ऊर्जा संरक्षण: Difference between revisions

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भौतिकी और रसायन विज्ञान में, ऊर्जा के संरक्षण का कानून बताता है कि एक पृथक प्रणाली की कुल ऊर्जा स्थिर रहती है;यह समय के साथ संरक्षित कहा जाता है।^[1] यह कानून, पहले प्रस्तावित और émilie du châtelet द्वारा परीक्षण किया गया,^[2]^[3]इसका मतलब है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है;बल्कि, यह केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित या स्थानांतरित किया जा सकता है।उदाहरण के लिए, रासायनिक ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में बदल दिया जाता है जब डायनामाइट की एक छड़ी विस्फोट हो जाती है।यदि कोई ऊर्जा के सभी रूपों को जोड़ता है जो विस्फोट में जारी किए गए थे, जैसे कि काइनेटिक ऊर्जा और टुकड़ों की संभावित ऊर्जा, साथ ही गर्मी और ध्वनि, किसी को डायनामाइट के दहन में रासायनिक ऊर्जा की सटीक कमी मिलेगी।

शास्त्रीय रूप से, ऊर्जा का संरक्षण द्रव्यमान के संरक्षण से अलग था।हालांकि, विशेष सापेक्षता से पता चला है कि द्रव्यमान ऊर्जा से संबंधित है और इसके विपरीत ई = एमसी द्वारा², और विज्ञान अब यह विचार करता है कि एक पूरे के रूप में द्रव्यमान-ऊर्जा का संरक्षण किया जाता है।सैद्धांतिक रूप से, इसका तात्पर्य यह है कि द्रव्यमान के साथ किसी भी वस्तु को स्वयं शुद्ध ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है, और इसके विपरीत।हालांकि यह केवल भौतिक परिस्थितियों के सबसे चरम के तहत संभव माना जाता है, जैसे कि बड़े धमाके के कुछ समय बाद ही ब्रह्मांड में मौजूद होने की संभावना है या जब ब्लैक होल हॉकिंग विकिरण का उत्सर्जन करते हैं।

निरंतर समय अनुवाद समरूपता के परिणामस्वरूप नूथर के प्रमेय द्वारा ऊर्जा का संरक्षण कठोरता से साबित हो सकता है;यही है, इस तथ्य से कि भौतिकी के नियम समय के साथ नहीं बदलते हैं।

ऊर्जा के संरक्षण के कानून का एक परिणाम यह है कि पहले प्रकार की एक स्थायी गति मशीन मौजूद नहीं हो सकती है, यह कहना है, बाहरी ऊर्जा आपूर्ति के बिना कोई भी प्रणाली अपने परिवेश में असीमित मात्रा में ऊर्जा नहीं दे सकती है।^[4] उन प्रणालियों के लिए जिनके पास समय अनुवाद समरूपता नहीं है, ऊर्जा के संरक्षण को परिभाषित करना संभव नहीं हो सकता है।उदाहरणों में सामान्य सापेक्षता में घुमावदार स्पेसटाइम्स शामिल हैं^[5] या कंडेंस्ड मैटर फिजिक्स में समय क्रिस्टल।^[6]^[7]^[8]^[9]

इतिहास

प्राचीन दार्शनिक जहां तक मिलिटस के थेल्स के रूप में वापस c.& nbsp; 550 ईसा पूर्व में कुछ अंतर्निहित पदार्थों के संरक्षण की स्याही थी, जिसमें सब कुछ बनाया जाता है।हालांकि, उनके सिद्धांतों की पहचान करने का कोई विशेष कारण नहीं है जो हम आज बड़े-ऊर्जा के रूप में जानते हैं (उदाहरण के लिए, थेल्स ने सोचा कि यह पानी था)।Empedocles (490-430 ईसा पूर्व) ने लिखा है कि उनकी सार्वभौमिक प्रणाली में, चार जड़ों (पृथ्वी, वायु, पानी, आग) से बना है, कुछ भी नहीं होता है या नष्ट नहीं होता है;^[10] इसके बजाय, इन तत्वों को निरंतर पुनर्व्यवस्था का सामना करना पड़ता है।एपिकुरस (c.दूसरी ओर & nbsp; 350 ईसा पूर्व) ने माना कि ब्रह्मांड में सब कुछ मामले की अविभाज्य इकाइयों से बना है - 'परमाणुओं के लिए प्राचीन अग्रदूत - और उन्हें भी संरक्षण की आवश्यकता के बारे में कुछ पता था, जिसमें कहा गया था कि कुल चीजों का योग है।हमेशा ऐसा ही था जैसा कि अब है, और ऐसा कभी रहेगा।^[11] 1605 में, साइमन स्टीविनस इस सिद्धांत के आधार पर स्टैटिक्स में कई समस्याओं को हल करने में सक्षम था कि सदा गति असंभव थी।

