Legea conservării energiei: definiție, formulă, derivare (cu exemple)

Deoarece fizica este studiul modului în care materia și energia curg, fluxullegea conservării energieieste o idee cheie pentru a explica tot ceea ce studiază un fizician și modul în care el sau ea se ocupă de studierea acestuia.

Fizica nu este despre memorarea unităților sau ecuațiilor, ci despre un cadru care guvernează modul în care se comportă toate particulele, chiar dacă asemănările nu sunt evidente dintr-o privire.

​Prima lege a termodinamiciieste o reformulare a acestei legi de conservare a energiei în termeni de energie termică:energie internaunui sistem trebuie să fie egal cu totalul muncii efectuate pe sistem, plus sau minus căldura care curge în sau din sistem.

Un alt principiu binecunoscut de conservare în fizică este legea conservării masei; după cum veți descoperi, aceste două legi de conservare - și veți fi prezentate și altor două aici - sunt mai strâns înrudite decât ceea ce pare ochiul (sau creierul).

Orice studiu al principiilor fizice universale ar trebui să fie susținut de o revizuire a celor trei legi de bază ale mișcării, realizate în formă de Isaac Newton cu sute de ani în urmă. Acestea sunt:

• ​Prima lege a mișcării (legea inerției):Un obiect cu viteză constantă (sau în repaus, unde v = 0) rămâne în această stare, cu excepția cazului în care o forță externă dezechilibrată acționează pentru a-l perturba.
• ​A doua lege a mișcării:O forță netă (F_net) acționează pentru a accelera obiecte cu masă (m). Accelerarea (a) este rata de schimbare a vitezei (v).
• ​A treia lege a mișcării:Pentru fiecare forță din natură, există o forță egală în mărime și opusă în direcție.

Legile conservării în fizică se aplică perfecțiunii matematice numai în sisteme cu adevărat izolate. În viața de zi cu zi, astfel de scenarii sunt rare. Patru cantități conservate suntmasa​, ​energie​, ​impulsșiimpuls unghiular. Ultimele trei dintre acestea intră sub incidența mecanicii.

​Masaeste doar cantitatea de materie a ceva și, atunci când este înmulțită cu accelerația locală datorată gravitației, rezultatul este greutatea. Masa nu mai poate fi distrusă sau creată de la zero decât poate energia.

​Impulseste produsul masei unui obiect și al vitezei acestuia (m ·v). Într-un sistem de două sau mai multe particule care se ciocnesc, totalul impulsului sistemului (suma individului momentele obiectelor) nu se schimbă niciodată atâta timp cât nu există pierderi prin frecare sau interacțiuni cu externe corpuri.

​Impuls unghiular​ (​L) este doar impulsul în jurul unei axe a unui obiect rotativ și este egal cu m ·v · r, unde r este distanța de la obiect la axa de rotație.

​Energieapare sub multe forme, unele mai utile decât altele. Căldura, forma în care toată energia este destinată în cele din urmă să existe, este cea mai puțin utilă în ceea ce privește punerea ei la lucru util și este de obicei un produs.

Legea conservării energiei poate fi scrisă:

unde KE =energie kinetică= (1/2) mv², PE =energie potențială(egal cu mgh când gravitația este singura forță care acționează, dar observată în alte forme), IE = energia internă și E = energia totală = o constantă.

• Sistemele izolate pot avea energie mecanică convertită în energie termică în limitele lor; puteți defini un „sistem” pentru a fi orice setare pe care o alegeți, atâta timp cât puteți fi sigur de caracteristicile sale fizice. Acest lucru nu încalcă legea privind conservarea energiei.

Toată energia din univers a apărut din Big Bang și acea cantitate totală de energie nu se poate schimba. În schimb, observăm continuu formele care schimbă energia, de la energia cinetică (energia mișcării) la energia termică, de la energie chimică la energie electrică, de la energia potențială gravitațională la energie mecanică și așa mai departe.

Căldura este un tip special de energie (energie termală) prin aceea că, după cum sa menționat, este mai puțin util pentru oameni decât alte forme.

