechnet.

Inzwischen 1843 hat James Prescott Joule unabhängig die mechanische Entsprechung in einer Reihe von Experimenten entdeckt. Im berühmtesten, jetzt genannt den "Apparat von Joule", hat ein hinuntersteigendes einer Schnur beigefügtes Gewicht ein in Wasser versenktes Paddel veranlasst zu rotieren. Er hat gezeigt, dass die potenzielle Gravitationsenergie, die durch das Gewicht im Absteigen verloren ist, der Thermalenergie (Hitze) gleich war, die durch das Wasser durch die Reibung mit dem Paddel gewonnen ist.

Im Laufe der Periode 1840-1843 wurde ähnliche Arbeit vom Ingenieur Ludwig A. Colding ausgeführt, obwohl es wenig außerhalb seines heimischen Dänemarks bekannt war.

Sowohl die Arbeit des Joules als auch Mayers hat unter dem Widerstand und der Vernachlässigung gelitten, aber es war Joule, das vielleicht ungerecht schließlich die breitere Anerkennung gezogen hat.

:For der Streit zwischen Joule und Mayer über den Vorrang, sieh Mechanische Entsprechung von der Hitze: Vorrang

1844 hat William Robert Grove eine Beziehung zwischen Mechanik, Hitze, Licht, Elektrizität und Magnetismus verlangt, indem er sie alle als Manifestationen einer einzelnen "Kraft" (Energie in modernen Begriffen) behandelt hat. 1874 hat Grove seine Theorien in seinem Buch Die Korrelation von Physischen Kräften veröffentlicht. 1847, sich auf die frühere Arbeit des Joules, Sadi Carnots und Émile Clapeyrons stützend, hat Hermann von Helmholtz Beschlüsse erreicht, die Grove ähnlich sind, und hat seine Theorien in seinem Buch veröffentlicht Über sterben Erhaltung der Kraft (Auf der Bewahrung der Kraft, 1847). Die allgemeine moderne Annahme des Grundsatzes stammt von dieser Veröffentlichung.

1877 hat Peter Guthrie Tait behauptet, dass der Grundsatz mit Herrn Isaac Newton entstanden ist, der auf einem kreativen Lesen von Vorschlägen 40 und 41 von Philosophiae Naturalis Principia Mathematica gestützt ist. Das wird jetzt als ein Beispiel der Whig-Geschichte betrachtet.

Das erste Gesetz der Thermodynamik

Für ein geschlossenes thermodynamisches System kann das erste Gesetz der Thermodynamik als festgesetzt werden:

wo der Betrag der Energie ist, die zum System durch einen Heizungsprozess hinzugefügt ist, der Betrag der Energie ist, die durch das System wegen der geleisteten Arbeit durch das System auf seinen Umgebungen verloren ist, und die Änderung in der inneren Energie des Systems ist.

Die δ's vor der Hitze und den Arbeitsbegriffen werden verwendet, um anzuzeigen, dass sie eine Zunahme der Energie beschreiben, die etwas verschieden interpretiert werden soll als die Zunahme der inneren Energie (sieh Ungenaues Differenzial). Arbeit und Hitze sind Prozesse, die hinzufügen oder Energie abziehen, während die innere Energie eine besondere Form der mit dem System vereinigten Energie ist. So der Begriff "Hitze-Energie" für Mittel, "die der Betrag der Energie als das Ergebnis hinzugefügt hat zu heizen", anstatt sich auf eine besondere Form der Energie zu beziehen. Ebenfalls, der Begriff "Arbeits-Energie" für Mittel, "die der Betrag der Energie als das Ergebnis der Arbeit verloren hat". Das bedeutendste Ergebnis dieser Unterscheidung ist die Tatsache, dass man klar den Betrag der inneren durch ein thermodynamisches System besessenen Energie festsetzen kann, aber man kann nicht erzählen, wie viel Energie in oder aus dem System infolge geflossen, dass es geheizt wird, oder, noch als das Ergebnis der Arbeit kühl geworden ist, die auf oder durch das System wird durchführt. In einfachen Begriffen bedeutet das, dass Energie nicht geschaffen oder zerstört, nur von einer Form bis einen anderen umgewandelt werden kann.

Wärmegewicht ist eine Funktion des Staates eines Systems, das von der Möglichkeit der Konvertierung der Hitze in die Arbeit erzählt.

Für ein einfaches komprimierbares System kann die durch das System durchgeführte Arbeit geschrieben werden

wo der Druck ist und ein Kleingeld im Volumen des Systems ist, von denen jeder Systemvariablen sind. Die Hitzeenergie kann geschrieben werden

wo die Temperatur ist und ein Kleingeld im Wärmegewicht des Systems ist. Temperatur und Wärmegewicht sind Variablen des Staates eines Systems.

Mechanik

In der Mechanik wird die Bewahrung der Energie gewöhnlich als festgesetzt

wo T kinetisch ist und V potenzielle Energie.

Für diese besondere Form, um gültig zu sein, muss der folgende wahr sein:

• Das System ist scleronomous (weder kinetische noch potenzielle Energie sind ausführliche Funktionen der Zeit)
• Die potenzielle Energie hängt von Geschwindigkeiten nicht ab.
• Die kinetische Energie ist eine quadratische Form hinsichtlich Geschwindigkeiten.
• Die Gesamtenergie E hängt von der Bewegung des Bezugssystems ab (und es stellt sich heraus, dass es für das Zentrum des Massenrahmens minimal ist).

