Enerjinin Korunumu Yasası: Tanım, Formül, Türetme (Örneklerle)

Fizik, maddenin ve enerjinin nasıl aktığının incelenmesi olduğu için,enerji korunumu yasasıbir fizikçinin incelediği her şeyi ve onu nasıl incelediğini açıklamak için anahtar bir fikirdir.

Fizik, birimleri veya denklemleri ezberlemekle ilgili değil, benzerlikler bir bakışta belirgin olmasa bile tüm parçacıkların nasıl davrandığını yöneten bir çerçeve ile ilgilidir.

​Termodinamiğin birinci yasasıbu enerji korunumu yasasının ısı enerjisi cinsinden yeniden ifadesidir:içsel enerjiBir sistemin toplam değeri, sistem üzerinde yapılan tüm işlerin toplamına artı veya eksi sisteme giren veya sistemden çıkan ısıya eşit olmalıdır.

Fizikte iyi bilinen bir başka korunum ilkesi de kütlenin korunumu yasasıdır; keşfedeceğiniz gibi, bu iki korunum yasası - ve burada diğer ikisiyle de tanışacaksınız - gözle (veya beyinle) karşılaşmaktan daha yakından ilişkilidir.

Evrensel fiziksel ilkelerin herhangi bir çalışması, yüzlerce yıl önce Isaac Newton tarafından biçimlendirilen üç temel hareket yasasının gözden geçirilmesiyle desteklenmelidir. Bunlar:

• ​Birinci hareket yasası (atalet yasası):Sabit hıza sahip bir nesne (veya hareketsiz durumda, v = 0), dengelenmemiş bir dış kuvvet onu bozmak için hareket etmedikçe bu durumda kalır.
• ​İkinci hareket yasası:Bir net kuvvet (F_ağ) kütlesi (m) olan nesneleri hızlandırmak için hareket eder. İvme (a), hızın (v) değişim oranıdır.
• ​Üçüncü hareket yasası:Doğadaki her kuvvet için, büyüklük olarak eşit ve zıt yönde bir kuvvet vardır.

Fizikteki korunum yasaları, yalnızca gerçekten yalıtılmış sistemlerde matematiksel mükemmellik için geçerlidir. Günlük yaşamda, bu tür senaryolar nadirdir. Dört korunan miktarkitle​, ​enerji​, ​itmeveaçısal momentum. Bunların son üçü mekaniğin kapsamına girer.

​kitlesadece bir şeyin madde miktarıdır ve yerçekimine bağlı yerel ivme ile çarpıldığında sonuç ağırlıktır. Kütle, enerjiden daha fazla yok edilemez veya sıfırdan yaratılamaz.

​İtmebir nesnenin kütlesi ile hızının çarpımıdır (m·v). İki veya daha fazla çarpışan parçacıktan oluşan bir sistemde, sistemin toplam momentumu (bireysel parçacıkların toplamı) cisimlerin momentumu) sürtünme kayıpları veya dış etkenlerle etkileşimler olmadığı sürece asla değişmez. vücutlar.

​Açısal momentum​ (​L) sadece dönen bir nesnenin ekseni etrafındaki momentumdur ve m'ye eşittir.v·r, burada r nesneden dönme eksenine olan mesafedir.

​Enerjibirçok biçimde görünür, bazıları diğerlerinden daha faydalıdır. Tüm enerjinin nihai olarak var olmaya yazgılı olduğu form olan ısı, onu faydalı işe koyma açısından en az faydalı olanıdır ve genellikle bir üründür.

Enerjinin korunumu yasası yazılabilir:

nerede KE =kinetik enerji= (1/2)mv², PE =potansiyel enerji(m'ye eşitgh yerçekimi etki eden tek kuvvet olduğunda, ancak diğer biçimlerde görüldüğünde), IE = iç enerji ve E = toplam enerji = bir sabit.

• İzole sistemler kendi sınırları içinde mekanik enerjiyi ısı enerjisine çevirebilir; Fiziksel özelliklerinden emin olabileceğiniz sürece, seçtiğiniz herhangi bir kurulum olarak bir "sistem" tanımlayabilirsiniz. Bu, enerjinin korunumu yasasını ihlal etmez.

Evrendeki tüm enerji Büyük Patlama'dan doğdu ve bu toplam enerji miktarı değişemez. Bunun yerine, kinetik enerjiden (hareket enerjisi) ısı enerjisine kadar sürekli değişen enerji formlarını gözlemleriz. kimyasal enerjiden elektrik enerjisine, yerçekimi potansiyel enerjisinden mekanik enerjiye vb.

Isı özel bir enerji türüdür (Termal enerji) belirtildiği gibi, insanlar için diğer formlardan daha az faydalıdır.

Bu, bir sistemin enerjisinin bir kısmı ısıya dönüştürüldüğünde, ek enerji gerektiren ek iş girişi olmadan daha kullanışlı bir forma kolayca geri döndürülemeyeceği anlamına gelir.

Güneşin her saniye yaydığı ve hiçbir şekilde geri kazanamayacağı ya da yeniden kullanamayacağı korkunç miktardaki radyan enerji, tüm galakside ve evrende sürekli olarak ortaya çıkan bu gerçekliğin kalıcı bir kanıtıdır. bütün. Bu enerjinin bir kısmı, dünyadaki fotosentez de dahil olmak üzere dünyadaki biyolojik süreçlerde "yakalanır". hem kendi besinini üreten hem de hayvanlara ve bakterilere besin (enerji) sağlayan bitkiler ve yakında.

Ayrıca güneş pilleri gibi insan mühendisliği ürünleri tarafından da yakalanabilir.

Lise fizik öğrencileri, incelenen sistemin toplam enerjisini göstermek ve değişikliklerini izlemek için genellikle pasta grafikleri veya çubuk grafikler kullanır.

Pastadaki toplam enerji miktarı (veya çubukların yükseklikleri toplamı) değişemeyeceğinden, dilimler veya çubuk kategorileri, herhangi bir noktadaki toplam enerjinin ne kadarının bir enerji biçimi olduğunu gösterir.

Bir senaryoda, bu değişiklikleri izlemek için farklı noktalarda farklı grafikler gösterilebilir. Örneğin, çoğu durumda israfı temsil eden termal enerji miktarının neredeyse her zaman arttığına dikkat edin.

Örneğin, 45 derecelik bir açıyla bir top atarsanız, başlangıçta tüm enerjisi kinetiktir (çünkü h = 0) ve daha sonra topun en yüksek noktasına ulaştığı noktada, toplam enerjinin bir payı olarak potansiyel enerjisi en yüksek.

Hem yükselirken hem de daha sonra düşerken, enerjisinin bir kısmı, sürtünme kuvvetlerinin bir sonucu olarak ısıya dönüşür. hava, dolayısıyla KE + PE bu senaryo boyunca sabit kalmaz, bunun yerine toplam enerji E sabit kalırken azalır.

(Enerji değişikliklerini izleyen pasta/çubuk grafiklerle bazı örnek diyagramlar ekleyin

Yerden 100 m (yaklaşık 30 kat) yükseklikte bir çatıdan 1,5 kg'lık bir bowling topunu tutarsanız, potansiyel enerjisini aşağıdaki değere göre hesaplayabilirsiniz.g = 9.8 m/s²ve PE = mgh:

Topu bırakırsanız, top düşerek hızlanırken sıfır kinetik enerjisi gitgide daha hızlı artar. Yere ulaştığı anda KE, problemin başlangıcındaki PE değerine veya 1.470 J'ye eşit olmalıdır. Şu anda,

Sürtünme nedeniyle enerji kaybının olmadığı varsayıldığında, mekanik enerjinin korunumu hesaplamanıza olanak tanır.v, olduğu ortaya çıkıyor44,3 m/sn.​

Fizik öğrencilerinin kafası karışmış olabilirkütle-enerji​ ​denklem​ (​E = mc²), yasaya aykırı olup olmadığını merak ederekenerjinin korunumu(veyakütlenin korunumu), çünkü kütlenin enerjiye dönüştürülebileceğini ve bunun tersini de ima eder.

Aslında her iki yasayı da ihlal etmez çünkü kütle ve enerjinin aslında aynı şeyin farklı biçimleri olduğunu gösterir. Klasik ve kuantum mekaniği durumlarının farklı talepleri göz önüne alındığında, onları farklı birimlerde ölçmek gibi bir şey.

Evrenin ısı ölümünde, termodinamiğin üçüncü yasasına göre, tüm maddeler termal enerjiye dönüştürülmüş olacaktır. Bu enerji dönüşümü tamamlandıktan sonra, en azından Büyük Patlama gibi başka bir varsayımsal tekil olay olmadan, daha fazla dönüşüm gerçekleşemez.

Hava direnci ve buna bağlı enerji kayıpları nedeniyle Dünya'da bir "sürekli hareket makinesi" (örneğin, aynı zamanlama ile sallanan ve hiç yavaşlamadan süpüren bir sarkaç) imkansızdır. Gizmo'yu devam ettirmek için bir noktada harici bir çalışma girişi gerektirecek ve böylece amacı bozacaktır.