Lov om energibesparelse: definition, formel, afledning (med eksempler)

Fordi fysik er studiet af, hvordan stof og energi flyder,lov om energibesparelseer en nøgleide til at forklare alt, hvad en fysiker studerer, og den måde, hvorpå han eller hun går omkring med at studere det.

Fysik handler ikke om at huske enheder eller ligninger, men om en ramme, der styrer, hvordan alle partikler opfører sig, selvom lighederne ikke er tydelige med det samme.

​Den første lov om termodynamiker en omformulering af denne energibesparelseslov med hensyn til varmeenergi:intern energiaf et system skal svare til det samlede arbejde, der er udført på systemet plus eller minus varmen, der strømmer ind i eller ud af systemet.

Et andet velkendt konserveringsprincip i fysik er loven om bevarelse af masse; som du vil opdage, er disse to bevaringslove - og du vil også blive introduceret til to andre her - tættere beslægtede end det, der ser ud til øjet (eller hjernen).

Enhver undersøgelse af universelle fysiske principper bør støttes af en gennemgang af de tre grundlæggende bevægelseslove, hamret i form af Isaac Newton for hundreder af år siden. Disse er:

• ​Første bevægelseslov (inertiloven):Et objekt med konstant hastighed (eller i hvile, hvor v = 0) forbliver i denne tilstand, medmindre en ubalanceret ekstern kraft virker for at forstyrre den.
• ​Anden lov om bevægelse:En nettokraft (F_net) virker for at fremskynde genstande med masse (m). Acceleration (a) er hastigheden for hastighedsændring (v).
• ​Tredje lov om bevægelse:For hver kraft i naturen findes der en kraft, der er lige stor og modsat i retning.

Lovene om bevarelse i fysik finder anvendelse på matematisk perfektion i kun virkelig isolerede systemer. I hverdagen er sådanne scenarier sjældne. Fire konserverede mængder ermasse​, ​energi​, ​momentumogvinkelmoment. De sidste tre af disse falder inden for mekanikens rækkevidde.

​Masseer bare mængden af ​​noget, og når det ganges med den lokale acceleration på grund af tyngdekraften, er resultatet vægt. Masse kan ikke mere ødelægges eller skabes fra bunden, end energi kan.

​Momentumer produktet af et objekts masse og dets hastighed (m ·v). I et system med to eller flere kolliderende partikler er systemets samlede momentum (individets sum genstandens momenta) ændres aldrig, så længe der ikke er friktionstab eller interaktioner med eksterne kroppe.

​Vinkelmoment​ (​L) er netop momentum omkring en akse for et roterende objekt og er lig med m ·v · r, hvor r er afstanden fra objektet til rotationsaksen.

​Energivises i mange former, nogle mere nyttige end andre. Varme, i hvilken form al energi i sidste ende er bestemt til at eksistere, er den mindst nyttige med hensyn til at bruge den til nyttigt arbejde og er normalt et produkt.

Loven om bevarelse af energi kan skrives:

hvor KE =kinetisk energi= (1/2) mv², PE =potentiel energi(svarer til mgh når tyngdekraften er den eneste kraft, der virker, men ses i andre former), IE = intern energi og E = total energi = en konstant.

• Isolerede systemer kan have mekanisk energi konverteret til varmeenergi inden for deres grænser; du kan definere et "system" til enhver opsætning, du vælger, så længe du kan være sikker på dets fysiske egenskaber. Dette overtræder ikke bevarelsen af ​​energiloven.

Al energien i universet opstod fra Big Bang, og den samlede mængde energi kan ikke ændre sig. I stedet observerer vi energiskiftende former kontinuerligt, fra kinetisk energi (energi til bevægelse) til varmeenergi, fra kemisk energi til elektrisk energi, fra tyngdepotentialenergi til mekanisk energi og så videre.

Varme er en særlig type energi (termisk energi) ved, at det som bemærket er mindre nyttigt for mennesker end andre former.

Dette betyder, at når en del af energien i et system er omdannet til varme, kan det ikke så let returneres til en mere nyttig form uden input af yderligere arbejde, som tager yderligere energi.

Den voldsomme mængde strålende energi, solen udsender hvert sekund og kan aldrig på nogen måde genvinde eller genbruge et stående testamente til denne virkelighed, der konstant udfolder sig over hele galaksen og universet som en hel. Noget af denne energi "fanges" i biologiske processer på Jorden, herunder fotosyntese i planter, der fremstiller deres egen mad samt leverer mad (energi) til dyr og bakterier, og snart.

Det kan også fanges af produkter fra human engineering, såsom solceller.

Gymnasiumfysikstuderende bruger typisk cirkeldiagrammer eller søjlediagrammer til at vise den samlede energi i det undersøgte system og til at spore dets ændringer.

Fordi den samlede mængde energi i kagen (eller summen af ​​bjælkenes højder) ikke kan ændre sig, er forskellen i skiver eller stregkategorier viser, hvor meget af den samlede energi på et givet tidspunkt er en eller anden form for energi.

I et scenario kan forskellige diagrammer vises på forskellige punkter for at spore disse ændringer. Bemærk f.eks., At mængden af ​​termisk energi næsten altid stiger, hvilket repræsenterer affald i de fleste tilfælde.

For eksempel, hvis du kaster en kugle i en vinkel på 45 grader, er al sin energi oprindeligt kinetisk (fordi h = 0), og så på det punkt, hvor bolden når sit højeste punkt, er dens potentielle energi som en andel af den samlede energi højest.

Både når det stiger, og når det efterfølgende falder, omdannes noget af dets energi til varme som et resultat af friktionskræfter fra luft, så KE + PE forbliver ikke konstant i hele dette scenarie, men falder i stedet, mens den samlede energi E stadig forbliver konstant.

(Indsæt nogle eksempler på diagrammer med cirkeldiagram / søjlediagrammer, der sporer energiforandringer

Hvis du holder en 1,5 kg bowlingkugle fra et tag 100 m (ca. 30 etager) over jorden, kan du beregne dens potentielle energi i betragtning af at værdien afg = 9,8 m / s²og PE = mgh:

Hvis du slipper bolden, stiger dens nul kinetiske energi mere og hurtigere, når bolden falder og accelererer. I det øjeblik det når jorden, skal KE være lig med værdien af ​​PE i begyndelsen af ​​problemet eller 1.470 J. I dette øjeblik,

Under forudsætning af intet energitab på grund af friktion giver konservering af mekanisk energi dig mulighed for at beregnev, som viser sig at være44,3 m / s.​

Fysikstuderende kan være forvirrede af de berømtemasse-energi​ ​ligning​ (​E = mc²) og spekulerer på, om det er i modstrid med loven ombevarelse af energi(ellerbevarelse af masse), da det indebærer, at masse kan konverteres til energi og omvendt.

Det overtræder faktisk ikke nogen af ​​lovene, fordi det viser, at masse og energi faktisk er forskellige former for den samme ting. Det er som at måle dem i forskellige enheder i betragtning af de forskellige krav til klassiske og kvantemekaniske situationer.

I universets varmedød vil termen ifølge den tredje lov om termodynamik være omdannet til termisk energi. Når denne energikonvertering er afsluttet, kan der ikke forekomme flere transformationer, i det mindste ikke uden en anden hypotetisk entalshændelse som Big Bang.

En "evig bevægelsesmaskine" (f.eks. Et pendul, der svinger med samme timing og fejer uden nogensinde at bremse) på Jorden er umulig på grund af luftmodstand og tilhørende energitab. For at holde gizmo i gang ville det kræve et input af eksternt arbejde på et tidspunkt og dermed besejre formålet.