Lag om energibesparing: definition, formel, härledning (med / exempel)

Eftersom fysik är studien av hur materia och energi flödar,lag om energibesparingär en viktig idé för att förklara allt som en fysiker studerar och hur han eller hon studerar det.

Fysik handlar inte om att memorera enheter eller ekvationer utan om ett ramverk som styr hur alla partiklar beter sig, även om likheterna inte är uppenbara med en blick.

​Den första lagen om termodynamikär en omformulering av denna energibesparingslag när det gäller värmeenergi: Theinre energii ett system måste motsvara summan av allt arbete som utförts på systemet, plus eller minus värmen som strömmar in i eller ut ur systemet.

En annan välkänd bevarande princip i fysik är lagen om bevarande av massa; som du kommer att upptäcka är dessa två bevarandelagar - och du kommer också att presenteras för två andra här - närmare besläktade än vad som syns eller hjärnan.

Varje studie av universella fysiska principer bör stödjas av en granskning av de tre grundläggande rörelselagarna, hamrade i form av Isaac Newton för hundratals år sedan. Dessa är:

• ​Första rörelselagen (tröghetslagen):Ett objekt med konstant hastighet (eller i vila, där v = 0) förblir i detta tillstånd om inte en obalanserad extern kraft verkar för att störa det.
• ​Andra rörelselagen:En nettokraft (F_netto) verkar för att påskynda föremål med massa (m). Acceleration (a) är hastigheten på hastighetsförändringen (v).
• ​Tredje rörelselagen:För varje kraft i naturen finns en kraft lika stor och motsatt i riktning.

Lagarna för bevarande i fysik gäller matematisk perfektion i endast riktigt isolerade system. I vardagen är sådana scenarier sällsynta. Fyra konserverade kvantiteter ärmassa​, ​energi​, ​Momentumochvinkelmoment. De tre sista av dessa faller under mekanikens räckvidd.

​Massaär bara mängden materia av något, och när det multipliceras med den lokala accelerationen på grund av tyngdkraften är resultatet vikt. Mass kan inte mer förstöras eller skapas från grunden än energi kan.

​Momentumär produkten av ett objekts massa och dess hastighet (m ·v). I ett system med två eller flera kolliderande partiklar, totala systemets momentum (summan av individen objektens momenta) ändras aldrig så länge det inte finns några friktionsförluster eller interaktioner med externa kroppar.

​Vinkelmoment​ (​L) är bara momentum kring en axel för ett roterande objekt och är lika med m ·v · r, där r är avståndet från objektet till rotationsaxeln.

​Energivisas i många former, några mer användbara än andra. Värme, i vilken form all energi i slutändan är avsedd att existera, är minst användbar när det gäller att använda den till användbart arbete och är vanligtvis en produkt.

Lagen om bevarande av energi kan skrivas:

där KE =rörelseenergi= (1/2) mv², PE =potentiell energi(lika med mgh när tyngdkraften är den enda kraft som verkar men ses i andra former), IE = inre energi och E = total energi = en konstant.

• Isolerade system kan ha mekanisk energi omvandlad till värmeenergi inom sina gränser; du kan definiera ett "system" till vilken inställning du väljer, så länge du kan vara säker på dess fysiska egenskaper. Detta bryter inte mot lagstiftningen om bevarande av energi.

All energi i universum uppstod från Big Bang, och den totala mängden energi kan inte förändras. Istället observerar vi energiförändringar kontinuerligt, från kinetisk energi (rörelseenergi) till värmeenergi, från kemisk energi till elektrisk energi, från gravitationell potentiell energi till mekanisk energi och så vidare.

Värme är en speciell typ av energi (värmeenergi) genom att det, som nämnts, är mindre användbart för människor än andra former.

Detta innebär att när en del av energin i ett system har förvandlats till värme, kan den inte lika lätt återföras till en mer användbar form utan inmatning av ytterligare arbete, vilket tar ytterligare energi.

Den grymma mängden strålningsenergi som solen släpper ut varje sekund och kan aldrig på något sätt återvinna eller återanvända ett stående bevis på denna verklighet, som kontinuerligt utvecklas över hela galaxen och universum som en hela. En del av denna energi "fångas upp" i biologiska processer på jorden, inklusive fotosyntes i växter, som tillverkar sin egen mat samt tillhandahåller mat (energi) för djur och bakterier, och så vidare.

Det kan också fångas upp av produkter från human engineering, såsom solceller.

Gymnasieelever i fysik använder vanligtvis cirkeldiagram eller stapeldiagram för att visa den totala energin i systemet som studeras och för att spåra dess förändringar.

Eftersom den totala mängden energi i pajen (eller summan av staplarnas höjder) inte kan förändras, är skillnaden i skivor eller stapelkategorier visar hur mycket av den totala energin vid en given punkt är en eller annan energiform.

I ett scenario kan olika diagram visas på olika punkter för att spåra dessa förändringar. Observera till exempel att mängden termisk energi nästan alltid ökar, vilket representerar avfall i de flesta fall.

Om du till exempel kastar en boll i en 45 graders vinkel är all sin energi initialt kinetisk (eftersom h = 0), och sedan vid den punkt där bollen når sin högsta punkt är dess potentiella energi som andel av total energi högsta.

Både när den stiger och när den därefter faller omvandlas en del av dess energi till värme till följd av friktionskrafter från luft, så KE + PE förblir inte konstant under hela detta scenario utan minskar istället medan den totala energin E fortfarande förblir konstant.

(Infoga några exempel på diagram med cirkel- / stapeldiagram som spårar energiförändringar

Om du håller en 1,5 kg bowlingkula från ett tak på 100 m (cirka 30 våningar) över marken kan du beräkna dess potentiella energi med tanke på att värdet påg = 9,8 m / s²och PE = mgh:

Om du släpper bollen ökar dess kinetiska energi mer och snabbare när bollen faller och accelererar. I det ögonblick det når marken måste KE vara lika med värdet på PE i början av problemet, eller 1470 J. Just nu

Om vi ​​antar ingen energiförlust på grund av friktion kan du spara mekanisk energiv, vilket visar sig vara44,3 m / s.​

Fysikstudenter kan vara förvirrade av de berömdamassa-energi​ ​ekvation​ (​E = mc²) och undrar om det strider mot lagen ombevarande av energi(ellerBevarande av massa), eftersom det innebär att massa kan omvandlas till energi och vice versa.

Det bryter faktiskt inte mot någon av lagen för det visar att massa och energi faktiskt är olika former av samma sak. Det är ungefär som att mäta dem i olika enheter med tanke på de olika kraven i klassiska och kvantmekaniska situationer.

I universums värmedöd, enligt termodynamikens tredje lag, kommer all materia att ha omvandlats till termisk energi. När denna energiomvandling är klar kan inga fler transformationer inträffa, åtminstone inte utan en annan hypotetisk singelhändelse som Big Bang.

En "maskin för evig rörelse" (t.ex. en pendel som svänger med samma timing och sveper utan att någonsin sakta ner) på jorden är omöjlig på grund av luftmotstånd och tillhörande energiförluster. Att hålla gizmo igång skulle kräva en ingång av externt arbete någon gång och därmed besegra syftet.