1639 में, गैलीलियो ने कई स्थितियों के अपने विश्लेषण को प्रकाशित किया - जिसमें प्रसिद्ध बाधित पेंडुलम शामिल हैं - जो कि (आधुनिक भाषा में) रूढ़िवादी रूप से संभावित ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में परिवर्तित करने के रूप में वर्णित किया जा सकता है और फिर से वापस। अनिवार्य रूप से, उन्होंने बताया कि एक चलती शरीर की ऊँचाई बढ़ जाती है, जिस ऊंचाई से यह गिरती है, और इस अवलोकन का उपयोग जड़ता के विचार का अनुमान लगाने के लिए किया जाता है। इस अवलोकन का उल्लेखनीय पहलू यह है कि जिस ऊंचाई पर एक चलती शरीर एक घर्षण रहित सतह पर चढ़ता है, वह सतह के आकार पर निर्भर नहीं करता है।

1669 में, क्रिस्टियान ह्यूजेंस ने टक्कर के अपने नियम प्रकाशित किए। निकायों के टकराव से पहले और बाद में उन्होंने जिन मात्राओं को इनवेरिएंट के रूप में सूचीबद्ध किया था, उनमें से दोनों ही उनके रैखिक क्षण के साथ -साथ उनकी गतिज ऊर्जाओं का योग भी थे। हालांकि, उस समय लोचदार और इनलेस्टिक टकराव के बीच अंतर को समझा नहीं गया था। इसके कारण बाद के शोधकर्ताओं के बीच विवाद हुआ कि इन संरक्षित मात्राओं में से कौन अधिक मौलिक था। अपने होरोलोगियम ऑसिलेटोरियम में, उन्होंने एक चलती शरीर की चढ़ाई की ऊंचाई के बारे में एक बहुत स्पष्ट बयान दिया, और इस विचार को सदा गति की असंभवता के साथ जोड़ा। पेंडुलम गति की गतिशीलता का ह्यूजेंस का अध्ययन एक ही सिद्धांत पर आधारित था: कि एक भारी वस्तु के गुरुत्वाकर्षण का केंद्र खुद को नहीं उठा सकता है।

गॉटफ्रीड लिबनिज़

यह 1676-1689 के दौरान लीबनिज़ था, जिसने पहली बार गति (गतिज ऊर्जा) के साथ जुड़े ऊर्जा के प्रकार के गणितीय सूत्रीकरण का प्रयास किया था।टक्कर पर Huygens के काम का उपयोग करते हुए, Leibniz ने देखा कि कई यांत्रिक प्रणालियों में (कई द्रव्यमानों में, m_iप्रत्येक वेग के साथ_i),

\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}

तब तक संरक्षित किया गया जब तक जनता ने बातचीत नहीं की।उन्होंने इस मात्रा को विवा विवा या सिस्टम की रहने की शक्ति कहा।सिद्धांत उन स्थितियों में गतिज ऊर्जा के अनुमानित संरक्षण के एक सटीक कथन का प्रतिनिधित्व करता है जहां कोई घर्षण नहीं है।उस समय कई भौतिकविदों, जैसे कि न्यूटन, ने कहा कि गति का संरक्षण, जो घर्षण के साथ सिस्टम में भी धारण करता है, जैसा कि गति द्वारा परिभाषित किया गया है:

\sum _{i}m_{i}v_{i}

संरक्षित विवा विवा था।बाद में यह दिखाया गया कि दोनों मात्राओं को एक साथ संरक्षित किया जाता है, एक लोचदार टक्कर में उचित परिस्थितियों को देखते हुए।

1687 में, इसहाक न्यूटन ने अपने दार्शनिक नेचुरलिस प्रिंसिपिया मैथेमेटिका को प्रकाशित किया। प्रिंसिपिया, जो बल और गति की अवधारणा के आसपास आयोजित किया गया था।हालांकि, शोधकर्ताओं को यह पहचानने की जल्दी थी कि पुस्तक में निर्धारित सिद्धांत, जबकि बिंदु द्रव्यमान के लिए ठीक है, कठोर और द्रव निकायों की गतियों से निपटने के लिए पर्याप्त नहीं थे।कुछ अन्य सिद्धांतों की भी आवश्यकता थी।

डैनियल बर्नौली

विज़ विवा के संरक्षण के कानून को पिता और पुत्र जोड़ी, जोहान और डैनियल बर्नौली द्वारा चैंपियन बनाया गया था।पूर्व ने 1715 में अपनी पूर्ण सामान्यता में स्टैटिक्स में उपयोग किए जाने वाले आभासी कार्य के सिद्धांत को स्वीकार किया, जबकि बाद में उनके हाइड्रोडायनामिकिका पर आधारित, 1738 में प्रकाशित, इस एकल विवा संरक्षण सिद्धांत पर।बहते पानी के विज़ विवा के नुकसान के डैनियल के अध्ययन ने उन्हें बर्नौली के सिद्धांत को तैयार करने के लिए प्रेरित किया, जो हाइड्रोडायनामिक दबाव में परिवर्तन के लिए आनुपातिक होने के लिए नुकसान का दावा करता है।डैनियल ने हाइड्रोलिक मशीनों के लिए काम और दक्षता की धारणा भी तैयार की;और उन्होंने गैसों का एक गतिज सिद्धांत दिया, और गैस के अणुओं की गतिज ऊर्जा को गैस के तापमान के साथ जोड़ा।

