Ero sivun ”Energian säilymislaki” versioiden välillä

7 439 merkkiä lisätty ,  11 vuotta sitten
Tieteenhistoriaa engl. Wikipedian ja jonkin verran erään suomalaisenkin oppikirjan pohjalta; ei enää tynkä
(Tieteenhistoriaa engl. Wikipedian ja jonkin verran erään suomalaisenkin oppikirjan pohjalta; ei enää tynkä)
 
Eristetyllä systeemillä tarkoitetaan jonkinlaista tilaa, mistä energia ei pääse karkaamaan tai sinne ei pääse ulkopuolista energiaa. Energiaperiaatteen seurauksena maailmankaikkeudessa, jota voidaan pitää eristettynä systeeminä, on alusta asti ollut yhtä paljon energiaa. Koska [[entropia]] aina kasvaa, kun energia muuntuu muodosta toiseen, tulee kaikki energia jonain päivänä olemaan tasaisesti jakautunut koko maailmankaikkeuteen.
 
==Tieteenhistoriaa==
 
Yleisessä muodossaan energian säilymislaki tuli tunnetuksi vasta vähän ennen 1800-luvun puoliväliä. Sitä olivat kuitenkin ennakoineet useat jo aikaisemmin tunnetut luonnon­lait.
 
Vuonna 1638 [[Galileo Galilei]] julkaisi tutkimuksena, jonka mukaan eräissä liike­ilmiöissä, tilanteissa, esimerkiksi ideaalisen [[heiluri]]n liikkeessä, suureet, joita nykyisin sanotaan [[potentiaalienergia|potentiaali-]] ja [[liike-energia]]ksi, jatkuvasti muuttuvat toisikseen, mutta niiden summa pysyy vakiona. Tämä havainto tunnetaan nykyään ''Galilein energialakina''<ref>{{kirjaviite | Tekijä = Kaarle ja Riitta Kurki-Suonio | Nimeke = Vuorovaikuttavat kappaleet, mekaniikan perusteet | Sivu = 168-169 | Julkaisija = Limes ry | Vuosi = 1992 | Tunniste = ISBN 951-745-143-1}}</ref>. Vuosien 1676 ja 1689 välillä [[Gottfried Wilhelm Leibniz]] otti käyttöön matemaattisesti määritellyn suureen, jolle hän antoi nimen ''vis viva'' (elävä voima) ja joka vastaa nykyistä liike-energian käsitettä. Sillä tarkoitettiin kappaleen [[massa]]n ja sen [[nopeus|nopeuden]] neliön tuloa, tai useamman kappaleen systeemissä näin kullekin kappaleelle (jonka massa on m<sub>i</sub> ja nopeus ''v<sub>i</sub>'') määritetyn "elävän voiman" summaa:
 
:<math>\sum_{i} m_i v_i^2</math>
 
Leibniz kiinnitti huomiota siihen, että tämän suureen kokonais­määrä säilyi monissa tilanteissa, joissa ei esiintynyt [[kitka]]a. Useimmat fyysikot pitivät katsoivat kuitenkin, että [[liikemäärä]] eli kappaleen massan ja nopeuden tulo oli paljon luonnollisempi mitta "liikkeen määrälle", sillä kun vastakkaisiin suuntiin liikkuvien kappaleiden liikemäärät käsitettiin erimerkkisiksi, systeemin kokonais­liike­määrä säilyi silloinkin, kun kappaleiden välillä esiintyi kitkaa. Vasta vähitellen ymmärrettiin, että sekä liikemäärä että liike-energia nykyisellä tavalla määriteltyinä ovat molemmat tärkeitä käsitteitä<ref>Kurki-Suonio, s. 107</ref>, ja että molemmat säilyvät esimerkiksi [[kimmoinen törmäys|kimmoisissa törmäyksissä]].
 
Erityisesti [[insinööri]]t kuten [[John Smeaton]], [[Peter Ewart]], [[Karl Hotzmann]], [[Gustave-Adolphe Hirn]] ja [[Marc Seguin]] totesivat, ettei liikemäärän säilymislaki yksinään riittänyt käytännöllisiin laskuihin vaan sen lisäksi oli käytettävä myös Leibnizin periaatetta. Fyysikot kuten [[John Playfair]] kuitenkin väittivät vastaan, ettei Leibnizin "elävä voima" läheskään kaikissa ilmiöissä säily. Tuolloin ei vielä tiedetty, mitä tälle menetetylle energialle tapahtui. Vähitellen havaittiin, että kitkan hidastaessa liikettä syntyi aina [[lämpö]]ä, jota alettiinkin epäillä toiseksi "elävän voiman" ilmenemismuodoksi. Lämmön luonteesta oli kuitenkin pitkään vallalla toinen teoria, jonka mukaan se oli erityistä ainetta, [[kalorikki]]a.
 
[[Benjamin Thompson]] (Rumford) osoitti vuonna 1798, että hankaamalla kappaleita toisiaan vastaan voidaan ne saada kuumenemaan varsin huomattavastikin ja että tällöin kehittynyt [[lämpömäärä]] voitiin myös mitata. Tämä johti vähitellen käsitykseen, että tietty lämpö­määrä vastaa aina tiettyä määrää [[mekaaninen energia|mekaanista energiaa]]. Termiä ''energia'' käytti tässä merkityksessä ensimmäisenä [[Thomas Young]] vuonna 1807.
 
