Parce que la physique est l'étude de la façon dont la matière et l'énergie circulent, laloi de conservation de l'énergieest une idée clé pour expliquer tout ce qu'un physicien étudie et la manière dont il s'y prend.
La physique ne concerne pas la mémorisation d'unités ou d'équations, mais un cadre qui régit le comportement de toutes les particules, même si les similitudes ne sont pas évidentes au premier coup d'œil.
La première loi de la thermodynamiqueest une reformulation de cette loi de conservation de l'énergie en termes d'énergie thermique :énergie interned'un système doit être égal au total de tout le travail effectué sur le système, plus ou moins la chaleur entrant ou sortant du système.
Un autre principe de conservation bien connu en physique est la loi de conservation de la masse; comme vous le découvrirez, ces deux lois de conservation - et vous en découvrirez également deux autres ici - sont plus étroitement liées qu'il n'y paraît.
Les lois du mouvement de Newton
Toute étude des principes physiques universels devrait être soutenue par un examen des trois lois fondamentales du mouvement, mises en forme par Isaac Newton il y a des centaines d'années. Ceux-ci sont:
- Première loi du mouvement (loi d'inertie):Un objet à vitesse constante (ou au repos, où v = 0) reste dans cet état à moins qu'une force extérieure déséquilibrée agisse pour le perturber.
- Deuxième loi du mouvement :Une force nette (Frapporter) agit pour accélérer les objets de masse (m). L'accélération (a) est le taux de changement de vitesse (v).
- Troisième loi du mouvement :Pour chaque force dans la nature, il existe une force égale en grandeur et opposée en direction.
Quantités conservées en physique
Les lois de conservation en physique ne s'appliquent à la perfection mathématique que dans des systèmes vraiment isolés. Dans la vie de tous les jours, de tels scénarios sont rares. Quatre quantités conservées sontMasse, énergie, élanetmoment angulaire. Les trois derniers d'entre eux relèvent de la compétence de la mécanique.
Masseest juste la quantité de matière de quelque chose, et lorsqu'elle est multipliée par l'accélération locale due à la gravité, le résultat est le poids. La masse ne peut pas plus être détruite ou créée à partir de rien que l'énergie.
Élanest le produit de la masse d'un objet et de sa vitesse (m·v). Dans un système de deux particules ou plus en collision, le total de la quantité de mouvement du système (la somme de l'individu impulsions des objets) ne change jamais tant qu'il n'y a pas de pertes de friction ou d'interactions avec l'extérieur corps.
Moment angulaire (L) est juste la quantité de mouvement autour d'un axe d'un objet en rotation, et est égal à m·v·r, où r est la distance entre l'objet et l'axe de rotation.
Énergieapparaît sous de nombreuses formes, certaines plus utiles que d'autres. La chaleur, la forme sous laquelle toute l'énergie est finalement destinée à exister, est la moins utile en termes de mise au travail utile, et est généralement un produit.
La loi de conservation de l'énergie peut s'écrire :
KE+PE+IE=E
où KE =énergie cinétique= (1/2)mv2, PE =énergie potentielle(égal à mgh lorsque la gravité est la seule force agissant, mais vue sous d'autres formes), IE = énergie interne, et E = énergie totale = une constante.
- Les systèmes isolés peuvent avoir de l'énergie mécanique convertie en énergie thermique à l'intérieur de leurs limites; vous pouvez définir un "système" comme n'importe quelle configuration que vous choisissez, tant que vous pouvez être certain de ses caractéristiques physiques. Cela ne viole pas la loi de conservation de l'énergie.
Transformations énergétiques et formes d'énergie
Toute l'énergie de l'univers est issue du Big Bang, et cette quantité totale d'énergie ne peut pas changer. Au lieu de cela, nous observons l'énergie changer continuellement de forme, de l'énergie cinétique (énergie de mouvement) à l'énergie thermique, de l'énergie chimique à l'énergie électrique, de l'énergie potentielle gravitationnelle à l'énergie mécanique et ainsi de suite.
Exemples de transfert d'énergie
La chaleur est un type particulier d'énergie (l'énérgie thermique) en ce que, comme indiqué, il est moins utile pour l'homme que d'autres formes.
