Ley de conservación de la energía: definición, fórmula, derivación (con ejemplos)

Debido a que la física es el estudio de cómo fluyen la materia y la energía, elley de la conservación de la energíaes una idea clave para explicar todo lo que estudia un físico y la forma en que lo estudia.

La física no se trata de memorizar unidades o ecuaciones, sino de un marco que gobierna cómo se comportan todas las partículas, incluso si las similitudes no son evidentes a simple vista.

​La primera ley de la termodinámica.es una reafirmación de esta ley de conservación de energía en términos de energía térmica:energía internade un sistema debe ser igual al total de todo el trabajo realizado en el sistema, más o menos el calor que entra o sale del sistema.

Otro principio de conservación bien conocido en física es la ley de conservación de la masa; como descubrirá, estas dos leyes de conservación, y aquí también se le presentarán otras dos, están más estrechamente relacionadas de lo que parece (o cerebro).

Cualquier estudio de los principios físicos universales debería estar respaldado por una revisión de las tres leyes básicas del movimiento, que Isaac Newton formó hace cientos de años. Estos son:

• ​Primera ley de movimiento (ley de inercia):Un objeto con velocidad constante (o en reposo, donde v = 0) permanece en este estado a menos que una fuerza externa desequilibrada actúe para perturbarlo.
• ​Segunda ley del movimiento:Una fuerza neta (F_neto) actúa para acelerar objetos con masa (m). La aceleración (a) es la tasa de cambio de la velocidad (v).
• ​Tercera ley del movimiento:Para cada fuerza de la naturaleza, existe una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta.

Las leyes de la conservación en física se aplican a la perfección matemática solo en sistemas verdaderamente aislados. En la vida cotidiana, estos escenarios son raros. Cuatro cantidades conservadas sonmasa​, ​energía​, ​impulsoymomento angular. Los últimos tres de estos pertenecen al ámbito de la mecánica.

​Masaes solo la cantidad de materia de algo, y cuando se multiplica por la aceleración local debida a la gravedad, el resultado es el peso. La masa no puede ser destruida o creada desde cero más que la energía.

​Impulsoes el producto de la masa de un objeto por su velocidad (m ·v). En un sistema de dos o más partículas en colisión, la cantidad de movimiento total del sistema (la suma de las partículas individuales momentos de los objetos) nunca cambia mientras no haya pérdidas por fricción o interacciones con cuerpos.

​Momento angular​ (​L) es solo la cantidad de movimiento alrededor de un eje de un objeto en rotación, y es igual a m ·v · r, donde r es la distancia del objeto al eje de rotación.

​Energíaaparece de muchas formas, algunas más útiles que otras. El calor, la forma en la que está destinada en última instancia a existir toda la energía, es el menos útil en términos de ponerla a un trabajo útil, y suele ser un producto.

La ley de conservación de la energía se puede escribir:

donde KE =energía cinética= (1/2) mv², PE =energía potencial(igual amgramoh cuando la gravedad es la única fuerza que actúa, pero vista en otras formas), IE = energía interna y E = energía total = una constante.

• Los sistemas aislados pueden convertir la energía mecánica en energía térmica dentro de sus límites; puede definir un "sistema" para que sea cualquier configuración que elija, siempre que pueda estar seguro de sus características físicas. Esto esto no viola la ley de conservación de la energía.

Toda la energía del universo surgió del Big Bang y esa cantidad total de energía no puede cambiar. En cambio, observamos formas cambiantes de energía continuamente, desde la energía cinética (energía del movimiento) hasta la energía térmica, de la energía química a la energía eléctrica, de la energía potencial gravitacional a la energía mecánica, etc.

El calor es un tipo especial de energía (energía térmica) en que, como se señaló, es menos útil para los humanos que otras formas.

Esto significa que una vez que parte de la energía de un sistema se transforma en calor, no se puede devolver tan fácilmente a una forma más útil sin la aportación de trabajo adicional, que requiere energía adicional.

La feroz cantidad de energía radiante que el sol emite cada segundo y que nunca puede recuperar o reutilizar de ninguna manera es un testimonio permanente de esta realidad, que se desarrolla continuamente en toda la galaxia y el universo como un entero. Parte de esta energía se "captura" en procesos biológicos en la Tierra, incluida la fotosíntesis en plantas, que producen su propio alimento y proporcionan alimento (energía) para animales y bacterias, y pronto.

También puede ser capturado por productos de la ingeniería humana, como las células solares.

Los estudiantes de física de la escuela secundaria generalmente usan gráficos circulares o gráficos de barras para mostrar la energía total del sistema en estudio y para rastrear sus cambios.

Debido a que la cantidad total de energía en el pastel (o la suma de las alturas de las barras) no puede cambiar, la diferencia en Las categorías de rebanadas o barras demuestran qué parte de la energía total en un punto dado es una forma de energía u otra.

En un escenario, se pueden mostrar diferentes gráficos en diferentes puntos para rastrear estos cambios. Por ejemplo, tenga en cuenta que la cantidad de energía térmica casi siempre aumenta, lo que representa desperdicio en la mayoría de los casos.

Por ejemplo, si lanza una pelota en un ángulo de 45 grados, inicialmente toda su energía es cinética (porque h = 0), y luego, en el punto en el que la pelota alcanza su punto más alto, su energía potencial como parte de la energía total es más alto.

Tanto a medida que asciende como a medida que desciende posteriormente, parte de su energía se transforma en calor como resultado de las fuerzas de fricción del aire, por lo que KE + PE no permanece constante a lo largo de este escenario, sino que disminuye mientras que la energía total E aún permanece constante.

(Inserte algunos diagramas de ejemplo con gráficos circulares / de barras que sigan los cambios de energía

Si sostiene una bola de boliche de 1,5 kg desde un tejado a 100 m (aproximadamente 30 pisos) sobre el suelo, puede calcular su energía potencial dado que el valor deg = 9,8 m / s²y PE = mgramoh:

Si suelta la pelota, su energía cinética cero aumenta cada vez más rápidamente a medida que la pelota cae y acelera. En el instante en que llega al suelo, KE debe ser igual al valor de PE al comienzo del problema, o 1.470 J. En este momento,

Suponiendo que no hay pérdida de energía debido a la fricción, la conservación de la energía mecánica le permite calcularv, que resulta ser44,3 m / s.​

Los estudiantes de física pueden confundirse con los famososmasa-energía​ ​ecuación​ (​E = mc²), preguntándose si desafía la ley deConservacion de energia(oconservación de la masa), ya que implica que la masa se puede convertir en energía y viceversa.

En realidad, no viola ninguna de las leyes porque demuestra que la masa y la energía son en realidad formas diferentes de la misma cosa. Es como medirlos en diferentes unidades dadas las diferentes demandas de las situaciones de la mecánica clásica y cuántica.

En la muerte térmica del universo, según la tercera ley de la termodinámica, toda la materia se habrá convertido en energía térmica. Una vez que se completa esta conversión de energía, no pueden ocurrir más transformaciones, al menos no sin otro evento hipotético singular como el Big Bang.

Una "máquina de movimiento perpetuo" (por ejemplo, un péndulo que oscila con el mismo tiempo y barrido sin disminuir nunca la velocidad) en la Tierra es imposible debido a la resistencia del aire y las pérdidas de energía asociadas. Mantener el aparato en funcionamiento requeriría una entrada de trabajo externo en algún momento, frustrando así el propósito.