Legge di conservazione dell'energia: definizione, formula, derivazione (con esempi)

Poiché la fisica è lo studio di come la materia e l'energia fluiscono, illegge di conservazione dell'energiaè un'idea chiave per spiegare tutto ciò che un fisico studia e il modo in cui lo studia.

La fisica non riguarda la memorizzazione di unità o equazioni, ma di una struttura che governa il comportamento di tutte le particelle, anche se le somiglianze non sono evidenti a prima vista.

​La prima legge della termodinamicaè una riformulazione di questa legge di conservazione dell'energia in termini di energia termica: TheEnergia internadi un sistema deve essere uguale al totale di tutto il lavoro svolto sul sistema, più o meno il calore che fluisce dentro o fuori dal sistema.

Un altro principio di conservazione ben noto in fisica è la legge di conservazione della massa; come scoprirai, queste due leggi di conservazione - e qui ti verranno presentate anche altre due - sono più strettamente correlate di quanto sembri l'occhio (o il cervello).

Qualsiasi studio dei principi fisici universali dovrebbe essere supportato da una revisione delle tre leggi fondamentali del movimento, martellate nella forma da Isaac Newton centinaia di anni fa. Questi sono:

• ​Prima legge del moto (legge di inerzia):Un oggetto con velocità costante (o in quiete, dove v = 0) rimane in questo stato a meno che una forza esterna sbilanciata agisca per perturbarlo.
• ​Seconda legge del moto:Una forza netta (F_netto) agisce per accelerare oggetti con massa (m). L'accelerazione (a) è la velocità di variazione della velocità (v).
• ​Terza legge del moto:Per ogni forza in natura esiste una forza uguale in grandezza e opposta in direzione.

Le leggi di conservazione in fisica si applicano alla perfezione matematica solo in sistemi veramente isolati. Nella vita di tutti i giorni, tali scenari sono rari. Quattro quantità conservate sonomassa​, ​energia​, ​quantità di motoemomento angolare. Gli ultimi tre di questi rientrano nell'ambito della meccanica.

​Massaè solo la quantità di materia di qualcosa, e quando moltiplicata per l'accelerazione locale dovuta alla gravità, il risultato è il peso. La massa non può essere distrutta o creata da zero più di quanto possa farlo l'energia.

​Quantità di motoè il prodotto della massa di un oggetto e la sua velocità (m·v). In un sistema di due o più particelle in collisione, il totale della quantità di moto del sistema (la somma dell'individuo momenti degli oggetti) non cambia mai finché non ci sono perdite per attrito o interazioni con l'esterno corpi.

​Momento angolare​ (​l) è solo la quantità di moto attorno a un asse di un oggetto rotante, ed è uguale a m·vr, dove r è la distanza dall'oggetto all'asse di rotazione.

​Energiaappare in molte forme, alcune più utili di altre. Il calore, la forma in cui è in definitiva destinata ad esistere tutta l'energia, è il meno utile in termini di lavoro utile, e di solito è un prodotto.

La legge di conservazione dell'energia può essere scritta:

dove KE =energia cinetica= (1/2)mv², PE =energia potenziale(uguale a mgh quando la gravità è l'unica forza che agisce, ma vista in altre forme), IE = energia interna ed E = energia totale = una costante.

• I sistemi isolati possono avere energia meccanica convertita in energia termica entro i loro confini; puoi definire un "sistema" come qualsiasi configurazione tu scelga, purché tu possa essere certo delle sue caratteristiche fisiche. Questo non viola la legge sulla conservazione dell'energia.

Tutta l'energia nell'universo è nata dal Big Bang e quella quantità totale di energia non può cambiare. Invece, osserviamo forme di energia che cambiano continuamente, dall'energia cinetica (energia del movimento) all'energia termica, dall'energia chimica all'energia elettrica, dall'energia potenziale gravitazionale all'energia meccanica e così via.

