Prawo zachowania energii: opis i przykłady

Energia potencjalna jest raczej abstrakcyjną wartością, ponieważ każdy obiekt, który ma pewną wysokość nad powierzchnią Ziemi, będzie już miał pewną ilość potencjalnej energii. Oblicza się ją przez pomnożenie prędkości. swobodny spadek do wysokości nad ziemią, a także do masy. Jeśli ciało się porusza, możesz mówić o obecności energii kinetycznej.

Wzór i opis prawa

Rezultat dodania energii kinetycznej i potencjalnej w układzie zamkniętym z zewnętrznego oddziaływania, którego części współdziałają ze względu na siły i siły sprężystości, nie ulega zmianie - jest to prawo zachowania energii w mechanice klasycznej. Wzór tej ustawy jest następujący: Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2. Ek1 to energia kinetyczna określonego ciała fizycznego w określonym momencie, a Ep1 jest potencjalny. To samo dotyczy Ek2 i Ep2, ale już w następnym okresie. Ale to prawo jest prawdziwe tylko wtedy, gdy system, w którym działa, jest zamknięty (lub konserwatywny). Sugeruje to, że wartość jest pełna energia mechaniczna nie zmienia się, gdy tylko siły konserwatywne działają na system. Kiedy wchodzą w grę siły niekonserwatywne, część energii ulega zmianie, przyjmując inne formy. Takie systemy nazywane są dyssypatywnymi. Prawo zachowania energii działa, gdy siły zewnętrzne nie wpływają na ciało.

Przykład prawa

Jednym z typowych przykładów ilustrujących opisane prawo jest eksperyment z kulą ze stali, która spada na płytę tej samej substancji lub na szkle, odbijając się od niej na mniej więcej taką samą wysokość jak przed upadkiem. Efekt ten uzyskuje się dzięki temu, że gdy obiekt porusza się, energia jest przekształcana kilka razy. Początkowo wartość energii potencjalnej zaczyna mieć tendencję do zera, podczas gdy kinetyka wzrasta, ale po zderzeniu staje się potencjalną energią sprężystego odkształcenia kuli.

Trwa to do chwili całkowitego zatrzymania przedmiotu, w którym rozpoczyna swój ruch w górę z powodu sił odkształcenia sprężystego zarówno płytki, jak i padłego obiektu. Ale jednocześnie wchodzi w grę potencjalna energia a. Ponieważ piłka jest rozumiana mniej więcej na tej samej wysokości, z której spadła, energia kinetyczna w niej jest taka sama. Ponadto suma wszystkich energii działających na poruszający się obiekt pozostaje taka sama w całym opisanym procesie, potwierdzając prawo zachowania całkowitej energii mechanicznej.

Elastyczna deformacja - co to jest?

Aby w pełni zrozumieć dany przykład, warto w pełni zrozumieć, jaka jest potencjalna energia elastycznego ciała - pojęcie to oznacza posiadanie elastyczności, która, gdy wszystkie części danego układu deformują się, może powrócić do stanu spoczynku, wykonując jakąś pracę nad ciałami, z którymi fizycznie obiekt. Na pracę sił sprężystości nie wpływa kształt trajektorii ruchu, ponieważ praca wykonywana kosztem ich zależy tylko od pozycji ciała na początku i końcu ruchu.

Kiedy są siły zewnętrzne

Ale prawo zachowania nie odnosi się do rzeczywistych procesów, w których bierze udział siła tarcia. Przykładem jest spadający obiekt na ziemi. Podczas kolizji energia kinetyczna a moc oporu wzrasta. Ten proces nie pasuje do mechaniki, ponieważ temperatura ciała wzrasta z powodu rosnącej oporności. Z powyższego wynika, że ​​prawo zachowania energii w mechanice ma poważne ograniczenia.

Termodynamika

Pierwsza zasada termodynamiki mówi: różnica między ilością ciepła nagromadzonego w wyniku pracy wykonywanej na obiektach zewnętrznych jest równa zmianie energia wewnętrzna ten niekonserwatywny system termodynamiczny.

Ale to stwierdzenie jest najczęściej formułowane w innej formie: ilość ciepła otrzymywanego przez układ termodynamiczny jest wydawana na prace wykonywane na obiektach poza systemem, a także na zmianę ilości energii wewnątrz układu. Zgodnie z tym prawem nie może zniknąć, przechodząc z jednej formy w drugą. Z tego wynika, że ​​stworzenie maszyny, która nie zużywa energii (tzw. Perpetuum mobile) jest niemożliwe, ponieważ system będzie potrzebował energii z zewnątrz. Ale wielu wciąż uparcie próbowało go stworzyć, nie biorąc pod uwagę prawa zachowania energii.

Przykład manifestacji prawa zachowania w termodynamice

Eksperymenty pokazują, że procesów termodynamicznych nie można odwrócić. Przykładem tego jest kontakt ciał o różnych temperaturach, przy których im więcej ciepła wydziela ciepło, a drugim - go. Odwrotny proces jest w zasadzie niemożliwy. Innym przykładem jest przenoszenie gazu z jednej części naczynia do drugiej po otwarciu przegrody między nimi, pod warunkiem, że druga część jest pusta. Substancja w tym przypadku nigdy nie zacznie się spontanicznie poruszać w przeciwnym kierunku. Z powyższego wynika, że ​​dowolny system termodynamiczny dąży do stanu spoczynku, w którym jego poszczególne części są w równowadze i mają tę samą temperaturę i ciśnienie.

Hydrodynamika

Zastosowanie prawa zachowania w procesach hydrodynamicznych wyraża się w zasadzie w sposób opisany przez Bernoulliego. Brzmi to tak: suma ciśnienia energii kinestetycznej i potencjalnej na jednostkę objętości jest taka sama w dowolnym punkcie przepływu cieczy lub gazu. Oznacza to, że do pomiaru natężenia przepływu wystarczy zmierzyć ciśnienie w dwóch punktach. Odbywa się to z reguły za pomocą manometru. Ale prawo Bernoulliego jest ważne tylko wtedy, gdy ciecz, o której mowa, ma lepkość zerową. Aby opisać przepływ rzeczywistych płynów, stosuje się całkę Bernoulliego, co oznacza dodanie określeń uwzględniających opór.

Elektrodynamika

Podczas elektryzacji dwóch ciał, liczba elektronów w nich pozostaje niezmieniona, z powodu których ładunek dodatni jednego ciała jest równy w skali do ładunku ujemnego drugiego. Tak więc prawo zachowania ładunku elektrycznego sugeruje, że w systemie izolowanym elektrycznie suma ładunków jego ciał nie zmienia się. To stwierdzenie jest również prawdziwe, gdy naładowane cząstki ulegają transformacji. Tak więc, gdy zderzają się 2 neutralnie naładowane cząstki, suma ich ładunków pozostaje wciąż zerowa, ponieważ dodatnio naładowana cząstka pojawia się wraz z ujemnie naładowaną cząstką.

Wniosek

Prawo zachowania energii mechanicznej, pędu i momentu - podstawowe prawa fizyczne związane z jednorodnością czasu i jego izotropią. Nie ograniczają się one do ram mechaniki i mają zastosowanie zarówno do procesów zachodzących w kosmosie, jak i do zjawisk kwantowych. Prawa zachowania pozwalają na uzyskanie danych o różnych procesach mechanicznych bez badania ich za pomocą równań ruchu. Jeśli jakiś proces w teorii ignoruje te zasady, wówczas przeprowadzanie eksperymentów w tym przypadku jest bez znaczenia, ponieważ będą nieskuteczne.