Lov om konservering af energi: Definition, formel, afledning (w /eksempler)

Fordi fysik er studiet af, hvordan stof og energiflow er, er loven om bevarelse af energi en nøgleide til at forklare alt, hvad en fysiker studerer, og den måde, hvorpå han eller hun studerer det.

Fysik handler ikke om at huske enheder eller ligninger, men om en ramme, der styrer, hvordan alle partikler opfører sig, selvom lighederne ikke er tydelige med et øjeblik.

Termodynamikens første lov er en omformulering af denne energibesparelseslov med hensyn til varmeenergi: En systems indre energi skal svare til det samlede alt arbejde, der udføres på systemet, plus eller minus den varme, der strømmer ind i eller ud af systemet.

Et andet velkendt bevaringsprincip i fysik er loven om bevarelse af masse; som du opdager, er disse to konserveringslove - og du vil også blive introduceret for to andre her - tættere beslægtede end møder øjet (eller hjernen).
Newtons bevægelseslover

Enhver undersøgelse af universelle fysiske principper bør bakkes op af en gennemgang af de tre grundlæggende bevægelseslove, der er hamret i form af Isaac Newton for hundreder af år siden. Disse er:

Første bevægelseslov (inerti-lov): Et objekt med konstant hastighed (eller i hvile, hvor v \u003d 0) forbliver i denne tilstand, medmindre en ubalanceret ydre kraft virker for at forstyrre den .

Anden bevægelseslov: En nettokraft (F _{net) virker for at accelerere genstande med masse (m). Acceleration (a) er hastigheden for ændring af hastighed (v).}

Tredje bevægelseslov: For hver kraft i naturen findes der en styrke, der er lig med størrelse og modsat retning.

Konserverede mængder i fysik

Bevaringslove i fysik gælder matematisk perfektion i kun virkelig isolerede systemer. I hverdagen er sådanne scenarier sjældne. Fire bevarede mængder er masse
, energi
, momentum
og vinkelmoment
. De sidste tre af disse falder ind under mekanikens rækkevidde.

Masse er kun mængden af stof, noget, og når det ganges med den lokale acceleration på grund af tyngdekraften, er resultatet vægt. Masse kan ikke mere ødelægges eller skabes fra bunden end energi kan.

Momentum er produktet af et objekts masse og dets hastighed (m · v). I et system med to eller flere kolliderende partikler ændres systemets samlede momentum (summen af genstandens individuelle momenta) aldrig, så længe der ikke er friktionstab eller interaktion med eksterne organer.

Vinkelmomentum (L) er bare momentumet omkring en akse for et roterende objekt og er lig m · v · r, hvor r er afstanden fra objektet til rotationsaksen.

Energi vises i mange former, nogle mere nyttige end andre. Varme, den form, hvor al energi i sidste ende er bestemt til at eksistere, er den mindst nyttige med hensyn til at sætte den til nyttigt arbejde, og er normalt et produkt.

Loven om energibesparelse kan skrives :

KE + PE + IE \u003d E

hvor KE \u003d kinetisk energi \u003d (1/2) mv ^{2, PE \u003d potentiel energi (lig med mgh, når tyngdekraften er den eneste kraftvirkende, men set i andre former), IE \u003d intern energi, og E \u003d total energi \u003d en konstant.}

Isolerede systemer kan få mekanisk energi konverteret til varmeenergi inden for deres grænser; Du kan definere et "system" til enhver opsætning, du vælger, så længe du kan være sikker på dets fysiske egenskaber. Dette er ikke i strid med bevarelsen af energiloven.

Energitransformationer og energiformer

Al energien i universet stammede fra Big Bang, og den samlede mængde energi kan ikke ændres. I stedet observerer vi kontinuerligt skiftende former fra energi, fra kinetisk energi (bevægelsesenergi) til varmeenergi, fra kemisk energi til elektrisk energi, fra tyngdepotentialenergi til mekanisk energi og så videre.
Eksempler på energioverførsel

Varme er en speciel type energi ( termisk energi
), da den som nævnt er mindre nyttig for mennesker end andre former.

Dette betyder, at når en del af energien fra et system omdannes til varme, det kan ikke så let returneres til en mere nyttig form uden input af ekstra arbejde, der tager ekstra energi.

