Zakon o ohranjanju energije: definicija, formula, izpeljava (z primeri)

Ker je fizika preučevanje pretoka snovi in ​​energije,zakon o ohranjanju energijeje ključna ideja za razlago vsega, kar fizik študira, in načina, kako se ukvarja s študijem.

Pri fiziki ne gre za zapomnitev enot ali enačb, temveč za ogrodje, ki ureja, kako se obnašajo vsi delci, četudi podobnosti niso hitro vidne.

​Prvi zakon termodinamikeje ponovitev tega zakona o ohranjanju energije v smislu toplotne energije:notranja energijasistema mora biti enak skupnemu celotnemu delu na sistemu, plus ali minus toplota, ki teče v sistem ali iz njega.

Drugo dobro ohranjeno načelo v fiziki je zakon ohranjanja mase; kot boste odkrili, sta ta dva zakona o ohranjanju - in tu se boste seznanili še z dvema - tesneje povezana, kot se zdi na prvi pogled (ali možgani).

Vsako študijo univerzalnih fizikalnih načel bi moral podpreti pregled treh osnovnih zakonov gibanja, ki jih je pred stotimi leti oblikoval Isaac Newton. To so:

• ​Prvi zakon gibanja (vztrajnostni zakon):Predmet s konstantno hitrostjo (ali v mirovanju, kjer je v = 0) ostane v tem stanju, razen če neuravnotežena zunanja sila deluje, da ga moti.
  instagram story viewer
• ​Drugi zakon gibanja:Neto sila (F_mreža) deluje za pospeševanje predmetov z maso (m). Pospešek (a) je hitrost spremembe hitrosti (v).
• ​Tretji zakon gibanja:Za vsako silo v naravi obstaja sila, enaka po velikosti in nasprotna po smeri.

Zakoni ohranjanja v fiziki veljajo za matematično popolnost le v resnično izoliranih sistemih. V vsakdanjem življenju so takšni scenariji redki. Štiri ohranjene količine somaso​, ​energija​, ​zagoninkotni moment. Zadnji trije spadajo v pristojnost mehanike.

​Mašaje le količina snovi nečesa in če se pomnoži z lokalnim pospeškom zaradi gravitacije, je rezultat teža. Mase ne moremo več uničiti ali ustvariti iz nič, kot jo lahko energija.

​Zagonje zmnožek mase predmeta in njegove hitrosti (m ·v). V sistemu dveh ali več trkajočih delcev je skupni zagon sistema (vsota posameznika trenutki predmetov) se nikoli ne spremenijo, če ni izgub zaradi trenja ali interakcij z zunanjimi telesa.

​Kotni moment​ (​L) je le gibalni zagon okoli osi vrtljivega predmeta in je enak m ·v · r, kjer je r razdalja od predmeta do osi vrtenja.

​Energijapojavlja v številnih oblikah, nekatere bolj uporabne kot druge. Toplota, v kateri je na koncu obsojena vsa energija, je najmanj koristna za njeno koristno delo in je običajno izdelek.

Zakon o ohranjanju energije lahko zapišemo:

kjer je KE =kinetična energija= (1/2) mv², PE =potencialna energija(enako mgh, ko je gravitacija edina sila, ki jo vidimo v drugih oblikah), IE = notranja energija in E = skupna energija = konstanta.

• Izolirani sistemi imajo lahko znotraj svojih meja mehansko energijo, pretvorjeno v toplotno; "sistem" lahko definirate kot katero koli nastavitev, ki ste jo izbrali, če ste prepričani v njegove fizične lastnosti. To ne krši zakona o ohranjanju energije.

Vsa energija v vesolju je nastala iz Velikega poka in ta skupna količina energije se ne more spremeniti. Namesto tega neprestano opazujemo oblike, ki se spreminjajo, od kinetične energije (energije gibanja) do toplotne energije, od kemične energije do električne energije, od gravitacijske potencialne energije do mehanske energije itd.

