Prawo zachowania energii: definicja, wzór, wyprowadzenie (z przykładami)

Ponieważ fizyka to nauka o przepływie materii i energii,prawo zachowania energiijest kluczową ideą wyjaśniającą wszystko, co studiuje fizyk, oraz sposób, w jaki on lub ona podejmuje się tego studiować.

W fizyce nie chodzi o zapamiętywanie jednostek czy równań, ale o strukturę, która reguluje zachowanie wszystkich cząstek, nawet jeśli podobieństwa nie są widoczne na pierwszy rzut oka.

​Pierwsza zasada termodynamikijest powtórzeniem tego prawa zachowania energii w odniesieniu do energii cieplnej: Theenergia wewnętrznasystemu musi równać się sumie całej pracy wykonanej w systemie, plus lub minus ciepło napływające do lub z systemu.

Inną dobrze znaną zasadą zachowania w fizyce jest prawo zachowania masy; jak odkryjesz, te dwa prawa zachowania – i tutaj przedstawimy ci dwa inne – są ściślej powiązane niż na pierwszy rzut oka (lub mózg).

Każde badanie uniwersalnych zasad fizycznych powinno być poparte przeglądem trzech podstawowych praw ruchu, wykutych w formie przez Isaaca Newtona setki lat temu. To są:

• ​Pierwsza zasada ruchu (prawo bezwładności):Obiekt o stałej prędkości (lub w spoczynku, gdzie v = 0) pozostaje w tym stanie, chyba że niezrównoważona siła zewnętrzna działa, aby go zakłócić.
• ​Druga zasada ruchu:Siła netto (F_netto) działa w celu przyspieszenia obiektów o masie (m). Przyspieszenie (a) to tempo zmian prędkości (v).
• ​Trzecia zasada ruchu:Dla każdej siły w naturze istnieje siła równa wielkości i przeciwna do kierunku.

Prawa zachowania w fizyce odnoszą się do matematycznej doskonałości tylko w naprawdę izolowanych układach. W życiu codziennym takie scenariusze są rzadkością. Cztery zachowane ilości sąmasa​, ​energia​, ​pędimoment pędu. Trzy ostatnie z nich należą do zakresu mechaniki.

​Masajest po prostu ilością materii czegoś, a po pomnożeniu przez lokalne przyspieszenie grawitacyjne otrzymuje się wagę. Masy nie można niszczyć ani tworzyć od zera bardziej niż energia.

​Pędjest iloczynem masy obiektu i jego prędkości (m·v). W układzie dwóch lub więcej zderzających się cząstek całkowity pęd układu (suma jednostki) pęd obiektów) nigdy się nie zmienia, o ile nie ma strat tarcia lub interakcji z zewnętrznymi ciała.

​Moment pędu​ (​L) jest po prostu pędem wokół osi obracającego się obiektu i jest równy m·vr, gdzie r jest odległością od obiektu do osi obrotu.

​Energiapojawia się w wielu formach, niektóre bardziej przydatne niż inne. Ciepło, forma, w której ostatecznie ma istnieć cała energia, jest najmniej przydatne, jeśli chodzi o wykorzystanie jej do użytecznej pracy, i zwykle jest produktem.

Prawo zachowania energii można zapisać:

gdzie KE =energia kinetyczna= (1/2)mv², PE =energia potencjalna(równe msolh gdy grawitacja jest jedyną działającą siłą, ale widzianą w innych formach), IE = energia wewnętrzna, a E = energia całkowita = stała.

• Systemy izolowane mogą mieć w swoich granicach energię mechaniczną zamienianą na energię cieplną; możesz zdefiniować „system” jako dowolną wybraną konfigurację, o ile masz pewność co do jego cech fizycznych. Nie narusza to prawa zachowania energii.

Cała energia we wszechświecie powstała z Wielkiego Wybuchu i ta całkowita ilość energii nie może się zmienić. Zamiast tego obserwujemy nieustannie zmieniające się formy energii, od energii kinetycznej (energii ruchu) do energii cieplnej, od energii chemicznej do energii elektrycznej, od grawitacyjnej energii potencjalnej do energii mechanicznej i tak dalej.

Ciepło to szczególny rodzaj energii (energia cieplna), ponieważ, jak zauważono, jest mniej przydatny dla ludzi niż inne formy.