महाद्वीपीय भौतिकविदों द्वारा विज़ विवा पर इस ध्यान ने अंततः यांत्रिकी को नियंत्रित करने वाले यांत्रिकी के रूप में यांत्रिकी के यांत्रिकी को नियंत्रित करने वाले स्थिरता सिद्धांतों की खोज का नेतृत्व किया।

एमिली डु चेटेलेट

Émilie du châtelet (1706–1749) ने प्रस्तावित किया और कुल ऊर्जा के संरक्षण की परिकल्पना का परीक्षण किया, जैसा कि गति से अलग है। गॉटफ्रीड लीबनिज के सिद्धांतों से प्रेरित होकर, उन्होंने 1722 में विलेम के ग्रेवेसंडे द्वारा मूल रूप से तैयार किए गए एक प्रयोग को दोहराया और प्रचारित किया, जिसमें गेंदों को अलग -अलग ऊंचाइयों से नरम मिट्टी की एक शीट में गिरा दिया गया था। प्रत्येक गेंद की गतिज ऊर्जा - जैसा कि विस्थापित सामग्री की मात्रा से संकेत मिलता है - वेग के वर्ग के लिए आनुपातिक दिखाया गया था। मिट्टी की विरूपण को सीधे उस ऊंचाई के लिए आनुपातिक पाया गया, जहां से गेंदों को गिरा दिया गया था, प्रारंभिक संभावित ऊर्जा के बराबर। इससे पहले न्यूटन और वोल्टेयर सहित श्रमिकों ने सभी को माना था कि ऊर्जा (अब तक वे अवधारणा को समझती थीं) गति से अलग नहीं थीं और इसलिए वेग के लिए आनुपातिक थे। इस समझ के अनुसार, मिट्टी की विरूपण उस ऊंचाई के वर्गमूल के लिए आनुपातिक होना चाहिए था, जहां से गेंदों को गिरा दिया गया था। शास्त्रीय भौतिकी में सही सूत्र है $E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$ , कहाँ पे $E_{k}$ किसी वस्तु की गतिज ऊर्जा है, $m$ इसका द्रव्यमान और $v$ इसकी गति।इस आधार पर, डु चेटेलेट ने प्रस्ताव दिया कि ऊर्जा को हमेशा किसी भी रूप में समान आयाम होना चाहिए, जो इसे विभिन्न रूपों (काइनेटिक, संभावित, गर्मी, ...) में विचार करने में सक्षम होने के लिए आवश्यक है।^[2]^[3] जॉन स्मेटन, पीटर इवर्ट,: डी: कार्ल होल्ट्ज़मैन।इस सिद्धांत को कुछ रसायनज्ञों जैसे विलियम हाइड वोलास्टन द्वारा भी चैंपियन बनाया गया था।जॉन प्लेफेयर जैसे शिक्षाविदों को यह बताने की जल्दी थी कि गतिज ऊर्जा स्पष्ट रूप से संरक्षित नहीं है।यह थर्मोडायनामिक्स के दूसरे कानून के आधार पर एक आधुनिक विश्लेषण के लिए स्पष्ट है, लेकिन 18 वीं और 19 वीं शताब्दी में, खोई हुई ऊर्जा का भाग्य अभी भी अज्ञात था।

धीरे -धीरे यह संदेह हुआ कि घर्षण के तहत गति द्वारा उत्पन्न गर्मी अनिवार्य रूप से विवा विवा का एक और रूप था।1783 में, एंटोनी लाविसियर और पियरे-साइमन लाप्लास ने विवा विवा और कैलोरिक सिद्धांत के दो प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों की समीक्षा की।^[12]^[13] तोपों के उबाऊ के दौरान गर्मी सृजन की गिनती रमफोर्ड की 1798 टिप्पणियों ने इस दृष्टिकोण को और अधिक वजन जोड़ा कि यांत्रिक गति को गर्मी में परिवर्तित किया जा सकता है और (कि यह महत्वपूर्ण था) कि रूपांतरण मात्रात्मक था और भविष्यवाणी की जा सकती है (एक सार्वभौमिक रूपांतरण के लिए निरंतरता के लिए अनुमति दी जा सकती हैकाइनेटिक ऊर्जा और गर्मी)।विज़ विवा को तब ऊर्जा के रूप में जाना जाने लगा, इस शब्द का उपयोग पहली बार 1807 में थॉमस यंग द्वारा उस अर्थ में इस्तेमाल किया गया था।

