Закон сохранения энергии: определение, формула, вывод (с примерами)

Поскольку физика изучает, как движутся материя и энергия,закон сохранения энергии- ключевая идея для объяснения всего, что изучает физик, и того, как он или она это изучает.

Физика - это не запоминание единиц или уравнений, а структура, которая управляет поведением всех частиц, даже если сходства не очевидны с первого взгляда.

​Первый закон термодинамикиявляется переформулировкой этого закона сохранения энергии в терминах тепловой энергии:внутренняя энергиямощности системы должно равняться сумме всей работы, проделанной в системе, плюс или минус количество тепла, поступающего в систему или из нее.

Другой хорошо известный в физике принцип сохранения - это закон сохранения массы; как вы обнаружите, эти два закона сохранения - и здесь вы также познакомитесь с двумя другими - более тесно связаны, чем кажется на первый взгляд (или мозг).

Любое исследование универсальных физических принципов должно подкрепляться обзором трех основных законов движения, приданных Исааком Ньютоном сотни лет назад. Эти:

• ​Первый закон движения (закон инерции):Объект с постоянной скоростью (или в состоянии покоя, где v = 0) остается в этом состоянии, если неуравновешенная внешняя сила не возмущает его.
• ​Второй закон движения:Чистая сила (F_сеть) действует для ускорения объектов массой (m). Ускорение (а) - это скорость изменения скорости (v).
• ​Третий закон движения:Для каждой силы в природе существует сила, равная по величине и противоположная по направлению.

Законы сохранения в физике применимы к математическому совершенству только в действительно изолированных системах. В повседневной жизни такие сценарии редки. Четыре сохраняемые величины:масса​, ​энергия​, ​импульса такжеугловой момент. Последние три из них относятся к сфере механики.

​Массаэто просто количество материи чего-либо, и если умножить его на местное ускорение свободного падения, получится вес. Массу нельзя разрушить или создать с нуля не больше, чем энергию.

​Импульсявляется произведением массы объекта и его скорости (м ·v). В системе из двух или более сталкивающихся частиц общий импульс системы (сумма отдельных импульсы объектов) никогда не изменяется, пока нет потерь на трение или взаимодействия с внешними тела.

​Угловой момент​ (​L) - это просто количество движения вокруг оси вращающегося объекта и равно m ·v · r, где r - расстояние от объекта до оси вращения.

​Энергияпоявляется во многих формах, одни более полезны, чем другие. Тепло - форма, в которой вся энергия в конечном итоге предназначена для существования, - наименее полезна с точки зрения использования ее для полезной работы и обычно является продуктом.

Закон сохранения энергии можно записать:

где KE =кинетическая энергия= (1/2) мv², PE =потенциальная энергия(равно mграммh, когда гравитация является единственной действующей силой, но проявляется в других формах), IE = внутренняя энергия, а E = полная энергия = константа.

• В изолированных системах механическая энергия может преобразовываться в тепловую в пределах своих границ; вы можете определить «систему» ​​как любую установку, которую вы выберете, при условии, что вы можете быть уверены в ее физических характеристиках. Это не нарушает закон сохранения энергии.

Вся энергия во Вселенной возникла в результате Большого взрыва, и это общее количество энергии не может измениться. Вместо этого мы наблюдаем непрерывно меняющуюся форму энергии, от кинетической энергии (энергии движения) до тепловой энергии, от химической энергии до электрической, от гравитационной потенциальной энергии до механической энергии и так далее.

Тепло - это особый вид энергии (термальная энергия) в том смысле, что, как уже отмечалось, он менее полезен для людей, чем другие формы.

Это означает, что, как только часть энергии системы преобразуется в тепло, ее нельзя так легко вернуть в более полезную форму без дополнительной работы, которая требует дополнительной энергии.

Свирепое количество лучистой энергии, которую солнце излучает каждую секунду, и которую невозможно ни в коем случае вернуть или использовать повторно, - постоянное свидетельство этой реальности, которая непрерывно разворачивается по всей галактике и вселенной как весь. Часть этой энергии «улавливается» в биологических процессах на Земле, включая фотосинтез в растения, которые сами производят пищу, а также обеспечивают пищей (энергией) животных и бактерии, и скоро.

Он также может быть захвачен продуктами человеческой инженерии, такими как солнечные батареи.

Учащиеся-физики средней школы обычно используют круговые диаграммы или гистограммы, чтобы показать общую энергию изучаемой системы и отслеживать ее изменения.

Поскольку общее количество энергии в круговой диаграмме (или сумма высот столбцов) не может измениться, разница в категории срезов или столбиков демонстрируют, какая часть общей энергии в любой заданной точке является той или иной формой энергии.

В одном сценарии в разных точках могут отображаться разные диаграммы для отслеживания этих изменений. Например, обратите внимание, что количество тепловой энергии почти всегда увеличивается, что в большинстве случаев представляет собой отходы.

Например, если вы бросите мяч под углом 45 градусов, сначала вся его энергия будет кинетической (потому что h = 0), и тогда в точке, в которой мяч достигает своей наивысшей точки, его потенциальная энергия как доля от общей энергии равна наибольший.

Как при подъеме, так и при последующем падении часть его энергии преобразуется в тепло в результате сил трения со стороны воздух, поэтому KE + PE не остается постоянным на протяжении всего этого сценария, а вместо этого уменьшается, в то время как общая энергия E остается постоянной.

(Вставьте несколько примеров диаграмм с круговыми / столбчатыми диаграммами, отслеживающими изменения энергии

Если вы держите шар для боулинга весом 1,5 кг с крыши на высоте 100 м (около 30 этажей) над землей, вы можете рассчитать его потенциальную энергию, учитывая, что значениеg = 9,8 м / с²и PE = mграммчас:

Если вы отпустите мяч, его нулевая кинетическая энергия увеличивается все быстрее и быстрее, когда мяч падает и ускоряется. В момент достижения земли KE должно быть равно значению PE в начале задачи, или 1470 Дж. В этот момент,

Предполагая, что потери энергии из-за трения отсутствуют, сохранение механической энергии позволяет рассчитатьv, который оказывается44,3 м / с.​

Студенты-физики могут быть сбиты с толку знаменитыммасса-энергия​ ​уравнение​ (​E = mc²), гадая, противоречит ли это законусохранение энергии(или жесохранение массы), поскольку это означает, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.

На самом деле это не нарушает ни один из законов, потому что демонстрирует, что масса и энергия на самом деле являются разными формами одного и того же. Это похоже на их измерение в разных единицах с учетом различных требований классической и квантовой механики.

В тепловой смерти Вселенной, согласно третьему закону термодинамики, вся материя будет преобразована в тепловую энергию. Как только это преобразование энергии завершится, никакие преобразования не могут произойти, по крайней мере, без другого гипотетического сингулярного события, такого как Большой взрыв.

«Вечный двигатель» (например, маятник, который вращается с той же скоростью и размахом, не замедляясь) на Земле невозможен из-за сопротивления воздуха и связанных с ним потерь энергии. Для того, чтобы эта штуковина работала, в какой-то момент потребовался бы ввод внешней работы, что противоречит цели.