ऊर्जा संरक्षण

हनभौतिकी और रसायन विज्ञान में, ऊर्जा के संरक्षण के नियम में कहा गया है कि एक पृथक प्रणाली की कुल ऊर्जा स्थिर रहती है; कहा जाता है कि इसे समय के साथ संरक्षित किया जाता है। यह कानून, पहली बार एमिली डु चेटेलेट द्वारा प्रस्तावित और परीक्षण किया गया, का अर्थ है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है; बल्कि, इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में रूपांतरित या स्थानांतरित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, डायनामाइट की एक छड़ी फटने पर रासायनिक ऊर्जा गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यदि कोई विस्फोट में छोड़ी गई ऊर्जा के सभी रूपों को जोड़ता है, जैसे गतिज ऊर्जा और टुकड़ों की संभावित ऊर्जा, साथ ही गर्मी और ध्वनि, तो डायनामाइट के द में रासायनिक ऊर्जा की सटीक कमी प्राप्त होगी।

शास्त्रीय रूप से, ऊर्जा का संरक्षण द्रव्यमान के संरक्षण से अलग था। हालांकि, विशेष सापेक्षता ने दिखाया कि द्रव्यमान ऊर्जा से संबंधित है और इसके विपरीत E = mc ² है, और विज्ञान अब यह मानता है कि द्रव्यमान-ऊर्जा समग्र रूप से संरक्षित है। सैद्धांतिक रूप से, इसका तात्पर्य यह है कि द्रव्यमान वाली कोई भी वस्तु स्वयं शुद्ध ऊर्जा में परिवर्तित हो सकती है, और इसके विपरीत। हालांकि ऐसा माना जाता है कि यह केवल सबसे चरम भौतिक परिस्थितियों में ही संभव है, जैसे कि बिग बैंग के तुरंत बाद ब्रह्मांड में मौजूद होने की संभावना है या जब ब्लैक होल हॉकिंग विकिरण उत्सर्जित करते हैं।

निरंतर समय अनुवाद समरूपता के परिणाम के रूप में नोएदर के प्रमेय द्वारा ऊर्जा के संरक्षण को कड़ाई से सिद्ध किया जा सकता है; यानी इस तथ्य से कि भौतिकी के नियम समय के साथ नहीं बदलते हैं।

ऊर्जा के संरक्षण के नियम का एक परिणाम यह है कि पहली तरह की एक सतत गति मशीन मौजूद नहीं हो सकती है, यानी बाहरी ऊर्जा आपूर्ति के बिना कोई भी प्रणाली अपने परिवेश में असीमित मात्रा में ऊर्जा नहीं पहुंचा सकती है। उन प्रणालियों के लिए जिनमें समय अनुवाद समरूपता नहीं है, ऊर्जा के संरक्षण को परिभाषित करना संभव नहीं हो सकता है। उदाहरणों में सामान्य सापेक्षता में घुमावदार स्पेसटाइम या संघनित पदार्थ भौतिकी में समय क्रिस्टल शामिल हैं।

इतिहास

थेल्स ऑफ़ मिलेटस के रूप में प्राचीन दार्शनिक c. 550 ईसा पूर्व में कुछ अंतर्निहित पदार्थ के संरक्षण के संकेत थे जिनसे सब कुछ बना है। हालांकि, आज हम जिसे "द्रव्यमान-ऊर्जा" के रूप में जानते हैं, उनके सिद्धांतों की पहचान करने का कोई विशेष कारण नहीं है (उदाहरण के लिए, थेल्स ने सोचा कि यह पानी था)। एम्पेडोकल्स (490-430 ईसा पूर्व) ने लिखा है कि चार जड़ों (पृथ्वी, वायु, जल, अग्नि) से बनी उनकी सार्वभौमिक प्रणाली में, "कुछ भी नहीं आता या नष्ट नहीं होता"; इसके बजाय, इन तत्वों को निरंतर पुनर्व्यवस्था का सामना करना पड़ता है। एपिकुरस ( c. 350 ईसा पूर्व) दूसरी ओर ब्रह्मांड में सब कुछ पदार्थ की अविभाज्य इकाइयों से बना माना जाता है - 'परमाणु' के प्राचीन अग्रदूत - और उन्हें भी संरक्षण की आवश्यकता के बारे में कुछ विचार था, जिसमें कहा गया था कि "चीजों का कुल योग था हमेशा वैसा ही जैसा अभी है, और ऐसा ही रहेगा।"