गैपर्ड गस्टेव कोरिओलिस

विज़ विवा का पुनर्गणना

{\frac {1}{2}}\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}

जिसे काम करने के लिए गतिज ऊर्जा को परिवर्तित करने के रूप में समझा जा सकता है, बड़े पैमाने पर 1819-1839 की अवधि में गैपर्ड-गस्टेव कोरिओलिस और जीन-विक्टर पोंसेलेट का परिणाम था।पूर्व ने क्वांटिटी क्वांटिट डे ट्रैवेल (काम की मात्रा) और बाद वाले, ट्रैवेल मेकेनिक (मैकेनिकल वर्क) को कहा, और दोनों ने इंजीनियरिंग गणना में इसका उपयोग किया।

1837 में Zeitschrift Für Physik में प्रकाशित एक पेपर über डाई नेचुर डेर वेरमे (गर्मी/गर्मी की प्रकृति पर जर्मन) में, कार्ल फ्रेडरिक मोहर ने ऊर्जा के संरक्षण के सिद्धांत के शुरुआती सामान्य बयानों में से एक दिया: 54 के अलावा 54 के अलावा 54ज्ञात रासायनिक तत्व केवल भौतिक दुनिया में एक एजेंट हैं, और इसे क्राफ्ट [ऊर्जा या काम] कहा जाता है।यह प्रतीत हो सकता है, परिस्थितियों के अनुसार, गति, रासायनिक आत्मीयता, सामंजस्य, बिजली, प्रकाश और चुंबकत्व के रूप में;और इनमें से किसी एक रूप से इसे किसी भी अन्य में बदल दिया जा सकता है।

गर्मी के यांत्रिक समकक्ष

आधुनिक संरक्षण सिद्धांत के विकास में एक प्रमुख चरण गर्मी के यांत्रिक समकक्ष का प्रदर्शन था।कैलोरी सिद्धांत ने कहा कि गर्मी को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, जबकि ऊर्जा का संरक्षण इसके विपरीत सिद्धांत को स्वीकार करता है कि गर्मी और यांत्रिक कार्य विनिमेय हैं।

अठारहवीं शताब्दी के मध्य में, एक रूसी वैज्ञानिक, मिखाइल लोमोनोसोव ने अपने कॉर्पसकुलो-किनिटिक थ्योरी ऑफ हीट को पोस्ट किया, जिसने एक कैलोरी के विचार को खारिज कर दिया।अनुभवजन्य अध्ययन के परिणामों के माध्यम से, लोमोनोसोव इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि गर्मी को कैलोरी द्रव के कणों के माध्यम से स्थानांतरित नहीं किया गया था।

1798 में, काउंट रमफोर्ड (बेंजामिन थॉम्पसन) ने उबाऊ तोपों में उत्पन्न घर्षण गर्मी के माप का प्रदर्शन किया, और इस विचार को विकसित किया कि गर्मी गतिज ऊर्जा का एक रूप है;उनके माप ने कैलोरी सिद्धांत का खंडन किया, लेकिन संदेह के लिए जगह छोड़ने के लिए पर्याप्त रूप से अभेद्य थे।

जेम्स प्रेस्कॉट जूल

यांत्रिक समतुल्यता सिद्धांत को पहली बार 1842 में जर्मन सर्जन जूलियस रॉबर्ट वॉन मेयर द्वारा अपने आधुनिक रूप में कहा गया था।^[14] मेयर डच ईस्ट इंडीज के लिए एक यात्रा पर अपने निष्कर्ष पर पहुंचे, जहां उन्होंने पाया कि उनके रोगियों का रक्त एक गहरा लाल था क्योंकि वे कम ऑक्सीजन का सेवन कर रहे थे, और इसलिए कम ऊर्जा, गर्म जलवायु में अपने शरीर के तापमान को बनाए रखने के लिए।उन्होंने पाया कि गर्मी और यांत्रिक कार्य ऊर्जा के दोनों रूप थे और 1845 में, भौतिकी के अपने ज्ञान में सुधार करने के बाद, उन्होंने एक मोनोग्राफ प्रकाशित किया जिसमें उनके बीच एक मात्रात्मक संबंध कहा गया था।^[15]

गर्मी के यांत्रिक समकक्ष को मापने के लिए जूल का उपकरण।एक स्ट्रिंग से जुड़ा हुआ एक अवरोही वजन पानी में डूबे हुए एक पैडल को घुमाता है।

इस बीच, 1843 में, जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने स्वतंत्र रूप से प्रयोगों की एक श्रृंखला में यांत्रिक समकक्ष की खोज की।सबसे प्रसिद्ध में, जिसे अब जूल तंत्र कहा जाता है, एक स्ट्रिंग से जुड़ा हुआ एक अवरोही वजन पानी में डूबे हुए एक पैडल को घुमाया।उन्होंने दिखाया कि अवरोही में वजन से खो जाने वाली गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा पैडल के साथ घर्षण के माध्यम से पानी द्वारा प्राप्त आंतरिक ऊर्जा के बराबर थी।

1840-1843 की अवधि में, इंजीनियर लुडविग ए। कोल्डिंग द्वारा इसी तरह का काम किया गया था, हालांकि यह उनके मूल डेनमार्क के बाहर बहुत कम जाना जाता था।

