Enerģijas saglabāšanas likums: definīcija, formula, atvasinājums (ar piemēriem)

Tā kā fizika ir pētījums par to, kā matērija un enerģija plūst,enerģijas saglabāšanas likumsir galvenā ideja, lai izskaidrotu visu, ko fiziķis studē, un veidu, kādā viņš vai viņa to mācās.

Fizika nav saistīta ar vienību vai vienādojumu iegaumēšanu, bet gan par sistēmu, kas nosaka visu daļiņu uzvedību, pat ja līdzības nav acīmredzamas vienā mirklī.

​Pirmais termodinamikas likumsir šī enerģijas saglabāšanas likuma atkārtojums siltumenerģijas izteiksmē:iekšējā enerģijaSistēmai jābūt vienādai ar visu sistēmā paveikto darbu, pieskaitot vai atņemot siltumu, kas ieplūst sistēmā vai no tās.

Vēl viens fizikā labi pazīstams saglabāšanas princips ir masas saglabāšanas likums; kā jūs atklāsiet, šie divi dabas aizsardzības likumi - un jūs šeit iepazīstināsiet arī ar diviem citiem - ir ciešāk saistīti, nekā redzams (vai smadzenes).

Jebkurš universālo fizisko principu pētījums būtu jāatbalsta, pārskatot trīs kustības pamatlikumus, kurus pirms simtiem gadu veidoja Īzaks Ņūtons. Šie ir:

• ​Pirmais kustības likums (inerces likums):Objekts ar nemainīgu ātrumu (vai miera stāvoklī, kur v = 0) paliek šajā stāvoklī, ja vien tā traucēšanai nedarbojas nelīdzsvarots ārējs spēks.
• ​Otrais kustības likums:Neto spēks (F_tīkls) darbojas, lai paātrinātu objektus ar masu (m). Paātrinājums (a) ir ātruma (v) izmaiņu ātrums.
• ​Trešais kustības likums:Katram dabas spēkam ir spēks, kura lielums ir vienāds un virzienā pretējs.

Fizikas saglabāšanas likumi attiecas uz matemātisko pilnību tikai patiesi izolētās sistēmās. Ikdienā šādi scenāriji ir reti. Četri konservēti daudzumi irmasa​, ​enerģija​, ​impulssunleņķiskais impulss. Pēdējie trīs no tiem ietilpst mehānikas pārziņā.

​Miseir tikai kaut kā matērijas daudzums, un, gravitācijas dēļ reizinot ar vietējo paātrinājumu, rezultāts ir svars. Masu nevar iznīcināt vai radīt no nulles vairāk nekā enerģija.

​Momentsir objekta masas un tā ātruma reizinājums (m ·v). Divu vai vairāku sadurošu daļiņu sistēmā kopējais sistēmas impulss (indivīda summa) objektu moments) nekad nemainās, kamēr nav berzes zaudējumu vai mijiedarbības ar ārējiem ķermeņiem.

​Leņķiskais impulss​ (​L) ir tikai impulss ap rotējoša objekta asi un ir vienāds ar m ·v · r, kur r ir attālums no objekta līdz rotācijas asij.

​Enerģijaparādās dažādos veidos, daži no tiem ir noderīgāki nekā citi. Siltums - forma, kurā galu galā ir paredzēta visa enerģija, ir vismazāk noderīga, lai to izmantotu lietderīgi, un parasti tā ir produkts.

Enerģijas saglabāšanas likumu var rakstīt:

kur KE =kinētiskā enerģija= (1/2) mv², PE =potenciālā enerģija(vienāds ar mgh, kad gravitācija ir vienīgais darbojošais spēks, bet redzams citos veidos), IE = iekšējā enerģija un E = kopējā enerģija = konstante.

• Izolētām sistēmām to robežās var pārvērst mehānisko enerģiju par siltuma enerģiju; jūs varat definēt "sistēmu" par jebkuru izvēlēto iestatījumu, ja vien varat būt pārliecināts par tās fiziskajām īpašībām. Tas nepārkāpj enerģijas likumu saglabāšanu.

Visa enerģija Visumā radās no Lielā sprādziena, un kopējais enerģijas daudzums nevar mainīties. Tā vietā mēs nepārtraukti novērojam enerģijas mainīgās formas, sākot no kinētiskās enerģijas (kustības enerģijas) līdz siltuma enerģijai, no ķīmiskās enerģijas līdz elektriskajai enerģijai, no gravitācijas potenciālās enerģijas līdz mehāniskajai enerģijai un tā tālāk.

Siltums ir īpašs enerģijas veids (siltumenerģija) ar to, ka, kā norādīts, tas cilvēkiem ir mazāk noderīgs nekā citas formas.