File:Gottfried Wilhelm Leibniz.jpg

गॉटफ्राइड लाइबनिज़ो

1605 में, साइमन स्टीविनस इस सिद्धांत के आधार पर सांख्यिकी में कई समस्याओं को हल करने में सक्षम था कि सतत गति असंभव थी।

1639 में, गैलीलियो ने कई स्थितियों के अपने विश्लेषण को प्रकाशित किया - जिसमें प्रसिद्ध "बाधित पेंडुलम" भी शामिल है - जिसे (आधुनिक भाषा में) रूढ़िवादी रूप से संभावित ऊर्जा को गतिज ऊर्जा में परिवर्तित करने और फिर से वापस करने के रूप में वर्णित किया जा सकता है। अनिवार्य रूप से, उन्होंने बताया कि एक गतिमान पिंड जिस ऊंचाई से गिरता है, वह उस ऊंचाई के बराबर होता है जिससे वह गिरता है, और इस अवलोकन का उपयोग जड़ता के विचार का अनुमान लगाने के लिए किया। इस अवलोकन का उल्लेखनीय पहलू यह है कि एक गतिमान पिंड जिस ऊंचाई तक घर्षण रहित सतह पर चढ़ता है, वह सतह के आकार पर निर्भर नहीं करता है।

File:Daniel Bernoulli 001.jpg

डेनियल बर्नौली

1669 में, क्रिस्टियान ह्यूजेंस ने टकराव के अपने नियमों को प्रकाशित किया। पिंडों के टकराने से पहले और बाद में अपरिवर्तनीय होने के रूप में उन्होंने जिन मात्राओं को सूचीबद्ध किया, उनमें उनके रैखिक गति के योग के साथ-साथ उनकी गतिज ऊर्जाओं का योग भी शामिल था। हालांकि, लोचदार और बेलोचदार टक्कर के बीच का अंतर उस समय समझ में नहीं आया था। इससे बाद के शोधकर्ताओं के बीच विवाद पैदा हो गया कि इनमें से कौन सी संरक्षित मात्रा अधिक मौलिक थी। अपने होरोलोगियम ऑसिलेटोरियम में, उन्होंने एक गतिमान पिंड की चढ़ाई की ऊंचाई के बारे में बहुत स्पष्ट बयान दिया, और इस विचार को सतत गति की असंभवता से जोड़ा। पेंडुलम गति की गतिशीलता का ह्यूजेंस का अध्ययन एक ही सिद्धांत पर आधारित था: कि एक भारी वस्तु का गुरुत्वाकर्षण केंद्र खुद को नहीं उठा सकता है।

यह 1676-1689 के दौरान लाइबनिज़ थे जिन्होंने पहली बार गति (गतिज ऊर्जा) से जुड़ी ऊर्जा के गणितीय सूत्रीकरण का प्रयास किया था। टक्कर पर हाइजेन्स के कार्य का उपयोग करते हुए, लाइबनिज़ ने देखा कि कई यांत्रिक प्रणालियों में (कई द्रव्यमानों में, प्रत्येक में वेग v _{i के} साथ),

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

तब तक संरक्षित किया गया था जब तक कि जनता आपस में बातचीत नहीं करती थी। उन्होंने इस मात्रा को सिस्टम की विस वाइवा या जीवित शक्ति कहा। यह सिद्धांत उन स्थितियों में गतिज ऊर्जा के अनुमानित संरक्षण के सटीक विवरण का प्रतिनिधित्व करता है जहां कोई घर्षण नहीं होता है। उस समय के कई भौतिकविदों, जैसे न्यूटन, ने माना कि संवेग का संरक्षण, जो कि घर्षण के साथ प्रणालियों में भी होता है, जैसा कि संवेग द्वारा परिभाषित किया गया है:

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

वाइवा संरक्षित था। बाद में यह दिखाया गया कि लोचदार टकराव जैसी उचित परिस्थितियों को देखते हुए दोनों मात्राओं को एक साथ संरक्षित किया जाता है।