Den voldsomme mængde strålingsenergi, som solen udsætter hvert sekund og kan aldrig på nogen måde genanvendelse eller genbrug er et stående bevis på denne virkelighed, der konstant udfolder sig over hele galaksen og universet som helhed. En del af denne energi er "fanget" i biologiske processer på Jorden, herunder fotosyntesen i planter, der fremstiller deres egen mad og leverer mad (energi) til dyr og bakterier, og så videre.

Det kan også blive fanget af produkter fra human engineering, som solceller.
Sporing af energibesparelse

Gymnasiestuderende på gymnasiet bruger typisk cirkeldiagrammer eller søjlediagrammer for at vise den samlede energi i det undersøgte system og for at spore dens ændringer.

Fordi den samlede mængde energi i kagen (eller summen af højderne på bjælkerne) ikke kan ændres, demonstrerer forskellen i skiver eller søjlekategorier hvor meget af den samlede energi på et givet tidspunkt er en eller anden form for energi.

I et scenarie kan der vises forskellige diagrammer på forskellige punkter for at spore disse ændringer. Bemærk for eksempel, at mængden af termisk energi næsten altid øges, hvilket repræsenterer affald i de fleste tilfælde.

For eksempel, hvis du kaster en kugle i en 45-graders vinkel, er alle dens energi oprindeligt kinetisk (fordi h \u003d 0), og derefter på det tidspunkt, hvor bolden når sit højeste punkt, er dens potentielle energi som en andel af den samlede energi højest.

Både når den stiger, og når den derefter falder, er nogle af dens energi omdannes til varme som et resultat af friktionskræfter fra luften, så KE + PE forbliver ikke konstant i hele dette scenarie, men reduceres i stedet, mens den samlede energi E stadig forbliver konstant.

(Indsæt nogle eksempler på diagrammer med kage /søjlediagrammer, der sporer energiændringer - Kinematikeksempel: Frit fald

Hvis du holder en bowlingkugle på 1,5 kg fra et tag 100 m (ca. 30 etager) over jorden, kan du beregne dens potentielle energi i betragtning af at værdien af g \u003d 9,8 m /s ^{2 og PE \u003d mgh:}
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m /s ^{2) \u003d 1.470 Joule s (J)}
Hvis du frigiver bolden, øges dens nul kinetiske energi mere og mere hurtigt, når bolden falder og accelererer. I det øjeblik, det når jorden, skal KE være lig med værdien af PE i begyndelsen af problemet, eller 1.470 J. På dette øjeblik,

KE \u003d 1,470 \u003d (1/2) mv ^{2 \u003d (1/2) (1,5 kg) v ²}
Forudsat at der ikke er energitab på grund af friktion, bevarelse af mekanisk energi giver dig mulighed for at beregne v
, hvilket viser sig at være 44,3 m /s.
Hvad med Einstein?

Fysikstuderende kan måske forveksles af den berømte masse-energi ligning (E \u003d mc ^{2), og spekulerer på, om den trosser bevaringsloven energi (eller bevarelse af masse), da det indebærer, at masse kan konverteres til energi og vice versa.}
Det er faktisk ikke i strid med nogen af lovene, fordi det viser, at masse og energi faktisk er forskellige former for det samme ting. Det er ligesom at måle dem i forskellige enheder i betragtning af de forskellige krav fra klassiske og kvantemekaniske situationer.

I universets varmedød, i henhold til den tredje lov om termodynamik, vil al materie være omdannet til termisk energi. Når denne energikonvertering er afsluttet, kan der ikke forekomme flere transformationer, i det mindste ikke uden endnu en hypotetisk entall begivenhed som Big Bang.
The Perpetual Motion Machine?

En "evig bevægelsesmaskine" (f.eks. en pendel, der svinger med den samme timing og fejer uden nogensinde at bremse) på Jorden er umulig på grund af luftmodstand og dertil knyttede energitab. At holde gizmo i gang ville kræve et input af eksternt arbejde på et tidspunkt og således besejre formålet.

Sidste artikelKinetisk friktion: Definition, koefficient, formel (uden eksempler)

Næste artikelLov om bevarelse af masse: Definition, formel, historie (med eksempler)