De wet van behoud van energie: beschrijving en voorbeelden

Inhoudsopgave:

De wet van behoud van energie: beschrijving en voorbeelden
De wet van behoud van energie: beschrijving en voorbeelden
Anonim

Potentiële energie is eerder een abstracte hoeveelheid, omdat elk object dat een bepaalde hoogte boven het aardoppervlak heeft al een bepaalde hoeveelheid potentiële energie heeft. Het wordt berekend door de snelheid van de vrije val te vermenigvuldigen met de hoogte boven de aarde en ook met de massa. Als het lichaam in beweging is, kunnen we praten over de aanwezigheid van kinetische energie.

wet van energiebesparing
wet van energiebesparing

Formule en beschrijving van de wet

Het resultaat van de toevoeging van kinetische en potentiële energie in een systeem afgesloten van externe invloeden, waarvan de delen interageren door de krachten van elasticiteit en zwaartekracht, verandert niet - dit is de wet van behoud van energie in klassieke mechanica. De formule van deze wet ziet er als volgt uit: Ek1+Ep1=Ek2+Ep2. Hier is Ek1 de kinetische energie van een bepaald fysiek lichaam op een bepaald moment in de tijd, en Ep1 is de potentiële energie. Hetzelfde geldt voor Ek2 en Ep2, maar al in de volgende periode. Maar deze wet is alleen waar als het systeem waarin het opereert gesloten (of conservatief) is. Dit suggereert dat de waarde van de totale mechanische energie niet verandert wanneer alleen conservatieve krachten op het systeem inwerken. Wanneer niet-conservatieve krachten in het spel komen, verandert een deel van de energie en neemt andere vormen aan. Dergelijke systemen worden dissipatief genoemd. De wet van behoud van energie werkt wanneer externe krachten op geen enkele manier op het lichaam inwerken.

wet van behoud van mechanische energie
wet van behoud van mechanische energie

Een voorbeeld van de manifestatie van de wet

Een van de typische voorbeelden die de beschreven wet illustreren, is een experiment met een stalen bal die op een plaat van dezelfde substantie of glas v alt en er ongeveer op dezelfde hoogte weerkaatst als vóór de val. Dit effect wordt bereikt door het feit dat wanneer het object beweegt, de energie meerdere keren wordt omgezet. Aanvankelijk begint de waarde van de potentiële energie naar nul te neigen, terwijl de kinetische energie toeneemt, maar na de botsing wordt het de potentiële energie van de elastische vervorming van de bal.

wet van behoud van totale mechanische energie
wet van behoud van totale mechanische energie

Dit gaat door totdat het object volledig stopt, waarna het zijn opwaartse beweging begint als gevolg van de krachten van elastische vervorming van zowel de plaat als het gevallen object. Maar tegelijkertijd komt de potentiële energie van de zwaartekracht in het spel. Aangezien de bal in dit geval ongeveer dezelfde hoogte heeft als waarop hij viel, is de kinetische energie erin hetzelfde. Bovendien blijft de som van alle energieën die op een bewegend object werken hetzelfde tijdens het hele beschreven proces, wat de wet van behoud van totale mechanische energie bevestigt.

Elastische vervorming - wat is het?

Om het bovenstaande voorbeeld volledig te begrijpen, is het de moeite waard om in meer detail te begrijpen wat de potentiële energie van een elastisch lichaam is - dit concept betekent het bezit van elasticiteit, wat het mogelijk maakt, wanneer alle delen van het systeem vervormd, om terug te keren naar een rusttoestand, wat werk te doen aan de lichamen waarmee het fysieke object in contact is. Het werk van de elastische krachten wordt niet beïnvloed door de vorm van het bewegingstraject, omdat het werk dat daardoor wordt gedaan alleen afhangt van de positie van het lichaam aan het begin en aan het einde van de beweging.

Als externe krachten aan het werk zijn

wet van behoud van energie in de klassieke mechanica
wet van behoud van energie in de klassieke mechanica

Maar de behoudswet is niet van toepassing op echte processen waarbij de wrijvingskracht een rol speelt. Een voorbeeld is een voorwerp dat op de grond v alt. Tijdens een botsing nemen de kinetische energie en de weerstand toe. Dit proces past niet in het kader van de mechanica, omdat de temperatuur van het lichaam stijgt door de toenemende weerstand. Uit het bovenstaande volgt dat de wet van behoud van energie in de mechanica ernstige beperkingen heeft.