Der Lehrsatz von Noether

Die Bewahrung der Energie ist ein gemeinsames Merkmal in vielen physischen Theorien. Aus einem mathematischen Gesichtspunkt wird es demzufolge des Lehrsatzes von Noether verstanden, der feststellt, dass jede dauernde Symmetrie einer physischen Theorie eine verbundene erhaltene Menge hat; wenn die Symmetrie der Theorie Zeit invariance dann ist, wird die erhaltene Menge "Energie" genannt. Das Energiebewahrungsgesetz ist eine Folge der Verschiebungssymmetrie der Zeit; Energiebewahrung wird durch die empirische Tatsache einbezogen, dass sich die Gesetze der Physik mit der Zeit selbst nicht ändern. Philosophisch kann das als festgesetzt werden "nichts hängt rechtzeitig per se ab".

Mit anderen Worten, wenn das physische System invariant unter der dauernden Symmetrie der Zeitübersetzung dann seine Energie ist (der kanonische verbundene Menge zur Zeit ist), wird erhalten. Umgekehrt stellen Systeme, die nicht invariant unter Verschiebungen rechtzeitig sind (zum Beispiel, Systeme mit der zeitabhängigen potenziellen Energie) Bewahrung der Energie nicht aus - wenn wir nicht denken, dass sie Energie mit einem anderen, Außensystem austauschen, so dass die Theorie des vergrößerten Systems Zeit invariant wieder wird. Da jedes zeitändernde System innerhalb eines größeren Zeit-Invariant Systems eingebettet werden kann, kann Bewahrung immer durch eine passende Wiederdefinition dessen wieder erlangt werden, wie Energie ist. Die Bewahrung der Energie für begrenzte Systeme ist in solchen physischen Theorien als spezielle Relativität und Quant-Theorie (einschließlich QED) in der flachen Raum-Zeit gültig.

Relativität

Mit der Entdeckung der speziellen Relativität durch Albert Einstein wurde Energie vorgeschlagen, um ein Bestandteil eines 4-Vektoren-Energieschwungs zu sein. Jeder der vier Bestandteile (eine der Energie und drei des Schwungs) dieses Vektoren wird über die Zeit in jedem geschlossenen System, wie gesehen, von jedem gegebenen Trägheitsbezugsrahmen getrennt erhalten. Auch erhalten ist die Vektor-Länge (Norm von Minkowski), der die Rest-Masse für einzelne Partikeln und die invariant Masse für Systeme von Partikeln ist (wo Schwünge und Energie getrennt summiert werden, bevor die Länge berechnet wird — sieh den Artikel über die invariant Masse).

Die relativistische Energie einer einzelnen massiven Partikel enthält einen Begriff, der mit seiner Rest-Masse zusätzlich zu seiner kinetischen Energie der Bewegung verbunden ist. In der Grenze der kinetischen Nullenergie (oder gleichwertig im Rest-Rahmen) einer massiven Partikel; oder sich im Zentrum des Schwungs für Gegenstände oder Systeme entwickeln, die kinetische Energie behalten, ist die Gesamtenergie der Partikel oder des Gegenstands (einschließlich der inneren kinetischen Energie in Systemen) mit seiner Rest-Masse oder seiner invariant Masse über die berühmte Gleichung verbunden.

So setzt die Regel der Bewahrung der Energie mit der Zeit in der speziellen Relativität fort zu halten, so lange der Bezugsrahmen des Beobachters unverändert ist. Das gilt für die Gesamtenergie von Systemen, obwohl verschiedene Beobachter betreffs des Energiewerts nicht übereinstimmen. Auch erhalten, und invariant allen Beobachtern, ist die invariant Masse, die die minimale Systemmasse und Energie ist, die von jedem Beobachter gesehen werden kann, und die durch die Energieschwung-Beziehung definiert wird.

In der allgemeinen Relativitätsbewahrung des Energieschwungs wird mithilfe von einem Betonungsenergieschwung-Pseudotensor ausgedrückt. Die Theorie von allgemeinen Relativitätsblättern öffnet die Frage, ob es eine Bewahrung der Energie für das komplette Weltall gibt.

Quant-Theorie

In der Quant-Mechanik wird die Energie eines Quant-Systems von einem selbst adjungierten (Hermite) Maschinenbediener genannt Hamiltonian beschrieben, der dem Raum von Hilbert (oder einem Raum von Welle-Funktionen) vom System folgt. Wenn Hamiltonian eine Zeit unabhängiger Maschinenbediener ist, ändert sich die Erscheinen-Wahrscheinlichkeit des Maß-Ergebnisses rechtzeitig über die Evolution des Systems nicht. So ist der Erwartungswert der Energie auch unabhängige Zeit. Die lokale Energiebewahrung in der Quant-Feldtheorie wird durch den Quant-Lehrsatz von Noether für den Energieschwung-Tensor-Maschinenbediener gesichert. Bemerken Sie, dass wegen des Mangels am (universalen) Zeitmaschinenbediener in der Quant-Theorie die Unklarheitsbeziehungen für die Zeit und Energie im Gegensatz zum Positionsschwung-Unklarheitsgrundsatz nicht grundsätzlich sind, und bloß in spezifischen Fällen hält (Sieh Unklarheitsgrundsatz). Die Energie in jedem festen Mal kann im Prinzip ohne jedes als Energieunklarheitsbeziehungen verursachte Problem genau gemessen werden. So ist die Bewahrung der Energie rechtzeitig ein gut definiertes Konzept sogar in der Quant-Mechanik.

Siehe auch

• Bewahrungsgesetz
• Bewahrung der Masse
• Energiequalität
• Energietransformation
• Grundwasser-Energie erwägt
• Gesetze der Thermodynamik
• Lagrangian
• Grundsätze von energetics

Referenzen

Moderne Rechnungen

• Goldstein, Martin und Inge F., 1993. Der Kühlschrank und das Weltall. Harvard Univ. Drücken. Eine sanfte Einführung.