जूल और मेयर दोनों का काम प्रतिरोध और उपेक्षा से पीड़ित था, लेकिन यह जूल का था जिसने अंततः व्यापक मान्यता को आकर्षित किया।

1844 में, विलियम रॉबर्ट ग्रोव ने यांत्रिकी, गर्मी, प्रकाश, बिजली और चुंबकत्व के बीच एक संबंध को एक एकल बल (आधुनिक शब्दों में ऊर्जा) की अभिव्यक्तियों के रूप में माना।1846 में, ग्रोव ने अपनी पुस्तक द सहसंबंध के भौतिक बलों में अपने सिद्धांतों को प्रकाशित किया।^[16] 1847 में, जूल के पहले के काम पर आकर्षित, निकोलस लेओनार्ड सैडी कार्नोट | सादी कार्नोट और émile क्लैपीरॉन, हरमन वॉन हेल्महोल्ट्ज़ ग्रोव के समान निष्कर्ष पर पहुंचे और अपनी पुस्तक में अपने सिद्धांतों को प्रकाशित किया über डाई एरहल्तुंग डेर क्राफ्ट (बल के संरक्षण पर।1847)।^[17] सिद्धांत की सामान्य आधुनिक स्वीकृति इस प्रकाशन से उपजी है।

1850 में, विलियम रैंकिन ने पहले सिद्धांत के लिए ऊर्जा के संरक्षण के कानून का उपयोग किया।^[18] 1877 में, पीटर गुथरी टैट ने दावा किया कि इस सिद्धांत की उत्पत्ति सर आइजैक न्यूटन के साथ हुई, जो कि दार्शनिक नेचुरलिस प्रिंसिपिया मैथेमेटिका के 40 और 41 प्रस्तावों के एक रचनात्मक पढ़ने पर आधारित है।यह अब व्हिग इतिहास का एक उदाहरण माना जाता है।^[19]

द्रव्यमान -ऊर्जा समतुल्यता

पदार्थ परमाणुओं से बना है और क्या परमाणु बनाता है। पदार्थ में आंतरिक या आराम द्रव्यमान होता है। उन्नीसवीं शताब्दी के मान्यता प्राप्त अनुभव की सीमित सीमा में यह पाया गया कि इस तरह के आराम द्रव्यमान का संरक्षण किया जाता है। आइंस्टीन के 1905 के विशेष सापेक्षता के सिद्धांत से पता चला है कि रेस्ट मास बाकी ऊर्जा के बराबर मात्रा से मेल खाता है। इसका मतलब यह है कि बाकी द्रव्यमान को ऊर्जा के (गैर-सामग्री) रूपों के बराबर मात्रा में या उससे परिवर्तित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए गतिज ऊर्जा, संभावित ऊर्जा और विद्युत चुम्बकीय उज्ज्वल ऊर्जा। जब ऐसा होता है, जैसा कि बीसवीं शताब्दी के अनुभव में मान्यता प्राप्त है, तो कुल द्रव्यमान या कुल ऊर्जा के विपरीत, रेस्ट मास को संरक्षित नहीं किया जाता है। ऊर्जा के सभी रूप कुल द्रव्यमान और कुल ऊर्जा में योगदान करते हैं।

उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन प्रत्येक में आराम द्रव्यमान होता है। वे एक साथ नष्ट कर सकते हैं, अपनी संयुक्त आराम ऊर्जा को फोटॉनों में परिवर्तित कर सकते हैं जिसमें विद्युत चुम्बकीय उज्ज्वल ऊर्जा होती है, लेकिन कोई आराम द्रव्यमान नहीं होता है। यदि यह एक पृथक प्रणाली के भीतर होता है जो फोटॉन या उनकी ऊर्जा को बाहरी परिवेश में जारी नहीं करता है, तो न तो कुल द्रव्यमान और न ही सिस्टम की कुल ऊर्जा बदल जाएगी। उत्पादित विद्युत चुम्बकीय उज्ज्वल ऊर्जा प्रणाली के जड़ता (और किसी भी वजन) में उतना ही योगदान देती है जितना कि उनके निधन से पहले इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन के बाकी द्रव्यमान ने किया था। इसी तरह, ऊर्जा के गैर-भौतिक रूप मामले में नष्ट हो सकते हैं, जिसमें आराम द्रव्यमान होता है।

इस प्रकार, ऊर्जा का संरक्षण (कुल, सामग्री या आराम ऊर्जा सहित), और द्रव्यमान का संरक्षण (कुल, केवल आराम नहीं) एक (समकक्ष) कानून हैं। 18 वीं शताब्दी में ये दो प्रतीत होने वाले कानूनों के रूप में दिखाई दिए थे।