Mekaanisen [[työ (fysiikka)|työn]] käsitteen ottivat fysiikassa käyttöön [[Gaspard-Gustave Coriolis]]<ref>Kurki-Suonio, s. 422</ref> ja [[Jean-Victor Poncelet]] vuosien 1819 ja 1839 välisenä aikana. Molemmat käyttivät sitä erityisesti teknisissä laskuissa. Tähän liittyen he joutuivat kuitenkin määrittelemään myös liike-energian uudestaan siten, että sen arvo oli vain puolet siitä, mitä Leibniz oli nimittänyt "eläväksi voimaksi":
 
:<math>\frac {1} {2}\sum_{i} m_i v_i^2</math>
 
[[Karl Friedrich Mohr]] esitti vuonna 1837 julkaisemassaan artikkelissa ''Über die Natur der Wärme'' ensimmäisten joukossa energian yleisen säilymislain näin: "54 tunnetun [[alkuaine]]en lisäksi fysikaalisessa maailmassa on vain yksi aines, jota sanotaan "voimaksi" (energiaksi tai työksi). Se voi esiintyä olosuhteista riippuen liikkeenä, kemiallisena [[affiniteetti]na, [[koheesio]]na, [[sähkö]]nä, [[valo]]na tai [[magnetismi]]na, ja mistä tahansa näistä muodoista se voi muuttua mihin tahansa toiseen."
 
Nykyisen yleisen säilymislain kannalta erityisen tärkeä keksintö oli [[lämmön mekaaninen ekvivalenssi]]. Lämmön kalorikkiteorian mukaan lämpöä ei voinut syntyä eikä hävitä, mutta energian säilymislain mukaan mekaaninen energia voi muuttua lämmöksi tai päinvastoin. Mekaanisen ekvivalenssin periaatteen nykyaikaisessa muodossaan esitti ensimmäisenä saksalainen lääkäri [[Julius Robert von Mayer]].<ref>von Mayer, J.R. (1842) "Remarks on the forces of inorganic nature", ''Annalen der Chemie und Pharmacie'', '''43''', 233</ref> Mayer päätyi tähän tulokseen ollessaan [[Alankomaiden Itä-Intia]]ssa (nykyisessä [[Indonesia]]ssa), jossa hän havaitsi, että hänen potilaidensa veri oli voimakkaamman punaista kuin Saksassa, koska he kuluttivat vähemmän [[happi|happea]] ja sen mukaisesti vähemmän energiaa [[ruumiinlämpö]]nsä ylläpitämiseen kuumassa ilmastossa. Tästä hän päätteli, että sekä mekaaninen työ että lämpö olivat energian muotoja, ja myöhemmin, opiskeltuaan enemmän fysiikkaa, hän johti niiden välille myös kvantitatiivisen yhteyden.
 
[[File:Joule's Apparatus (Harper's Scan).png|thumb|right|Joulen laite lämmön mekaanisen ekvivalenssin mittaamiseksi. Lankaan kiinnitetty laskeutuva paino saa veteen upotetun pyörän pyörimään.]]
Mayerista riippumatta [[James Prescott Joule]] määritti myös lämmön mekaanisen ekvivalenssin sarjalla kokeita. Tunnetuimman niistä hän teki lankaan kiinnitetyllä painolla, joka laskeutuessaan sai veteen upotetun pyörän pyörimään. Tällä hän osoitti, että painon laskeutuessaan menettämä [[potentiaalienergia]] vastasi tiettyä määrää lämpöä, joka kehittyi veden vastuksen vaikuttaessa pyörään. Vastaavia kokeita teki myös [[Ludwig A. Colding]], joskaan ne eivät saaneet osakseen sanottavaa huomiota hänen kotimaansa [[Tanska]]n ulkopuolella.
 
Vuonna 1844, [[William Robert Grove]] esitti, että mekaaninen työ, lämpö, valo, sähkö ja magnetismi olivat kaikki saman "voiman" (nykyisen termin mukaan energian) ilmenemismuotoja. Grove esitti teoriansa kirjassa ''The Correlation of Physical Forces''.<ref>{{ kirjaviite | Tekijä=Grove, W. R. | Nimeke=The Correlation of Physical Forces, 6. painos | Julkaisupaikka=Lontoo | Julkaisija=Longmans, Green | Vuosi=1874 }}</ref> Vuonna 1847 [[Hermann von Helmholtz]] päätyi Joulen, [[Sadi Carnot]]'n ja [[Émile Clapeyron]]in aikaisempien tutkimusten perustella saman­kaltaisiin johto­päätöksiin, jotka hän julkaisi kirjassaan ''Über die Erhaltung der Kraft'' (''Voiman säilymisestä''). Tämä teos teki energian säilymislain nykyisessä muodossaan lopullisesti yleisesti hyväksytyksi.
 
Vuonna 1905 [[Albert Einstein]] laajensi vielä oleellisesti energian käsitettä osoittaessaan [[suhteellisuusteoria]]nsa avulla massan ja energian yleisen ekvivalenssin, joka voitiin ilmaista yhtälöllä [[­E=mc²]]. Tämä osoitti, että energian ja massan [[säilymislaki|säilymislait]] ovat itse asiassa saman yleisemmän säilymis­lain erikois­tapauksia.
 
== Viitteet ==
{{viitteet}}
 
==Katso myös==
*[[Energia]]
*[[Sisäenergia]]
 
{{tynkä/Fysiikka}}
 
[[Luokka:Termodynamiikka]]
105 841

muokkausta