Lei da Conservação de Energia: Definição, Fórmula, Derivação (c / Exemplos)

Porque a física é o estudo de como a matéria e a energia fluem, olei da conservação de energiaé uma ideia-chave para explicar tudo o que um físico estuda e a maneira como ele estuda isso.

A física não é memorizar unidades ou equações, mas sim uma estrutura que governa como todas as partículas se comportam, mesmo que as semelhanças não sejam evidentes à primeira vista.

​A primeira lei da termodinâmicaé uma reafirmação desta lei de conservação de energia em termos de energia térmica:energia internade um sistema deve ser igual ao total de todo o trabalho realizado no sistema, mais ou menos o calor que flui para dentro ou para fora do sistema.

Outro princípio de conservação bem conhecido na física é a lei da conservação da massa; como você vai descobrir, essas duas leis de conservação - e você será apresentado a outras duas aqui também - estão mais intimamente relacionadas do que aparenta (ou cérebro).

Qualquer estudo dos princípios físicos universais deve ser apoiado por uma revisão das três leis básicas do movimento, elaboradas por Isaac Newton centenas de anos atrás. Estes são:

• ​Primeira lei do movimento (lei da inércia):Um objeto com velocidade constante (ou em repouso, onde v = 0) permanece neste estado, a menos que uma força externa desequilibrada atue para perturbá-lo.
• ​Segunda lei do movimento:Uma rede de força (F_internet) atua para acelerar objetos com massa (m). A aceleração (a) é a taxa de variação da velocidade (v).
• ​Terceira lei do movimento:Para cada força na natureza, existe uma força de magnitude igual e direção oposta.

As leis da conservação na física se aplicam à perfeição matemática apenas em sistemas verdadeiramente isolados. Na vida cotidiana, esses cenários são raros. Quatro quantidades conservadas sãomassa​, ​energia​, ​impulsoemomento angular. Os três últimos estão sob a alçada da mecânica.

​Massaé apenas a quantidade de matéria de alguma coisa, e quando multiplicada pela aceleração local devido à gravidade, o resultado é o peso. A massa não pode ser destruída ou criada do nada mais do que a energia.

​Momentumé o produto da massa de um objeto e sua velocidade (m ·v). Em um sistema de duas ou mais partículas em colisão, o total é o momento do sistema (a soma do indivíduo momentos dos objetos) nunca muda, desde que não haja perdas por atrito ou interações com corpos.

​Momento angular​ (​eu) é apenas o momento em torno de um eixo de um objeto em rotação e é igual am ·v · r, onde r é a distância do objeto ao eixo de rotação.

​Energiaaparece em muitas formas, algumas mais úteis do que outras. Calor, a forma na qual é onde toda a energia está finalmente destinada a existir, é o menos útil em termos de colocá-lo para funcionar, e geralmente é um produto.

A lei da conservação de energia pode ser escrita:

onde KE =energia cinética= (1/2) mv², PE =energia potencial(igual amgh quando a gravidade é a única força atuante, mas vista em outras formas), IE = energia interna e E = energia total = uma constante.

• Sistemas isolados podem ter energia mecânica convertida em energia térmica dentro de seus limites; você pode definir um "sistema" como qualquer configuração que você escolher, desde que tenha certeza de suas características físicas. Isso não viola a lei de conservação de energia.

Toda a energia do universo surgiu do Big Bang, e essa quantidade total de energia não pode mudar. Em vez disso, observamos formas de mudança de energia continuamente, de energia cinética (energia de movimento) para energia térmica, da energia química à energia elétrica, da energia potencial gravitacional à energia mecânica e assim por diante.

O calor é um tipo especial de energia (energia térmica) em que, conforme observado, é menos útil para os humanos do que outras formas.

Isso significa que, uma vez que parte da energia de um sistema é transformada em calor, não pode ser tão facilmente devolvida a uma forma mais útil sem a entrada de trabalho adicional, que consome energia adicional.

A quantidade feroz de energia radiante que o sol emite a cada segundo e nunca pode de forma alguma recuperar ou reutilizar é um testemunho permanente desta realidade, que está continuamente se desdobrando em toda a galáxia e no universo como um inteira. Parte dessa energia é "capturada" em processos biológicos na Terra, incluindo a fotossíntese em plantas, que fazem seus próprios alimentos, além de fornecer alimentos (energia) para animais e bactérias, e em breve.

Também pode ser capturado por produtos da engenharia humana, como células solares.

Os estudantes de física do ensino médio geralmente usam gráficos de pizza ou de barras para mostrar a energia total do sistema em estudo e para rastrear suas mudanças.

Como a quantidade total de energia na torta (ou a soma das alturas das barras) não pode mudar, a diferença em fatias ou categorias de barras demonstram quanto da energia total em qualquer ponto é uma forma de energia ou outra.

Em um cenário, gráficos diferentes podem ser mostrados em pontos diferentes para rastrear essas mudanças. Por exemplo, observe que a quantidade de energia térmica quase sempre aumenta, representando desperdício na maioria dos casos.

Por exemplo, se você jogar uma bola em um ângulo de 45 graus, inicialmente toda a sua energia é cinética (porque h = 0), e então, no ponto em que a bola atinge seu ponto mais alto, sua energia potencial como uma parcela da energia total é Altíssima.

À medida que sobe e depois cai, parte de sua energia é transformada em calor como resultado das forças de fricção do ar, então KE + PE não permanece constante em todo este cenário, mas diminui enquanto a energia total E ainda permanece constante.

(Insira alguns diagramas de exemplo com gráficos de pizza / barras rastreando as mudanças de energia

Se você segura uma bola de boliche de 1,5 kg de um telhado a 100 m (cerca de 30 andares) acima do solo, pode calcular sua energia potencial, dado que o valor deg = 9,8 m / s²e PE = mgh:

Se você soltar a bola, sua energia cinética zero aumenta cada vez mais rapidamente à medida que a bola cai e acelera. No instante em que atinge o solo, o KE deve ser igual ao valor do PE no início do problema, ou 1.470 J. Neste momento,

Assumindo que não há perda de energia devido ao atrito, a conservação da energia mecânica permite que você calculev, que acaba sendo44,3 m / s.​

Estudantes de física podem ficar confusos com o famosomassa-energia​ ​equação​ (​E = mc²), perguntando-se se isso desafia a lei deconservação de energia(ouConservação de massa), uma vez que implica que a massa pode ser convertida em energia e vice-versa.

Na verdade, não viola nenhuma das leis porque demonstra que massa e energia são, na verdade, formas diferentes da mesma coisa. É como medi-los em unidades diferentes, dadas as diferentes demandas das situações da mecânica quântica e clássica.

Na morte térmica do universo, pela terceira lei da termodinâmica, toda a matéria terá sido convertida em energia térmica. Uma vez que esta conversão de energia esteja completa, nenhuma outra transformação pode ocorrer, pelo menos não sem outro evento hipotético singular como o Big Bang.

Uma "máquina de movimento perpétuo" (por exemplo, um pêndulo que oscila com o mesmo tempo e varredura sem nunca desacelerar) na Terra é impossível devido à resistência do ar e às perdas de energia associadas. Manter o dispositivo funcionando exigiria uma entrada de trabalho externo em algum ponto, anulando assim o propósito.