Νόμος διατήρησης της ενέργειας: Ορισμός, τύπος, παράγωγο (με παραδείγματα)

Επειδή η φυσική είναι η μελέτη του πώς η ύλη και η ενέργεια ρέουν, τονόμος για τη διατήρηση της ενέργειαςείναι μια βασική ιδέα να εξηγήσουμε τα πάντα που μελετά ένας φυσικός και τον τρόπο με τον οποίο μελετά τη μελέτη του.

Η φυσική δεν αφορά την απομνημόνευση μονάδων ή εξισώσεων, αλλά για ένα πλαίσιο που διέπει τον τρόπο συμπεριφοράς όλων των σωματιδίων, ακόμη και αν οι ομοιότητες δεν είναι εμφανείς με μια ματιά.

​Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικήςείναι μια αναδιατύπωση αυτού του νόμου για την εξοικονόμηση ενέργειας όσον αφορά τη θερμική ενέργεια: Τοεσωτερική ενέργειαενός συστήματος πρέπει να ισούται με το σύνολο όλων των εργασιών που έχουν γίνει στο σύστημα, συν ή πλην της θερμότητας που ρέει μέσα ή έξω από το σύστημα.

Μια άλλη γνωστή αρχή διατήρησης στη φυσική είναι ο νόμος της διατήρησης της μάζας. όπως θα ανακαλύψετε, αυτοί οι δύο νόμοι διατήρησης - και θα σας γνωρίσουν και άλλοι δύο - σχετίζονται περισσότερο από ό, τι συναντά το μάτι (ή τον εγκέφαλο).

Οποιαδήποτε μελέτη των καθολικών φυσικών αρχών θα πρέπει να υποστηρίζεται από μια ανασκόπηση των τριών βασικών νόμων κίνησης, σφυρηλατημένη από τον Isaac Newton πριν από εκατοντάδες χρόνια. Αυτά είναι:

• ​Πρώτος νόμος κίνησης (νόμος της αδράνειας):Ένα αντικείμενο με σταθερή ταχύτητα (ή σε ηρεμία, όπου v = 0) παραμένει σε αυτήν την κατάσταση, εκτός εάν μια εξισορροπημένη εξωτερική δύναμη ενεργεί για να το διαταράξει.
• ​Δεύτερος νόμος κίνησης:Μια καθαρή δύναμη (F_καθαρά) ενεργεί για την επιτάχυνση αντικειμένων με μάζα (m). Η επιτάχυνση (a) είναι ο ρυθμός μεταβολής της ταχύτητας (v).
• ​Τρίτος νόμος κίνησης:Για κάθε δύναμη στη φύση, υπάρχει μια δύναμη ίση σε μέγεθος και αντίθετη προς την κατεύθυνση.

Οι νόμοι της διατήρησης στη φυσική εφαρμόζονται στη μαθηματική τελειότητα μόνο σε πραγματικά απομονωμένα συστήματα. Στην καθημερινή ζωή, τέτοια σενάρια είναι σπάνια. Τέσσερις διατηρημένες ποσότητες είναιμάζα​, ​ενέργεια​, ​ορμήκαιστροφορμή. Τα τελευταία τρία από αυτά εμπίπτουν στο πεδίο της μηχανικής.

​Μάζαείναι απλώς το ποσό της ύλης του κάτι, και όταν πολλαπλασιάζεται με την τοπική επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας, το αποτέλεσμα είναι το βάρος. Η μάζα δεν μπορεί πλέον να καταστραφεί ή να δημιουργηθεί από το μηδέν από ότι μπορεί η ενέργεια.

​Ορμήείναι το προϊόν της μάζας ενός αντικειμένου και της ταχύτητάς του (m ·β). Σε ένα σύστημα δύο ή περισσοτέρων συγκρουόμενων σωματιδίων, η συνολική ορμή του συστήματος (το άθροισμα του ατόμου momenta των αντικειμένων) δεν αλλάζει ποτέ εφ 'όσον δεν υπάρχουν απώλειες τριβής ή αλληλεπιδράσεις με εξωτερικά σώματα.

