Zákon úspory energie: definícia, vzorec, odvodenie (s príkladmi)

Pretože fyzika je štúdiom toku hmoty a energie, týmzákon zachovania energieje kľúčová myšlienka na vysvetlenie všetkého, čo fyzik študuje, a spôsobu, akým to študuje.

Fyzika nie je o zapamätávaní si jednotiek alebo rovníc, ale o rámci, ktorý určuje, ako sa chovajú všetky častice, aj keď podobnosti nie sú na prvý pohľad zrejmé.

​Prvý zákon termodynamikyje preformulovanie tohto zákona o zachovaní energie z hľadiska tepelnej energie:vnútorná energiasystému sa musí rovnať súčtu všetkej práce vykonanej na systéme, plus alebo mínus teplo prúdiace do alebo zo systému.

Ďalším známym ochranným princípom vo fyzike je zákon zachovania hmotnosti; ako zistíte, tieto dva zákony ochrany - a tu sa tiež zoznámite s dvoma ďalšími - súvisia viac ako sa zdá na prvý pohľad (alebo mozog).

Akákoľvek štúdia univerzálnych fyzikálnych princípov by mala byť podložená prehľadom troch základných pohybových zákonov, ktoré do formy vtĺkol Isaac Newton pred stovkami rokov. Sú to:

• ​Prvý zákon pohybu (zákon zotrvačnosti):
  Objekt s konštantnou rýchlosťou (alebo v pokoji, kde v = 0) zostáva v tomto stave, pokiaľ na jeho narušenie nepôsobí nevyvážená vonkajšia sila.
• ​Druhý zákon pohybu:Čistá sila (F._sieť) pôsobí na urýchlenie predmetov s hmotnosťou (m). Zrýchlenie (a) je rýchlosť zmeny rýchlosti (v).
• ​Tretí zákon pohybu:Pre každú silu v prírode existuje sila rovnakej veľkosti a opačného smeru.

Zákony zachovania vo fyzike platia pre matematickú dokonalosť iba v skutočne izolovaných sústavách. V každodennom živote sú takéto scenáre zriedkavé. Štyri konzervované množstvá súomša​, ​energie​, ​spádamoment hybnosti. Posledné tri z nich spadajú do kompetencie mechaniky.

​Omšuje len množstvo hmoty niečoho, a keď sa vynásobí lokálnym zrýchlením v dôsledku gravitácie, výsledkom je hmotnosť. Hmotnosť nemôže byť zničená alebo vytvorená úplne od nuly ako energia.

​Spádje súčinom hmotnosti objektu a jeho rýchlosti (m ·v). V systéme dvoch alebo viacerých zrážajúcich sa častíc celková hybnosť systému (súčet jednotlivca momenty objektov) sa nikdy nezmení, pokiaľ nedôjde k stratám trením alebo interakcii s vonkajšími orgánov.

​Hybný moment​ (​Ľ) je iba hybnosť okolo osi rotujúceho objektu a rovná sa m ·v · r, kde r je vzdialenosť od objektu k osi otáčania.

​Energiesa objavuje v mnohých formách, niektoré sú užitočnejšie ako iné. Teplo, forma, v ktorej je nakoniec určená všetka energia, je najmenej užitočné z hľadiska jej vykonania v užitočnej práci a zvyčajne je produktom.

Zákon zachovania energie môže byť napísaný:

kde KE =Kinetická energia= (1/2) mv², PE =potenciálna energia(rovná sa mgh, keď gravitácia je jedinou pôsobiacou silou, ale viditeľnou v iných formách), IE = vnútorná energia a E = celková energia = konštanta.

• Izolované systémy môžu mať mechanickú energiu prevedenú na tepelnú v rámci svojich hraníc; „systém“ môžete definovať ako ľubovoľné nastavenie, ktoré si vyberiete, pokiaľ si môžete byť istý jeho fyzickými vlastnosťami. Toto neporušuje zákon o ochrane energie.

Všetka energia vo vesmíre vznikla z Veľkého tresku a toto celkové množstvo energie sa nemôže meniť. Namiesto toho neustále sledujeme formy meniace sa energiu, od kinetickej energie (energie pohybu) po tepelnú energiu, od chemickej energie po elektrickú, od gravitačnej potenciálnej energie po mechanickú energiu atď.

Teplo je špeciálny druh energie (termálna energia) v tom, že ako je uvedené, je pre ľudí menej užitočné ako iné formy.