Aceasta înseamnă că, odată ce o parte a energiei unui sistem este transformată în căldură, acesta nu poate fi redat la fel de ușor într-o formă mai utilă fără aportul de muncă suplimentară, care necesită energie suplimentară.

Cantitatea feroce de energie radiantă pe care soarele o scoate în fiecare secundă și nu poate niciodată în niciun fel să o recupereze sau să o reutilizeze o dovadă permanentă a acestei realități, care se desfășoară continuu în toată galaxia și universul ca un întreg. O parte din această energie este „captată” în procesele biologice de pe Pământ, inclusiv fotosinteza în plante, care își produc propria hrană, precum și furnizarea de hrană (energie) pentru animale și bacterii și curând.

Poate fi captat și de produse de inginerie umană, cum ar fi celulele solare.

Elevii de fizică din liceu folosesc de obicei diagrame sau grafice cu bare pentru a arăta energia totală a sistemului în studiu și pentru a urmări modificările acestuia.

Deoarece cantitatea totală de energie din plăcintă (sau suma înălțimilor barelor) nu se poate modifica, diferența în felii sau categorii de bare demonstrează cât de mult din energia totală într-un punct dat este o formă de energie sau alta.

Într-un scenariu, diferite diagrame pot fi afișate în diferite puncte pentru a urmări aceste modificări. De exemplu, rețineți că cantitatea de energie termică crește aproape întotdeauna, reprezentând deșeuri în majoritatea cazurilor.

De exemplu, dacă arunci o minge la un unghi de 45 de grade, inițial toată energia ei este cinetică (deoarece h = 0) și apoi în punctul în care mingea atinge punctul său cel mai înalt, energia sa potențială ca parte din energia totală este cel mai inalt.

Atât pe măsură ce crește, cât și pe măsură ce cade ulterior, o parte din energia sa se transformă în căldură ca urmare a forțelor de frecare din aer, deci KE + PE nu rămâne constant pe tot parcursul acestui scenariu, ci scade în timp ce energia totală E rămâne constantă.

(Introduceți câteva exemple de diagrame cu diagrame cu bare / bare care urmăresc schimbările de energie

Dacă țineți o minge de bowling de 1,5 kg de pe acoperiș la 100 m (aproximativ 30 de etaje) deasupra solului, puteți calcula energia sa potențială, având în vedere că valoareag = 9,8 m / s²și PE = mgh:

Dacă eliberați mingea, energia cinetică zero crește din ce în ce mai repede pe măsură ce bila cade și accelerează. În momentul în care ajunge la sol, KE trebuie să fie egală cu valoarea PE la începutul problemei sau 1.470 J. În acest moment,

Presupunând că nu există pierderi de energie din cauza fricțiunii, conservarea energiei mecanice vă permite să calculațiv, care se dovedește a fi44,3 m / s.​

Studenții la fizică ar putea fi confundați de faimosmasă-energie​ ​ecuaţie​ (​E = mc²), întrebându-se dacă sfidează legeaconservarea Energiei(sauconservarea masei), deoarece presupune că masa poate fi convertită în energie și invers.

De fapt, nu încalcă niciuna dintre legi, deoarece demonstrează că masa și energia sunt de fapt forme diferite ale aceluiași lucru. Este cam ca să le măsurăm în diferite unități, având în vedere cerințele diferite ale situațiilor de mecanică clasică și cuantică.

În moartea călduroasă a universului, conform celei de-a treia legi a termodinamicii, toată materia va fi convertită în energie termică. Odată ce această conversie a energiei este completă, nu mai pot apărea transformări, cel puțin nu fără un alt eveniment singular ipotetic, cum ar fi Big Bang.

O „mașină de mișcare perpetuă” (de exemplu, un pendul care se leagănă cu același moment și mătură fără a încetini vreodată) pe Pământ este imposibilă din cauza rezistenței aerului și a pierderilor de energie asociate. Pentru a menține aparatul în funcțiune ar necesita o intrare de lucru extern la un moment dat, învingând astfel scopul.