बीटा क्षय में ऊर्जा का संरक्षण

1911 में यह खोज कि बीटा क्षय में उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों में एक असतत स्पेक्ट्रम के बजाय एक निरंतरता है, ऊर्जा के संरक्षण के विरोधाभास के लिए दिखाई दिया, तत्कालीन वर्तमान धारणा के तहत कि बीटा क्षय एक नाभिक से एक इलेक्ट्रॉन का सरल उत्सर्जन है।^[20]^[21] इस समस्या को अंततः 1933 में एनरिको फर्मी द्वारा हल किया गया था, जिन्होंने सही फर्मी की बातचीत का प्रस्ताव दिया था। बीटा-क्षय का वर्णन एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो दोनों के उत्सर्जन के रूप में, जो स्पष्ट रूप से लापता ऊर्जा को दूर करता है।^[22]^[23]

थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम

एक बंद थर्मोडायनामिक प्रणाली के लिए, थर्मोडायनामिक्स का पहला नियम कहा जा सकता है:

\delta Q=\mathrm {d} U+\delta W

, या समकक्ष,

\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W,

कहाँ पे $\delta Q$ एक हीटिंग प्रक्रिया द्वारा सिस्टम में जोड़ा गया ऊर्जा की मात्रा है, $\delta W$ सिस्टम द्वारा अपने परिवेश पर किए गए काम के कारण सिस्टम द्वारा खोई गई ऊर्जा की मात्रा है और $\mathrm {d} U$ सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन है।

गर्मी और काम की शर्तों से पहले the का उपयोग यह इंगित करने के लिए किया जाता है कि वे ऊर्जा की वृद्धि का वर्णन करते हैं, जिसकी तुलना में कुछ अलग तरीके से व्याख्या की जानी है $\mathrm {d} U$ आंतरिक ऊर्जा की वृद्धि (अटूट अंतर देखें)।कार्य और गर्मी प्रक्रिया के प्रकारों को संदर्भित करते हैं जो आंतरिक ऊर्जा के दौरान ऊर्जा को जोड़ते हैं या घटाते हैं, जबकि आंतरिक ऊर्जा $U$ सिस्टम की एक विशेष स्थिति की एक संपत्ति है जब यह अपरिवर्तित थर्मोडायनामिक संतुलन में होता है।इस प्रकार के लिए ऊष्मा ऊर्जा शब्द $\delta Q$ इसका मतलब है कि ऊर्जा की मात्रा को ऊर्जा के एक विशेष रूप का उल्लेख करने के बजाय हीटिंग के परिणामस्वरूप जोड़ा गया।इसी तरह, कार्य ऊर्जा के लिए काम करता है $\delta W$ इसका मतलब है कि काम के परिणामस्वरूप ऊर्जा की मात्रा खो गई।इस प्रकार एक थर्मोडायनामिक प्रणाली के पास आंतरिक ऊर्जा की मात्रा को बता सकता है जो किसी को पता है कि वर्तमान में किसी दिए गए राज्य में है, लेकिन कोई भी यह नहीं बता सकता है, बस दिए गए वर्तमान स्थिति के ज्ञान से, अतीत में कितनी ऊर्जा है या बाहर से बाहर या बाहर बहती हैसिस्टम को गर्म या ठंडा होने के परिणामस्वरूप, न ही सिस्टम द्वारा या सिस्टम द्वारा किए जाने के परिणामस्वरूप।

एन्ट्रापी एक प्रणाली की स्थिति का एक कार्य है जो काम में गर्मी के रूपांतरण की संभावना की सीमाओं के बारे में बताता है।

एक साधारण संपीड़ित प्रणाली के लिए, सिस्टम द्वारा किया गया कार्य लिखा जा सकता है:

\delta W=P\,\mathrm {d} V,

कहाँ पे $P$ दबाव है और $dV$ सिस्टम की मात्रा में एक छोटा सा परिवर्तन है, जिनमें से प्रत्येक सिस्टम चर हैं।काल्पनिक मामले में, जिसमें प्रक्रिया आदर्श और असीम रूप से धीमी होती है, इसलिए अर्ध-स्थैतिक कहा जाता है, और प्रतिवर्ती माना जाता है, तापमान के साथ तापमान के साथ एक स्रोत से एक स्रोत से स्थानांतरित किया जा रहा है, जो कि ऊष्मा ऊर्जा लिखी जा सकती है।

\delta Q=T\,\mathrm {d} S,

कहाँ पे $T$ तापमान है और $\mathrm {d} S$ सिस्टम के एन्ट्रापी में एक छोटा सा परिवर्तन है।तापमान और एन्ट्रापी एक प्रणाली की स्थिति के चर हैं।

यदि एक खुली प्रणाली (जिसमें द्रव्यमान को पर्यावरण के साथ आदान -प्रदान किया जा सकता है) में कई दीवारें होती हैं, जैसे कि बड़े पैमाने पर स्थानांतरण कठोर दीवारों के माध्यम से गर्मी और कार्य स्थानान्तरण से अलग होता है, तो पहला कानून लिखा जा सकता है^[24]