Tas nozīmē, ka tad, kad daļa enerģijas no sistēmas tiek pārveidota par siltumu, to nevar tik viegli atgriezt noderīgākā formā bez papildu darba ieguldīšanas, kas prasa papildu enerģiju.

Mežonīgais starojošās enerģijas daudzums, ko saule izlaiž katru sekundi, un to nekādā gadījumā nevar atgūt vai atkārtoti izmantot pastāvīgs apliecinājums šai realitātei, kas nepārtraukti atklājas visā galaktikā un Visumā kā a vesels. Daļa no šīs enerģijas tiek “notverta” bioloģiskajos procesos uz Zemes, ieskaitot fotosintēzi iekšā augi, kas paši ražo pārtiku, kā arī nodrošina pārtiku (enerģiju) dzīvniekiem un baktērijām, un tā tālāk.

To var notvert arī cilvēku inženierijas produkti, piemēram, saules baterijas.

Vidusskolas fizikas studenti parasti izmanto sektoru diagrammas vai joslu diagrammas, lai parādītu pētāmās sistēmas kopējo enerģiju un izsekotu tās izmaiņām.

Tā kā kopējais enerģijas daudzums pīrāgā (vai stieņu augstuma summa) nevar mainīties, atšķirība šķēles vai joslu kategorijas parāda, cik liela daļa no kopējās enerģijas jebkurā brīdī ir viena vai otra enerģijas forma.

Scenārijā, lai izsekotu šīm izmaiņām, dažādos punktos var tikt parādītas dažādas diagrammas. Piemēram, ņemiet vērā, ka siltumenerģijas daudzums gandrīz vienmēr palielinās, vairumā gadījumu tas ir atkritumi.

Piemēram, ja jūs izmetat bumbu 45 grādu leņķī, sākotnēji visa tās enerģija ir kinētiska (jo h = 0) un tad tajā brīdī, kad bumba sasniedz augstāko punktu, tā potenciālā enerģija kā kopējās enerģijas daļa ir augstākais.

Gan uz augšu, gan pēc tam nokrītot, daļa enerģijas tiek pārveidota siltumā, pateicoties gaiss, tāpēc KE + PE šajā scenārijā nepaliek nemainīgs, bet tā vietā samazinās, kamēr kopējā enerģija E joprojām ir nemainīga.

(Ievietojiet dažus diagrammu piemērus ar sektoru / joslu diagrammām, kas izseko enerģijas izmaiņas

Ja jūs turat 1,5 kg smagu boulinga bumbu no jumta, kas atrodas 100 m (apmēram 30 stāvi) virs zemes, varat aprēķināt tā potenciālo enerģiju, ņemot vērā, kag = 9,8 m / s²un PE = mgh:

Ja jūs atbrīvojat bumbu, tā nulles kinētiskā enerģija palielinās arvien ātrāk, bumbai krītot un paātrinoties. Tajā brīdī, kad tas sasniedz zemi, KE jābūt vienādam ar PE vērtību problēmas sākumā vai 1470 J. Šobrīd,

Pieņemot, ka berzes dēļ nav enerģijas zudumu, mehāniskās enerģijas saglabāšana ļauj aprēķinātv, kas izrādās44,3 m / s.​

Fizikas studentus slavenais varētu sajauktmasa-enerģija​ ​vienādojums​ (​E = mc²), domājot, vai tas nepildaenerģijas saglabāšana(vaimasas saglabāšana), jo tas nozīmē, ka masu var pārveidot par enerģiju un otrādi.

Tas faktiski nepārkāpj nevienu likumu, jo tas parāda, ka masa un enerģija faktiski ir vienas un tās pašas lietas dažādas formas. Tas ir līdzīgi kā to mērīšana dažādās vienībās, ņemot vērā klasiskās un kvantu mehānikas situāciju atšķirīgās prasības.

Visuma karstuma nāvē saskaņā ar trešo termodinamikas likumu visa matērija būs pārveidota par siltuma enerģiju. Kad šī enerģijas pārveidošana ir pabeigta, vairs nevar notikt nekādas transformācijas, vismaz bez cita hipotētiska vienskaitļa notikuma, piemēram, Lielā sprādziena.

"Pastāvīgā kustības mašīna" (piemēram, svārsts, kas šūpojas ar tādu pašu laiku un slaucīšanu, nekad nepalēninot ātrumu) uz Zemes nav iespējams gaisa pretestības un ar to saistīto enerģijas zudumu dēļ. Lai saglabātu gizmo darbību, kādā brīdī būs nepieciešams ieguldīt ārēju darbu, tādējādi iznīcinot mērķi.