Toplota je posebna vrsta energije (termalna energija), ker je, kot smo že omenili, za ljudi manj uporaben kot druge oblike.

To pomeni, da ko se del energije sistema enkrat spremeni v toploto, ga ni mogoče tako enostavno vrniti v uporabnejšo obliko brez vložka dodatnega dela, ki zahteva dodatno energijo.

Divja količina sevalne energije, ki jo sonce odda vsako sekundo, in je nikakor ne more povrniti ali ponovno uporabiti stalna priča o tej resničnosti, ki se neprestano odvija po vsej galaksiji in vesolju kot a celota. Del te energije je "zajet" v bioloških procesih na Zemlji, vključno s fotosintezo v Ljubljani - rastline, ki si same proizvajajo hrano, pa tudi zagotavljajo hrano (energijo) za živali in bakterije, in tako naprej.

Ujamejo ga lahko tudi izdelki človeškega inženiringa, kot so sončne celice.

Študentje fizike v srednjih šolah običajno uporabljajo tortne diagrame ali palične grafe, da prikažejo celotno energijo sistema, ki se preučuje, in za sledenje spremembam.

Ker se skupna količina energije v piti (ali vsota višin palic) ne more spremeniti, je razlika v rezine ali vrstice kaže, koliko celotne energije na kateri koli točki je ena ali druga oblika energije.

V scenariju so lahko na različnih točkah prikazani različni grafikoni za sledenje tem spremembam. Na primer, upoštevajte, da se količina toplotne energije skoraj vedno poveča, kar v večini primerov predstavlja odpadke.

Če na primer žogo vržete pod kotom 45 stopinj, je sprva vsa njena energija kinetična (ker je h = 0) in takrat je na točki, ko žoga doseže najvišjo točko, njena potencialna energija kot delež celotne energije najvišji.

Ko se dviga in nato pada, se del njene energije pretvori v toploto zaradi sil trenja iz zrak, zato KE + PE v tem scenariju ne ostane konstanten, temveč se zmanjša, medtem ko celotna energija E še vedno ostaja nespremenjena.

(Vstavite nekaj diagramov s tortnimi / stolpčnimi grafikoni, ki spremljajo spremembe energije

Če 1,5-kilogramsko kegljanje držite na strehi 100 m (približno 30 nadstropij) nad tlemi, lahko izračunate njeno potencialno energijo, saj je vrednostg = 9,8 m / s²in PE = mgh:

Če žogo spustite, se njena nična kinetična energija vedno hitreje povečuje, ko žoga pada in pospešuje. V trenutku, ko pride na tla, mora biti KE enak vrednosti PE na začetku težave ali 1.470 J. Ta trenutek,

Če predpostavimo, da zaradi trenja ni izgube energije, ohranjanje mehanske energije omogoča izračunv, kar se izkaže za44,3 m / s.​

Študentje fizike bi znani morda zmedlimasa-energija​ ​enačba​ (​E = mc²), sprašujem se, ali kljubuje zakonuohranjanje energije(aliohranjanje mase), saj pomeni, da je maso mogoče pretvoriti v energijo in obratno.

Pravzaprav ne krši nobenega zakona, ker dokazuje, da sta masa in energija dejansko različni obliki iste stvari. To je nekako tako, kot bi jih merili v različnih enotah glede na različne zahteve klasične in kvantne mehanike.

V toplotni smrti vesolja bo po tretjem zakonu termodinamike vsa snov pretvorjena v toplotno energijo. Ko bo ta pretvorba energije končana, ne bo več sprememb, vsaj ne brez drugega hipotetičnega singularnega dogodka, kot je Veliki pok.

"Perpetual motion machine" (npr. Nihalo, ki se niha z enakim časom in niha, ne da bi se kdaj upočasnilo) na Zemlji je nemogoče zaradi zračnega upora in s tem povezanih izgub energije. Če želite nadaljevati gizmo, bi v določenem trenutku zahtevali zunanje delo in s tem premagali namen.