\mathrm {d} U=\delta Q-\delta W+\sum _{i}h_{i}\,dM_{i},

कहाँ पे $dM_{i}$ प्रजातियों का जोड़ा द्रव्यमान है $i$ तथा $h_{i}$ प्रति यूनिट द्रव्यमान के अनुरूप थैलेपी है।ध्यान दें कि आम तौर पर $dS\neq \delta Q/T$ इस मामले में, जैसा कि पदार्थ अपनी खुद की एन्ट्रापी करता है।बजाय, $dS=\delta Q/T+\textstyle {\sum _{i}}s_{i}\,dM_{i}$ , कहाँ पे $s_{i}$ प्रकार के प्रति यूनिट द्रव्यमान में एन्ट्रापी है $i$ , जिसमें से हम मौलिक थर्मोडायनामिक संबंध को पुनर्प्राप्त करते हैं

\mathrm {d} U=T\,dS-P\,dV+\sum _{i}\mu _{i}\,dN_{i}

क्योंकि रासायनिक क्षमता $\mu _{i}$ आंशिक दाढ़ गिब्स प्रजातियों की मुक्त ऊर्जा है $i$ और गिब्स मुक्त ऊर्जा $G\equiv H-TS$ ।

noether का प्रमेय

एमी नूथर (1882-1935) एक प्रभावशाली गणितज्ञ थे, जो अमूर्त बीजगणित और सैद्धांतिक भौतिकी में उनके ग्राउंडब्रेकिंग योगदान के लिए जाना जाता था।

कई भौतिक सिद्धांतों में ऊर्जा का संरक्षण एक सामान्य विशेषता है। एक गणितीय दृष्टिकोण से इसे नूथर के प्रमेय के परिणाम के रूप में समझा जाता है, जिसे 1915 में एमी नूथर द्वारा विकसित किया गया था और पहली बार 1918 में प्रकाशित किया गया था। प्रमेय का कहना है कि एक भौतिक सिद्धांत की प्रत्येक निरंतर समरूपता में एक संबद्ध संरक्षित मात्रा होती है; यदि सिद्धांत की समरूपता समय आक्रमण है तो संरक्षित मात्रा को ऊर्जा कहा जाता है। ऊर्जा संरक्षण कानून समय की शिफ्ट समरूपता का परिणाम है; ऊर्जा संरक्षण अनुभवजन्य तथ्य से निहित है कि भौतिकी के नियम समय के साथ नहीं बदलते हैं। दार्शनिक रूप से यह कहा जा सकता है क्योंकि कुछ भी प्रति समय समय पर निर्भर नहीं करता है। दूसरे शब्दों में, यदि भौतिक प्रणाली समय अनुवाद की निरंतर समरूपता के तहत अपरिवर्तनीय है, तो इसकी ऊर्जा (जो समय के लिए विहित संयुग्म मात्रा है) संरक्षित है। इसके विपरीत, सिस्टम जो समय में बदलाव के तहत अपरिवर्तनीय नहीं हैं (जैसे समय-निर्भर संभावित ऊर्जा के साथ सिस्टम) ऊर्जा & nbsp के संरक्षण का प्रदर्शन नहीं करते हैं;-जब तक हम उन्हें दूसरे के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करने के लिए विचार नहीं करते हैं, एक बाहरी प्रणाली ताकि बढ़े हुए प्रणाली का सिद्धांत फिर से समय-समय पर आने वाला हो जाता है। परिमित प्रणालियों के लिए ऊर्जा का संरक्षण फ्लैट स्पेस-टाइम में विशेष सापेक्षता और क्वांटम सिद्धांत (क्यूईडी सहित) जैसे भौतिक सिद्धांतों में मान्य है।

सापेक्षता

हेनरी पोइंकेरे और अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा विशेष सापेक्षता की खोज के साथ, ऊर्जा को एक चार-एमोमेंटम के एक घटक के रूप में प्रस्तावित किया गया था। ऊर्जा-मोमेंटम 4-वेक्टर। इस वेक्टर के चार घटकों (ऊर्जा में से एक और गति में से एक) में से प्रत्येक को किसी भी बंद प्रणाली में समय के साथ अलग -अलग संरक्षित किया जाता है, जैसा कि किसी भी दिए गए जड़त्वीय संदर्भ फ्रेम से देखा जाता है। इसके अलावा संरक्षित वेक्टर लंबाई (मिंकोव्स्की नॉर्म) है, जो एकल कणों के लिए बाकी द्रव्यमान है, और कणों की प्रणालियों के लिए अपरिवर्तनीय द्रव्यमान (जहां लंबाई की गणना से पहले क्षण और ऊर्जा को अलग से अभिव्यक्त किया जाता है)।