​Στροφορμή​ (​μεγάλο) είναι ακριβώς η ορμή για έναν άξονα περιστρεφόμενου αντικειμένου και ισούται με m ·v · r, όπου r είναι η απόσταση από το αντικείμενο έως τον άξονα περιστροφής.

​Ενέργειαεμφανίζεται σε πολλές μορφές, μερικές πιο χρήσιμες από άλλες. Η θερμότητα, η μορφή με την οποία προορίζεται τελικά να υπάρξει όλη η ενέργεια, είναι η λιγότερο χρήσιμη όσον αφορά τη χρήση της σε χρήσιμη εργασία και είναι συνήθως προϊόν.

Μπορεί να γραφτεί ο νόμος για τη διατήρηση της ενέργειας:

όπου KE =κινητική ενέργεια= (1/2) μβ², PE =δυναμική ενέργεια(ίσο με mσολh όταν η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που ενεργεί, αλλά φαίνεται σε άλλες μορφές), IE = εσωτερική ενέργεια και E = συνολική ενέργεια = μια σταθερά.

• Τα απομονωμένα συστήματα μπορούν να μετατρέψουν τη μηχανική ενέργεια σε θερμική ενέργεια εντός των ορίων τους. Μπορείτε να ορίσετε ένα "σύστημα" για κάθε ρύθμιση που θα επιλέξετε, αρκεί να είστε σίγουροι για τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Αυτό δεν παραβιάζει τη νομοθεσία για τη διατήρηση της ενέργειας.

Όλη η ενέργεια στο σύμπαν προήλθε από το Big Bang, και αυτή η συνολική ποσότητα ενέργειας δεν μπορεί να αλλάξει. Αντ 'αυτού, παρατηρούμε συνεχώς μεταβαλλόμενες μορφές ενέργειας, από κινητική ενέργεια (ενέργεια κίνησης) σε θερμική ενέργεια, από τη χημική ενέργεια στην ηλεκτρική ενέργεια, από τη βαρυτική δυναμική ενέργεια στη μηχανική ενέργεια και ούτω καθεξής.

Η θερμότητα είναι ένας ειδικός τύπος ενέργειας (θερμική ενέργεια) σε αυτό, όπως σημειώνεται, είναι λιγότερο χρήσιμο για τους ανθρώπους από άλλες μορφές.

Αυτό σημαίνει ότι όταν ένα μέρος της ενέργειας ενός συστήματος μετατραπεί σε θερμότητα, δεν μπορεί να επιστραφεί τόσο εύκολα σε μια πιο χρήσιμη μορφή χωρίς την εισαγωγή πρόσθετης εργασίας, η οποία απαιτεί επιπλέον ενέργεια.

Η άγρια ​​ποσότητα ακτινοβολούσας ενέργειας που εκπέμπει ο ήλιος κάθε δευτερόλεπτο και δεν μπορεί ποτέ να γίνει ανάκτηση ή επαναχρησιμοποίηση μια μόνιμη απόδειξη αυτής της πραγματικότητας, η οποία ξεδιπλώνεται συνεχώς σε όλο τον γαλαξία και το σύμπαν ως ολόκληρος. Μέρος αυτής της ενέργειας «συλλαμβάνεται» σε βιολογικές διεργασίες στη Γη, συμπεριλαμβανομένης της φωτοσύνθεσης στο φυτά, τα οποία φτιάχνουν τα δικά τους τρόφιμα καθώς και την παροχή τροφής (ενέργεια) για ζώα και βακτήρια, και σύντομα.

Μπορεί επίσης να συλληφθεί από προϊόντα ανθρώπινης μηχανικής, όπως ηλιακά κύτταρα.

Οι μαθητές φυσικής γυμνασίου χρησιμοποιούν συνήθως γραφήματα πίτας ή ραβδόγραμμα για να δείξουν τη συνολική ενέργεια του υπό μελέτη συστήματος και να παρακολουθήσουν τις αλλαγές του.

Επειδή η συνολική ποσότητα ενέργειας στην πίτα (ή το άθροισμα των υψών των ράβδων) δεν μπορεί να αλλάξει, η διαφορά σε οι φέτες ή οι κατηγορίες ράβδων καταδεικνύουν πόση από τη συνολική ενέργεια σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο είναι μια μορφή ενέργειας ή άλλη.