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

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

महाद्वीपीय भौतिकविदों द्वारा विज़ वाइवा पर इस फोकस ने अंततः यांत्रिकी को नियंत्रित करने वाले स्थिरता सिद्धांतों की खोज की, जैसे डी'अलेम्बर्ट के सिद्धांत, लैग्रेंजियन और यांत्रिकी के हैमिल्टनियन फॉर्मूलेशन।

एमिली डू चेटेलेट (1706-1749) ने संवेग से अलग, कुल ऊर्जा के संरक्षण की परिकल्पना का प्रस्ताव और परीक्षण किया। गॉटफ्रीड लाइबनिज़ के सिद्धांतों से प्रेरित होकर, उन्होंने 1722 में मूल रूप से विलेम के ग्रेवेसंडे द्वारा तैयार किए गए एक प्रयोग को दोहराया और प्रचारित किया जिसमें गेंदों को विभिन्न ऊंचाइयों से नरम मिट्टी की शीट में गिरा दिया गया था। प्रत्येक गेंद की गतिज ऊर्जा - जैसा कि विस्थापित सामग्री की मात्रा से संकेत मिलता है - को वेग के वर्ग के समानुपाती दिखाया गया। मिट्टी का विरूपण उस ऊंचाई के सीधे आनुपातिक पाया गया जहां से गेंदों को गिराया गया था, प्रारंभिक संभावित ऊर्जा के बराबर। न्यूटन और वोल्टेयर सहित पहले के सभी श्रमिकों का मानना था कि "ऊर्जा" (जहां तक वे अवधारणा को बिल्कुल भी समझते हैं) गति से अलग नहीं थी और इसलिए वेग के समानुपाती थी। इस समझ के अनुसार, मिट्टी का विरूपण उस ऊंचाई के वर्गमूल के समानुपाती होना चाहिए जिससे गेंदें गिराई गई थीं। 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 प्रस्तावित किया कि ऊर्जा का हमेशा किसी भी रूप में समान आयाम होना चाहिए, जो इसे विभिन्न रूपों (गतिज, क्षमता, गर्मी, . . . )

जॉन स्मेटन, पीटर इवार्ट, कार्ल होल्ट्ज़मैन, गुस्ताव-एडोल्फ हिरन और मार्क सेगुइन जैसे इंजीनियरों ने माना कि केवल संवेग का संरक्षण व्यावहारिक गणना के लिए पर्याप्त नहीं था और लाइबनिज़ के सिद्धांत का उपयोग किया। विलियम हाइड वोलास्टन जैसे कुछ रसायनज्ञों ने भी इस सिद्धांत का समर्थन किया था। जॉन प्लेफेयर जैसे शिक्षाविदों ने यह इंगित करने के लिए जल्दी किया कि गतिज ऊर्जा स्पष्ट रूप से संरक्षित नहीं है। ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम पर आधारित एक आधुनिक विश्लेषण के लिए यह स्पष्ट है, लेकिन 18वीं और 19वीं शताब्दी में, खोई हुई ऊर्जा का भाग्य अभी भी अज्ञात था।

धीरे-धीरे यह संदेह होने लगा कि घर्षण के तहत गति से अनिवार्य रूप से उत्पन्न गर्मी विज़ वाइवा का दूसरा रूप है। 1783 में, एंटोनी लावोज़ियर और पियरे-साइमन लाप्लास ने विवा और कैलोरी सिद्धांत के दो प्रतिस्पर्धी सिद्धांतों की समीक्षा की। काउंट रमफोर्ड की 1798 में तोपों की बोरिंग के दौरान गर्मी पैदा करने की टिप्पणियों ने इस विचार को और अधिक वजन दिया कि यांत्रिक गति को गर्मी में परिवर्तित किया जा सकता है और (यह महत्वपूर्ण था) कि रूपांतरण मात्रात्मक था और भविष्यवाणी की जा सकती थी (एक सार्वभौमिक रूपांतरण की अनुमति देता है) गतिज ऊर्जा और ऊष्मा के बीच स्थिर)। 1807 में थॉमस यंग द्वारा इस अर्थ में पहली बार इस्तेमाल किए जाने के बाद विस वाइवा को ऊर्जा के रूप में जाना जाने लगा।

$\frac{1}{2}\underset{i}{\sum <!--\; \sum \; -->}{m}_i$