Il calore è un tipo speciale di energia (energia termica), in quanto, come notato, è meno utile per l'uomo rispetto ad altre forme.

Ciò significa che una volta che una parte dell'energia di un sistema viene trasformata in calore, non può essere facilmente restituita a una forma più utile senza l'apporto di lavoro aggiuntivo, che richiede energia aggiuntiva.

La feroce quantità di energia radiante che il sole emette ogni secondo e che non può mai in alcun modo recuperare o riutilizzare è una testimonianza permanente di questa realtà, che si dispiega continuamente in tutta la galassia e nell'universo come un as totale. Parte di questa energia viene "catturata" nei processi biologici sulla Terra, inclusa la fotosintesi in piante, che producono il proprio cibo e forniscono cibo (energia) per animali e batteri, e presto.

Può anche essere catturato da prodotti dell'ingegneria umana, come le celle solari.

Gli studenti di fisica delle scuole superiori in genere utilizzano grafici a torta o grafici a barre per mostrare l'energia totale del sistema oggetto di studio e per tenere traccia dei suoi cambiamenti.

Poiché la quantità totale di energia nella torta (o la somma delle altezze delle barre) non può cambiare, la differenza in fette o categorie di barre dimostra quanta dell'energia totale in un dato punto è una forma di energia o un'altra.

In uno scenario, possono essere visualizzati grafici diversi in punti diversi per tenere traccia di queste modifiche. Ad esempio, si noti che la quantità di energia termica aumenta quasi sempre, rappresentando nella maggior parte dei casi uno spreco.

Ad esempio, se lanci una palla con un angolo di 45 gradi, inizialmente tutta la sua energia è cinetica (perché h = 0), e quindi nel punto in cui la palla raggiunge il suo punto più alto, la sua energia potenziale come quota dell'energia totale è più alta.

Sia mentre sale che come successivamente scende, parte della sua energia si trasforma in calore a causa delle forze di attrito provenienti dal aria, quindi KE + PE non rimane costante durante questo scenario, ma diminuisce mentre l'energia totale E rimane ancora costante.

(Inserire alcuni diagrammi di esempio con grafici a torta/a barre che tengono traccia delle variazioni di energia

Se tieni una palla da bowling di 1,5 kg da un tetto a 100 m (circa 30 piani) dal suolo, puoi calcolarne l'energia potenziale dato che il valore dig = 9,8 m/s²e PE = mgh:

Se rilasci la palla, la sua energia cinetica zero aumenta sempre più rapidamente man mano che la palla cade e accelera. Nell'istante in cui raggiunge il suolo, KE deve essere uguale al valore di PE all'inizio del problema, ovvero 1.470 J. In questo momento,

Supponendo che non ci siano perdite di energia dovute all'attrito, la conservazione dell'energia meccanica consente di calcolarev, che risulta essere44,3 m/s.​

Gli studenti di fisica potrebbero essere confusi dal famosomassa-energia​ ​equazione​ (​E = mc²), chiedendosi se sfida la legge diconservazione dell'energia(oconservazione di massa), poiché implica che la massa può essere convertita in energia e viceversa.

In realtà non viola nessuna delle due leggi perché dimostra che massa ed energia sono in realtà forme diverse della stessa cosa. È un po' come misurarli in unità diverse date le diverse esigenze delle situazioni di meccanica classica e quantistica.

Nella morte termica dell'universo, per la terza legge della termodinamica, tutta la materia sarà stata convertita in energia termica. Una volta completata questa conversione energetica, non possono più verificarsi trasformazioni, almeno non senza un altro ipotetico evento singolare come il Big Bang.

Una "macchina del moto perpetuo" (ad esempio, un pendolo che oscilla con la stessa tempistica e spazzata senza mai rallentare) sulla Terra è impossibile a causa della resistenza dell'aria e delle relative perdite di energia. Per far funzionare l'aggeggio sarebbe necessario un input di lavoro esterno a un certo punto, vanificando così lo scopo.