Σε ένα σενάριο, ενδέχεται να εμφανίζονται διαφορετικά γραφήματα σε διαφορετικά σημεία για την παρακολούθηση αυτών των αλλαγών. Για παράδειγμα, σημειώστε ότι η ποσότητα της θερμικής ενέργειας αυξάνεται σχεδόν πάντα, αντιπροσωπεύοντας τα απόβλητα στις περισσότερες περιπτώσεις.

Για παράδειγμα, εάν ρίξετε μια μπάλα υπό γωνία 45 μοιρών, αρχικά όλη η ενέργειά της είναι κινητική (επειδή h = 0) και τότε στο σημείο στο οποίο η μπάλα φτάνει στο υψηλότερο σημείο της, η δυνητική της ενέργεια ως μερίδιο της συνολικής ενέργειας είναι ύψιστος.

Τόσο όσο ανεβαίνει όσο και στη συνέχεια πέφτει, μέρος της ενέργειας του μετατρέπεται σε θερμότητα ως αποτέλεσμα δυνάμεων τριβής από αέρα, οπότε το KE + PE δεν παραμένει σταθερό σε αυτό το σενάριο, αλλά αντίθετα μειώνεται ενώ η συνολική ενέργεια E παραμένει σταθερή.

(Εισαγάγετε μερικά παραδείγματα διαγραμμάτων με γραφήματα πίτας / ράβδου που παρακολουθούν τις ενεργειακές αλλαγές

Εάν κρατάτε μια μπάλα μπόουλινγκ 1,5 κιλών από μια ταράτσα 100 μ. (Περίπου 30 ορόφους) πάνω από το έδαφος, μπορείτε να υπολογίσετε την πιθανή ενέργειά της δεδομένου ότι η τιμή τουg = 9,8 m / s²και PE = mσολω:

Εάν απελευθερώσετε τη μπάλα, η μηδενική κινητική της ενέργεια αυξάνεται όλο και πιο γρήγορα καθώς η μπάλα πέφτει και επιταχύνεται. Μόλις φτάσει στο έδαφος, το KE πρέπει να είναι ίσο με την τιμή του PE στην αρχή του προβλήματος ή 1.470 J. Αυτή τη στιγμή,

Υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας λόγω τριβής, η εξοικονόμηση μηχανικής ενέργειας σας επιτρέπει να υπολογίσετεβ, που αποδεικνύεται44,3 m / s.​

Οι μαθητές φυσικής μπορεί να μπερδευτούν από το διάσημομαζική ενέργεια​ ​εξίσωση​ (​Ε = mc²αναρωτιέμαι αν αψηφά το νόμο τουδιατήρηση της ενέργειας(ήδιατήρηση της μάζας), επειδή σημαίνει ότι η μάζα μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια και το αντίστροφο.

Στην πραγματικότητα δεν παραβιάζει κανέναν νόμο επειδή αποδεικνύει ότι η μάζα και η ενέργεια είναι στην πραγματικότητα διαφορετικές μορφές του ίδιου πράγματος. Είναι σαν να τα μετράμε σε διαφορετικές μονάδες, λαμβάνοντας υπόψη τις διαφορετικές απαιτήσεις των κλασικών και κβαντικών μηχανικών καταστάσεων.

Στον θερμό θάνατο του σύμπαντος, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής, όλη η ύλη θα έχει μετατραπεί σε θερμική ενέργεια. Μόλις ολοκληρωθεί αυτή η μετατροπή ενέργειας, δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν πλέον μετασχηματισμοί, τουλάχιστον όχι χωρίς άλλο υποθετικό μοναδικό γεγονός, όπως το Big Bang.

Μια "μηχανή αέναης κίνησης" (π.χ. ένα εκκρεμές που ταλαντεύεται με τον ίδιο χρονισμό και σκούπισμα χωρίς να επιβραδύνεται ποτέ) στη Γη είναι αδύνατη λόγω της αντίστασης του αέρα και των σχετικών ενεργειακών απωλειών. Για να συνεχίσετε το gizmo θα χρειαζόταν κάποια είσοδο εξωτερικής εργασίας σε κάποιο σημείο, καταστρέφοντας έτσι τον σκοπό.