Oznacza to, że gdy część energii systemu zostanie przekształcona w ciepło, nie może być tak łatwo przywrócona do bardziej użytecznej postaci bez wkładu dodatkowej pracy, która wymaga dodatkowej energii.

Ogromna ilość energii promieniowania, którą słońce emituje w każdej sekundzie i której nigdy w żaden sposób nie może odzyskać ani ponownie wykorzystać, jest stałe świadectwo tej rzeczywistości, która nieustannie rozwija się w całej galaktyce i wszechświecie jako cały. Część tej energii jest „wyłapywana” w procesach biologicznych na Ziemi, w tym w fotosyntezie w rośliny, które same wytwarzają pokarm, a także dostarczają pokarmu (energii) zwierzętom i bakteriom, oraz wkrótce.

Może być również przechwytywany przez produkty inżynierii ludzkiej, takie jak ogniwa słoneczne.

Uczniowie fizyki w liceum zazwyczaj używają wykresów kołowych lub wykresów słupkowych, aby pokazać całkowitą energię badanego systemu i śledzić jego zmiany.

Ponieważ całkowita ilość energii w cieście (lub suma wysokości słupków) nie może się zmienić, różnica w kategorie plasterków lub słupków pokazują, jaka część całkowitej energii w danym punkcie to ta czy inna forma energii.

W scenariuszu różne wykresy mogą być wyświetlane w różnych punktach, aby śledzić te zmiany. Na przykład zauważ, że ilość energii cieplnej prawie zawsze wzrasta, stanowiąc w większości przypadków odpady.

Na przykład, jeśli rzucisz piłkę pod kątem 45 stopni, początkowo cała jej energia jest kinetyczna (ponieważ h = 0) i następnie w punkcie, w którym piłka osiąga najwyższy punkt, jej energia potencjalna jako udział w całkowitej energii wynosi najwyższy.

Zarówno podczas wznoszenia, jak i późniejszego opadania część jego energii jest przekształcana w ciepło w wyniku sił tarcia z powietrze, więc KE + PE nie pozostają stałe w tym scenariuszu, ale zamiast tego zmniejszają się, podczas gdy całkowita energia E nadal pozostaje stała.

(Wstaw przykładowe diagramy z wykresami kołowymi/słupkowymi śledzącymi zmiany energii energy

Jeśli trzymasz 1,5 kg kulę do kręgli z dachu 100 m (około 30 pięter) nad ziemią, możesz obliczyć jej energię potencjalną, biorąc pod uwagę wartośćg = 9,8 m/s²i PE = msolgodz:

Jeśli puścisz piłkę, jej zerowa energia kinetyczna wzrasta coraz szybciej, gdy piłka spada i przyspiesza. W chwili, gdy dochodzi do ziemi, KE musi być równe wartości PE na początku zadania, czyli 1470 J. W tym momencie,

Zakładając brak strat energii na skutek tarcia, zachowanie energii mechanicznej pozwala na obliczeniav, który okazuje się być44,3 m/s.​

Studenci fizyki mogą być zdezorientowani przez słynnąmasa-energia​ ​równanie​ (​E = mc²), zastanawiasz się, czy łamie prawozachowanie energii(lubochrona masy), ponieważ oznacza to, że masę można zamienić na energię i odwrotnie.

W rzeczywistości nie narusza żadnego z tych praw, ponieważ pokazuje, że masa i energia są w rzeczywistości różnymi formami tej samej rzeczy. To trochę jak mierzenie ich w różnych jednostkach, biorąc pod uwagę różne wymagania sytuacji mechaniki klasycznej i kwantowej.

Podczas śmierci cieplnej wszechświata, zgodnie z trzecią zasadą termodynamiki, cała materia zostanie zamieniona w energię cieplną. Po zakończeniu tej konwersji energii nie może zajść więcej transformacji, przynajmniej nie bez innego hipotetycznego pojedynczego wydarzenia, takiego jak Wielki Wybuch.

„Maszyna perpetuum mobile” (np. wahadło, które kołysze się w tym samym czasie i omiata bez spowalniania) na Ziemi jest niemożliwa ze względu na opór powietrza i związane z tym straty energii. Utrzymanie tego gadżetu wymagałoby w pewnym momencie wkładu pracy zewnętrznej, a tym samym pokonania celu.