एक बड़े पैमाने पर कण की सापेक्ष ऊर्जा में गति की गतिज ऊर्जा के अलावा इसके आराम द्रव्यमान से संबंधित एक शब्द होता है। एक विशाल कण के शून्य गतिज ऊर्जा (या बाकी फ्रेम में समतुल्य) की सीमा में, या वस्तुओं या प्रणालियों के लिए गति फ्रेम के केंद्र में जो गतिज ऊर्जा को बनाए रखते हैं, एक कण या वस्तु की कुल ऊर्जा (आंतरिक गतिज ऊर्जा सहित) सिस्टम में) बाकी द्रव्यमान या अपरिवर्तनीय द्रव्यमान के लिए आनुपातिक है, जैसा कि प्रसिद्ध समीकरण द्वारा वर्णित है $E=mc^{2}$ ।

इस प्रकार, विशेष सापेक्षता में समय के साथ ऊर्जा के संरक्षण का नियम जारी है, इसलिए जब तक कि पर्यवेक्षक का संदर्भ फ्रेम अपरिवर्तित है। यह प्रणालियों की कुल ऊर्जा पर लागू होता है, हालांकि विभिन्न पर्यवेक्षक ऊर्जा मूल्य के रूप में असहमत हैं। सभी पर्यवेक्षकों के लिए भी संरक्षित, और अपरिवर्तनीय, अपरिवर्तनीय द्रव्यमान है, जो न्यूनतम प्रणाली द्रव्यमान और ऊर्जा है जिसे किसी भी पर्यवेक्षक द्वारा देखा जा सकता है, और जिसे ऊर्जा -एमेंटम संबंध द्वारा परिभाषित किया गया है।

सामान्य सापेक्षता में, कुछ विशेष मामलों को छोड़कर ऊर्जा-एमेंटम संरक्षण अच्छी तरह से परिभाषित नहीं है। ऊर्जा-मोमेंटम आमतौर पर एक तनाव-ऊर्जा-एमेंटम स्यूडोटेंसर की सहायता से व्यक्त किया जाता है। हालांकि, चूंकि स्यूडोटेंसर्स टेन्सर नहीं हैं, इसलिए वे संदर्भ फ्रेम के बीच साफ -सफाई नहीं करते हैं। यदि विचाराधीन मीट्रिक स्थिर है (यानी, समय के साथ नहीं बदलता है) या एसिम्प्टोटिक रूप से फ्लैट (यानी, एक अनंत दूरी पर स्पेसटाइम खाली दिखता है), तो ऊर्जा संरक्षण प्रमुख नुकसान के बिना होता है। व्यवहार में, कुछ मैट्रिक्स जैसे कि फ्रीडमैन -लेमा -रोबर्ट्सन -वल्कर मीट्रिक इन बाधाओं को संतुष्ट नहीं करते हैं और ऊर्जा संरक्षण को अच्छी तरह से परिभाषित नहीं किया गया है।^[25] सामान्य सापेक्षता का सिद्धांत यह सवाल खोलता है कि क्या पूरे ब्रह्मांड के लिए ऊर्जा का संरक्षण है।

क्वांटम थ्योरी

क्वांटम यांत्रिकी में, एक क्वांटम सिस्टम की ऊर्जा का वर्णन एक स्व-एडजॉइंट ऑपरेटर द्वारा किया गया है। स्व-एडजॉइंट (या हर्मिटियन) ऑपरेटर जिसे हैमिल्टनियन कहा जाता है, जो सिस्टम के हिल्बर्ट स्पेस (या वेव फ़ंक्शंस का एक स्थान) पर कार्य करता है। यदि हैमिल्टन एक समय-स्वतंत्र ऑपरेटर है, तो माप परिणाम की उद्भव संभावना प्रणाली के विकास पर समय में नहीं बदलती है। इस प्रकार ऊर्जा की अपेक्षा मूल्य भी स्वतंत्र है। क्वांटम फील्ड थ्योरी में स्थानीय ऊर्जा संरक्षण क्वांटम नूथर के प्रमेय द्वारा ऊर्जा-एमेंटम टेंसर ऑपरेटर के लिए सुनिश्चित किया जाता है। क्वांटम थ्योरी में (यूनिवर्सल) टाइम ऑपरेटर की कमी के कारण, समय और ऊर्जा के लिए अनिश्चितता संबंध स्थिति-मोमेंटम अनिश्चितता सिद्धांत के विपरीत मौलिक नहीं हैं, और केवल विशिष्ट मामलों में रखते हैं (अनिश्चितता सिद्धांत देखें)। प्रत्येक निश्चित समय पर ऊर्जा सिद्धांत रूप में समय-ऊर्जा अनिश्चितता संबंधों द्वारा मजबूर सटीकता में किसी भी व्यापार-बंद के बिना बिल्कुल मापा जा सकता है। इस प्रकार समय में ऊर्जा का संरक्षण क्वांटम यांत्रिकी में भी एक अच्छी तरह से परिभाषित अवधारणा है।

यह भी देखें

ऊर्जा की गुणवत्ता
ऊर्जा परिवर्तन
दुनिया की अनंत काल
लैग्रैन्जियन मैकेनिक्स
थर्मोडायनामिक्स के नियम
शून्य-ऊर्जा ब्रह्मांड

संदर्भ

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