Cela signifie qu'une fois qu'une partie de l'énergie d'un système est transformée en chaleur, elle ne peut pas être aussi facilement remise sous une forme plus utile sans l'apport d'un travail supplémentaire, ce qui nécessite de l'énergie supplémentaire.
La quantité féroce d'énergie rayonnante que le soleil émet à chaque seconde et ne peut en aucun cas être récupérée ou réutilisée est un témoignage permanent de cette réalité, qui se déroule continuellement dans toute la galaxie et l'univers comme un ensemble. Une partie de cette énergie est « capturée » dans les processus biologiques sur Terre, y compris la photosynthèse dans les plantes, qui fabriquent leur propre nourriture et fournissent de la nourriture (énergie) aux animaux et aux bactéries, et bientôt.
Il peut également être capturé par des produits de l'ingénierie humaine, tels que les cellules solaires.
Suivi de la conservation de l'énergie
Les étudiants en physique du secondaire utilisent généralement des camemberts ou des graphiques à barres pour montrer l'énergie totale du système à l'étude et pour suivre ses changements.
Étant donné que la quantité totale d'énergie dans la tarte (ou la somme des hauteurs des barres) ne peut pas changer, la différence de tranches ou catégories de barres montre combien de l'énergie totale à un point donné est une forme d'énergie ou une autre.
Dans un scénario, différents graphiques peuvent être affichés à différents points pour suivre ces changements. Par exemple, notez que la quantité d'énergie thermique augmente presque toujours, ce qui représente des déchets dans la plupart des cas.
Par exemple, si vous lancez une balle à un angle de 45 degrés, au départ toute son énergie est cinétique (car h = 0), et alors au point où la balle atteint son point le plus élevé, son énergie potentielle en tant que part de l'énergie totale est plus haut.
À la fois en montant et en descendant, une partie de son énergie est transformée en chaleur sous l'effet des forces de friction du air, donc KE + PE ne reste pas constant tout au long de ce scénario, mais diminue à la place tandis que l'énergie totale E reste constante.
(Insérez quelques exemples de diagrammes avec des graphiques à secteurs/à barres retraçant les changements d'énergie
Exemple de cinématique: chute libre
Si vous tenez une boule de bowling de 1,5 kg sur un toit à 100 m (environ 30 étages) au-dessus du sol, vous pouvez calculer son énergie potentielle étant donné que la valeur deg = 9,8 m/s2et PE = mgh :
(1,5\texte{ kg})(100\texte{ m})(9,8\texte{ m/s}^2) = 1 470\texte{ Joules (J)}
Si vous relâchez la balle, son énergie cinétique nulle augmente de plus en plus rapidement à mesure que la balle tombe et accélère. A l'instant où il atteint le sol, KE doit être égal à la valeur de PE au début du problème, soit 1470 J. À ce moment là,
KE=1470=\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}(1.5)v^2
En supposant qu'il n'y ait pas de perte d'énergie due au frottement, la conservation de l'énergie mécanique permet de calculerv, qui s'avère être44,3 m/s.
Et Einstein ?
Les étudiants en physique pourraient être déroutés par le célèbremasse-énergie équation (E = mc2), se demandant s'il défie la loi deconservation d'énergie(ou alorsconservation de la masse), car cela implique que la masse peut être convertie en énergie et vice versa.
Cela ne viole en fait aucune des lois car cela démontre que la masse et l'énergie sont en fait des formes différentes de la même chose. C'est un peu comme les mesurer dans différentes unités étant donné les différentes exigences des situations de la mécanique classique et quantique.
Dans la mort thermique de l'univers, selon la troisième loi de la thermodynamique, toute la matière aura été convertie en énergie thermique. Une fois cette conversion d'énergie terminée, plus aucune transformation ne peut se produire, du moins pas sans un autre événement singulier hypothétique tel que le Big Bang.
La machine à mouvement perpétuel ?
Une "machine à mouvement perpétuel" (par exemple, un pendule qui oscille avec la même synchronisation et le même balayage sans jamais ralentir) sur Terre est impossible à cause de la résistance de l'air et des pertes d'énergie associées. Pour que le gadget fonctionne, il faudrait un travail externe à un moment donné, ce qui irait à l'encontre de l'objectif.
