エネルギー保存の法則：定義、公式、導出（例付き）

物理学は物質とエネルギーの流れの研究であるため、エネルギー保存の法則物理学者が研究するすべてのこと、そして彼または彼女がそれを研究する方法を説明するための重要なアイデアです。

物理学は、単位や方程式を記憶することではなく、類似点が一目でわからなくても、すべての粒子がどのように動作するかを管理するフレームワークについてです。

​熱力学の第一法則は、熱エネルギーの観点からこのエネルギー保存則を言い換えたものです。内部エネルギーシステムのは、システムで実行されたすべての作業の合計に、システムに出入りする熱をプラスまたはマイナスしたものに等しくなければなりません。

物理学でよく知られているもう1つの保存則は、質量保存の法則です。 お気づきのように、これら2つの保存則は、ここでも他の2つの法則に紹介されますが、目（または脳）に出会うよりも密接に関連しています。

普遍的な物理原理の研究は、数百年前にアイザックニュートンによって形にされた3つの基本的な運動の法則のレビューによって裏付けられるべきです。 これらは：

• ​運動の第1法則（慣性の法則）：一定の速度を持つ（または静止している、v = 0の場合）オブジェクトは、不均衡な外力がそれを混乱させるように作用しない限り、この状態のままです。
• ​運動の第2法則：正味の力（F_ネット）質量（m）のオブジェクトを加速するように機能します。 加速度（a）は、速度（v）の変化率です。
• ​運動の第3法則：自然界のすべての力には、大きさが等しく方向が反対の力が存在します。

物理学の保存則は、真に孤立したシステムの数学的完全性にのみ適用されます。 日常生活では、そのようなシナリオはまれです。 4つの保存量は質量​, ​エネルギー​, ​勢いそして角運動量. これらの最後の3つは、力学の範囲内にあります。

​質量は何かの物質量であり、重力による局所加速度を掛けると、結果は重量になります。 質量は、エネルギーよりも破壊したり、ゼロから作成したりすることはできません。

​勢いは、物体の質量とその速度（m・）の積です。v). 2つ以上の衝突する粒子のシステムでは、システムの総運動量（個々の合計 オブジェクトの運動量）は、摩擦損失や外部との相互作用がない限り、変化することはありません。 体。

​角運動量​ (​L）は、回転する物体の軸の周りの運動量であり、m・に等しい。v・r、ここで、rはオブジェクトから回転軸までの距離です。

​エネルギー多くの形式で表示されますが、他の形式よりも便利なものもあります。 熱は、すべてのエネルギーが最終的に存在する運命にある形であり、それを有用な仕事に使うという点で最も有用ではなく、通常は製品です。

エネルギー保存の法則は次のように書くことができます。

ここで、KE =運動エネルギー=（1/2）mv²、PE =位置エネルギー（mに等しいgh重力が作用する唯一の力であるが、他の形式で見られる場合）、IE =内部エネルギー、およびE =総エネルギー=定数。

• 孤立したシステムでは、境界内で機械的エネルギーを熱エネルギーに変換できます。 「システム」は、その物理的特性を確認できる限り、選択した任意のセットアップとして定義できます。 これは、エネルギー保存の法則に違反しません。

宇宙のすべてのエネルギーはビッグバンから生じたものであり、その総エネルギー量は変化しません。 代わりに、運動エネルギー（運動エネルギー）から熱エネルギーまで、エネルギーの変化する形態を継続的に観察します。 化学エネルギーから電気エネルギーへ、重力ポテンシャルエネルギーから機械エネルギーへなど。

熱は特別な種類のエネルギーです（熱エネルギー）その点で、前述のように、それは他の形態よりも人間にとって有用ではありません。

これは、システムのエネルギーの一部が熱に変換されると、追加のエネルギーを必要とする追加の作業を入力しない限り、より有用な形式に簡単に戻すことができないことを意味します。

太陽が毎秒放出する猛烈な量の放射エネルギーは、決して回収したり再利用したりすることはできません。 銀河と宇宙のいたるところに絶えず展開しているこの現実の立証 全体。 このエネルギーの一部は、地球上の光合成を含む地球上の生物学的プロセスで「捕捉」されます。 動物やバクテリアに食物（エネルギー）を提供するだけでなく、独自の食物を作る植物、そして など。

また、太陽電池などの人間工学の製品によってキャプチャすることもできます。

高校の物理学の学生は通常、円グラフまたは棒グラフを使用して、調査中のシステムの総エネルギーを示し、その変化を追跡します。

パイの総エネルギー量（またはバーの高さの合計）は変更できないため、 スライスまたはバーのカテゴリは、任意の時点での総エネルギーのどれだけが何らかの形のエネルギーであるかを示します。

シナリオでは、これらの変更を追跡するために、さまざまなポイントにさまざまなチャートが表示される場合があります。 たとえば、熱エネルギーの量はほとんどの場合増加し、ほとんどの場合無駄になることに注意してください。

たとえば、45度の角度でボールを投げる場合、最初はすべてのエネルギーが運動エネルギーであり（h = 0であるため）、 次に、ボールが最高点に到達した時点で、全エネルギーのシェアとしての位置エネルギーは次のようになります。 最高。

それが上昇するときとその後に下降するときの両方で、そのエネルギーの一部は、からの摩擦力の結果として熱に変換されます。 空気であるため、KE + PEはこのシナリオ全体で一定に保たれませんが、代わりに、総エネルギーEが一定のままで減少します。

（エネルギーの変化を追跡する円グラフ/棒グラフを含むいくつかの例の図を挿入します

地上100m（約30階）の屋上から1.5 kgのボウリング球を持っている場合、次の値が与えられると、その位置エネルギーを計算できます。g = 9.8 m / s²およびPE = mgh：

ボールを放すと、ボールが落下して加速するにつれて、そのゼロ運動エネルギーはますます急速に増加します。 地面に到達した瞬間、KEは問題の開始時のPEの値、つまり1,470Jに等しくなければなりません。 現時点では、

摩擦によるエネルギー損失がないと仮定すると、機械的エネルギーの保存により、計算が可能になりますv、44.3 m / s​

物理学の学生は有名な人に混乱するかもしれません質量エネルギー​ ​方程式​ (​E = mc²）、それがの法則に反するかどうか疑問に思う電気の保存（または質量保存）、それは質量がエネルギーに変換できること、およびその逆が可能であることを意味するためです。

質量とエネルギーが実際には同じものの異なる形であることを示しているので、実際にはどちらの法則にも違反していません。 これは、古典力学と量子力学の状況のさまざまな要求を考慮して、さまざまな単位でそれらを測定するようなものです。

宇宙の熱的死では、熱力学の第3法則に従って、すべての物質が熱エネルギーに変換されます。 このエネルギー変換が完了すると、少なくともビッグバンなどの別の架空の特異なイベントがなければ、それ以上の変換は発生しません。

地球上での「永久運動機械」（たとえば、同じタイミングで揺れ、減速することなく掃引する振り子）は、空気抵抗とそれに伴うエネルギー損失のために不可能です。 ギズモを継続するには、ある時点で外部作業の入力が必要になるため、目的が果たせなくなります。