To znamená, že akonáhle sa časť energie systému premení na teplo, nemožno ju tak ľahko vrátiť do užitočnejšej formy bez vstupu ďalšej práce, ktorá si vyžaduje ďalšiu energiu.

Zúrivé množstvo sálavej energie, ktorú slnko vydáva každú sekundu a nikdy sa nemôže žiadnym spôsobom znovu zužitkovať alebo znovu použiť stále svedectvo o tejto realite, ktorá sa neustále rozvíja po celej galaxii a vesmíre ako celý. Časť tejto energie je „zachytená“ v biologických procesoch na Zemi, vrátane fotosyntézy v - rastliny, ktoré si vyrábajú vlastné potraviny, ako aj poskytujú potravu (energiu) pre zvieratá a baktérie, a - tak ďalej.

Môže byť tiež zachytený produktmi ľudského inžinierstva, ako sú solárne články.

Študenti fyziky na strednej škole zvyčajne používajú koláčové grafy alebo stĺpcové grafy na zobrazenie celkovej energie študovaného systému a na sledovanie jej zmien.

Pretože celkové množstvo energie v koláči (alebo súčet výšok tyčí) sa nemôže meniť, rozdiel v rezy alebo stĺpcové kategórie demonštrujú, koľko z celkovej energie v danom bode je jedna forma energie alebo iná.

V scenári sa môžu na rôznych miestach zobraziť rôzne grafy na sledovanie týchto zmien. Napríklad si uvedomte, že množstvo tepelnej energie sa takmer vždy zvyšuje, čo vo väčšine prípadov predstavuje odpad.

Napríklad, ak hodíte loptičku pod 45-stupňovým uhlom, spočiatku je všetka jej energia kinetická (pretože h = 0) a potom v bode, v ktorom lopta dosiahne svoj najvyšší bod, je jej potenciálna energia ako podiel na celkovej energii najvyššia.

Ako stúpa, tak aj následne klesá, sa časť jeho energie premieňa na teplo v dôsledku trecích síl z vzduchu, takže KE + PE nezostáva konštantný počas celého tohto scenára, ale naopak klesá, zatiaľ čo celková energia E stále zostáva konštantná.

(Vložte niekoľko príkladov diagramov s koláčovými / stĺpcovými grafmi sledujúcich zmeny energie

Ak držíte 1,5 kg bowlingovú guľu zo strechy 100 m (asi 30 poschodí) nad zemou, môžete vypočítať jej potenciálnu energiu za predpokladu, že hodnotag = 9,8 m / s²a PE = mgh:

Ak uvoľníte loptu, jej nulová kinetická energia sa zvyšuje rýchlejšie a rýchlejšie ako lopta klesá a zrýchľuje sa. V okamihu, keď sa dostane na zem, musí sa KE rovnať hodnote PE na začiatku problému alebo 1 470 J. V tejto chvíli

Za predpokladu, že nedôjde k strate energie v dôsledku trenia, je možné vypočítať úsporu mechanickej energiev, ktorý sa ukáže byť44,3 m / s.​

Študenti fyziky by mohli byť slávnymi zmätenímasová energia​ ​rovnica​ (​E = mc²) a zaujíma vás, či je v rozpore so zákonom zúspora energie(alebozachovanie hmotnosti), pretože to znamená, že hmotnosť sa dá previesť na energiu a naopak.

V skutočnosti neporušuje ani jeden zákon, pretože ukazuje, že hmotnosť a energia sú v skutočnosti rôzne formy toho istého. Je to niečo podobné ako ich meranie v rôznych jednotkách vzhľadom na rôzne nároky situácií klasickej a kvantovej mechaniky.

Pri tepelnej smrti vesmíru bude podľa tretieho zákona termodynamiky všetka hmota prevedená na tepelnú energiu. Len čo je táto premena energie dokončená, už nemôže dôjsť k žiadnym transformáciám, prinajmenšom nie bez ďalšej hypotetickej singulárnej udalosti, ako je Veľký tresk.

„Perpetučný stroj“ (napr. Kyvadlo, ktoré sa hojdá s rovnakým časovaním a zametá bez spomalenia) na Zemi je nemožné kvôli odporu vzduchu a súvisiacim stratám energie. Udržať gizmo v chode by si v určitom okamihu vyžadovalo vstup externej práce, čím by sa porušil účel.