Thermodynamica

wet van behoud van energie in de thermodynamica
wet van behoud van energie in de thermodynamica

De eerste wet van de thermodynamica zegt: het verschil tussen de hoeveelheid warmte die wordt verzameld door het werk aan externe objecten is gelijk aan de verandering in de interne energie van dit niet-conservatieve thermodynamische systeem.

Maar deze verklaring wordt meestal in een andere vorm geformuleerd: de hoeveelheid warmte die door een thermodynamisch systeem wordt ontvangen, wordt besteed aan werkzaamheden aan objecten buiten het systeem, evenals aan het veranderen van de hoeveelheid energie binnen het systeem. Volgens deze wet kan het niet verdwijnen door van de ene vorm in de andere te veranderen. Hieruit volgt de conclusie dat het creëren van een machine die geen energie verbruikt (de zogenaamde perpetuum mobile) onmogelijk is, omdat het systeem energie van buiten nodig heeft. Maar velen probeerden het nog steeds volhardend te creëren, zonder rekening te houden met de wet van behoud van energie.

Een voorbeeld van de manifestatie van de behoudswet in de thermodynamica

Experimenten tonen aan dat thermodynamische processen niet kunnen worden teruggedraaid. Een voorbeeld hiervan is het contact van lichamen met verschillende temperaturen, waarbij de hetere warmte afgeeft en de tweede het ontvangt. Het omgekeerde proces is in principe onmogelijk. Een ander voorbeeld is de overgang van gas van het ene deel van het vat naar het andere na het openen van een tussenschot, op voorwaarde dat het tweede deel leeg is. De stof zal in dit geval nooit spontaan in de tegenovergestelde richting gaan bewegen. Uit het voorgaande volgt dat elk thermodynamisch systeem naar een rusttoestand neigt, waarin de afzonderlijke delen in evenwicht zijn en dezelfde temperatuur en druk hebben.

Hydrodynamica

De toepassing van de behoudswet in hydrodynamische processen wordt uitgedrukt in het principe beschreven door Bernoulli. Het klinkt als volgt: de som van de druk van zowel kinesthetische als potentiële energie per volume-eenheid is hetzelfde op elk punt in de stroom van een vloeistof of gas. Dit betekent dat om het debiet te meten, het voldoende is om de druk op twee punten te meten. Dit gebeurt meestal met een manometer. Maar de wet van Bernoulli is alleen geldig als de vloeistof in kwestie een viscositeit heeft die nul is. Om de stroom van echte vloeistoffen te beschrijven, wordt de Bernoulli-integraal gebruikt, waarbij termen worden toegevoegd die rekening houden met weerstand.

Elektrodynamica

Tijdens de elektrificatie van twee lichamen blijft het aantal elektronen daarin onveranderd, waardoor de positieve lading van het ene lichaam in absolute waarde gelijk is aan de negatieve lading van het andere. De wet van behoud van elektrische lading zegt dus dat in een elektrisch geïsoleerd systeem de som van de ladingen van zijn lichamen niet verandert. Deze bewering is ook waar wanneer geladen deeltjes transformaties ondergaan. Dus wanneer 2 neutraal geladen deeltjes botsen, blijft de som van hun ladingen gelijk aan nul, omdat naast een negatief geladen deeltje ook een positief geladen deeltje verschijnt.

Conclusie

wet van behoud van energie in de elektrodynamica
wet van behoud van energie in de elektrodynamica

De wet van behoud van mechanische energie, momentum en momentum - fundamentele natuurwetten die verband houden met de homogeniteit van tijd en zijn isotropie. Ze worden niet beperkt door het raamwerk van de mechanica en zijn zowel toepasbaar op processen die plaatsvinden in de ruimte als op kwantumverschijnselen. Behoudswetten maken het mogelijk om gegevens over verschillende mechanische processen te verkrijgen zonder ze te bestuderen met behulp van bewegingsvergelijkingen. Als een proces in theorie deze principes negeert, heeft het in dit geval geen zin om experimenten uit te voeren, omdat ze ineffectief zullen zijn.

Aanbevolen: