Закон збереження енергії: визначення, формула, похідне (з прикладами)

Оскільки фізика - це вивчення потоку речовини та енергіїзакон збереження енергіїє ключовою ідеєю для пояснення всього, що вивчає фізик, і способу його вивчення.

Фізика - це не запам’ятовування одиниць або рівнянь, а система, що регулює поведінку всіх частинок, навіть якщо подібність не очевидна з першого погляду.

​Перший закон термодинамікиє перекладом цього закону енергозбереження з точки зору теплової енергії:внутрішня енергіясистеми повинна дорівнювати загальній сумі всіх виконаних робіт у системі, плюс-мінус тепло, що надходить у систему або виходить із неї.

Іншим відомим принципом збереження у фізиці є закон збереження маси; як ви дізнаєтесь, ці два закони збереження - і вас тут також познайомлять з двома іншими - тісніше пов’язані, ніж це здається на око (або мозку).

Будь-яке дослідження універсальних фізичних принципів повинно бути підкріплене оглядом трьох основних законів руху, вироблених Ісааком Ньютоном сотні років тому. Це:

• ​Перший закон руху (закон інерції):Об'єкт з постійною швидкістю (або в стані спокою, де v = 0) залишається в цьому стані, якщо незбалансована зовнішня сила діє, щоб порушити його.
• ​Другий закон руху:Чиста сила (F_чистий) діє на прискорення об’єктів масою (м). Прискорення (а) - це швидкість зміни швидкості (v).
• ​Третій закон руху:Для кожної сили в природі існує сила, рівна за величиною і протилежна за напрямком.

Закони збереження у фізиці застосовуються до математичної досконалості лише справді ізольованих систем. У повсякденному житті такі сценарії трапляються рідко. Чотири збережені кількостімаси​, ​енергія​, ​імпульсімомент імпульсу. Останні три з них підпадають під сферу механіки.

​Масаце просто кількість речовини чого-небудь, і якщо помножити на місцеве прискорення внаслідок сили тяжіння, результатом є вага. Масу не можна знищити чи створити з нуля, як це може енергія.

​Імпульс- добуток маси об'єкта та його швидкості (м ·v). У системі з двох або більше частинок, що стикаються, загальний імпульс системи (сума індивідуального імпульси об’єктів) ніколи не змінюються, доки відсутні втрати на тертя або взаємодія із зовнішніми тіл.

​Момент імпульсу​ (​L) - це просто імпульс навколо осі обертається об'єкта і дорівнює m ·v · r, де r - відстань від об’єкта до осі обертання.

​Енергіяз'являється у багатьох формах, деякі корисніші за інші. Тепло, у якому вигляді в кінцевому підсумку призначено існувати всій енергії, є найменш корисним з точки зору використання його для корисної роботи, і, як правило, це продукт.

Закон збереження енергії можна записати:

де KE =кінетична енергія= (1/2) мv², PE =потенційна енергія(дорівнює mgh, коли сила тяжіння є єдиною діючою силою, але яка спостерігається в інших формах), IE = внутрішня енергія, а E = загальна енергія = константа.

• Ізольовані системи можуть мати механічну енергію, перетворену в теплову енергію в їх межах; Ви можете визначити "систему" як будь-яку вибрану вами установку, якщо Ви впевнені в її фізичних характеристиках. Це не порушує закон збереження енергії.

Вся енергія у Всесвіті виникла в результаті Великого Вибуху, і ця загальна кількість енергії не може змінитися. Натомість ми спостерігаємо енергію, що змінюється постійно, від кінетичної енергії (енергії руху) до теплової енергії, від хімічної енергії до електричної енергії, від гравітаційної потенційної енергії до механічної енергії тощо.

Тепло - це особливий вид енергії (термальна енергія) в тому, що, як зазначалося, він менш корисний для людини, ніж інші форми.

Це означає, що як тільки частина енергії системи перетворюється на тепло, її неможливо настільки легко повернути в більш корисну форму без додаткової роботи, яка вимагає додаткової енергії.

Люта кількість променистої енергії, яку сонце видає щосекунди, і ніколи не може повернути чи використати жодним чином постійне свідчення цієї реальності, яка постійно розгортається по всій галактиці та Всесвіті як ціле. Частина цієї енергії "захоплюється" в біологічних процесах на Землі, включаючи фотосинтез в Росії рослини, які виробляють власну їжу, а також забезпечують їжу (енергію) для тварин та бактерій, та так далі.

Його також можуть захопити продукти людської техніки, такі як сонячні елементи.

Студенти фізики середньої школи зазвичай використовують кругові діаграми або стовпчасті діаграми, щоб показати загальну енергію системи, що вивчається, і відстежити її зміни.

Оскільки загальна кількість енергії в пирозі (або сума висот брусків) не може змінюватися, різниця в зрізи або категорія брусків демонструє, скільки загальної енергії в будь-якій точці становить той чи інший вид енергії.

У сценарії для відстеження цих змін у різних точках можуть відображатися різні діаграми. Наприклад, зауважте, що кількість теплової енергії майже завжди збільшується, що в більшості випадків становить відходи.

Наприклад, якщо кинути м'яч під кутом 45 градусів, спочатку вся його енергія є кінетичною (оскільки h = 0), і тоді в точці, в якій куля досягає найвищої точки, становить його потенційна енергія як частка від загальної енергії найвищий.

Як піднімаючись, так і згодом падаючи, частина його енергії перетворюється в тепло в результаті сил тертя від повітря, тому KE + PE не залишається постійним протягом цього сценарію, а замість цього зменшується, тоді як загальна енергія E все ще залишається постійною.

(Вставте кілька прикладів діаграм із секторними / стовпчастими діаграмами, що відстежують зміни енергії

Якщо ви тримаєте 1,5-кг м'яч для боулінгу з даху на висоті 100 м (близько 30 поверхів) над землею, ви можете розрахувати його потенційну енергію, враховуючи, що значенняg = 9,8 м / с²і PE = mgh:

Якщо ви відпустите кульку, її нульова кінетична енергія зростає дедалі швидше, коли кулька падає і прискорюється. Як тільки він досягне землі, KE повинен дорівнювати значенню PE на початку задачі, або 1470 Дж. Зараз,

Припускаючи відсутність втрат енергії внаслідок тертя, збереження механічної енергії дозволяє розрахуватиv, що виявляється44,3 м / с.​

Студенти фізики можуть бути збентежені відомимимас-енергія​ ​рівняння​ (​E = mc²), задаючись питанням, чи не суперечить він закону Росіїзбереження енергії(абозбереження маси), оскільки це передбачає, що маса може бути перетворена в енергію і навпаки.

Це насправді не порушує жодного закону, оскільки демонструє, що маса та енергія насправді є різними формами одного і того ж. Це як би вимірювати їх у різних одиницях, враховуючи різні вимоги ситуацій класичної та квантової механіки.

У тепловій смерті Всесвіту, згідно з третім законом термодинаміки, вся речовина буде перетворена в теплову енергію. Як тільки це перетворення енергії завершиться, більше ніяких перетворень не може відбутися, принаймні не без іншої гіпотетичної особливої ​​події, такої як Великий вибух.

"Вічний рухомий апарат" (наприклад, маятник, який коливається з однаковим часом і розгорткою, ніколи не зменшуючи темп) на Землі неможливий через опір повітря та пов'язані з цим втрати енергії. Щоб утримати штуковіну, в якийсь момент знадобиться зовнішня робота, тим самим перемігши мету.