Νόμος Διατήρησης Ενέργειας

Ο νόμος διατήρησης της ενέργειας είναι ένας φυσικός νόμος που δηλώνει ότι η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος είναι σταθερά, αν και η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μορφές. Με άλλα λόγια, η ενέργεια διατηρείται με την πάροδο του χρόνου. Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο Γάλλος μαθηματικός και φιλόσοφος Émilie du Châtelet πρότεινε και δοκίμασε για πρώτη φορά τον νόμο τον 18ο αιώνα.

Τύπες για το νόμο της διατήρησης της ενέργειας

Υπάρχουν μερικοί διαφορετικοί τρόποι γραφής του τύπου για το νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Ένας από τους πιο συνηθισμένους τύπους περιγράφει τη σχέση μεταξύ κινητικής ενέργειας (K) και δυναμικής ενέργειας (U):

K₁ + U₁ =K₂ + U₂

Σε αυτήν την περίπτωση, η συνολική ενέργεια του συστήματος είναι σταθερή, αλλά η ενέργεια μετατρέπεται μεταξύ δυναμικής και κινητικής ενέργειας.

Για υπολογισμούς που αφορούν καροτσάκια χωρίς τριβή, κούνιες, εκκρεμή, ρίψη μπάλας κ.λπ., υπάρχει μια άλλη χρήσιμη μορφή της εξίσωσης για τη διατήρηση της ενέργειας, η οποία χρησιμοποιεί τους ακόλουθους τύπους για τη δυναμική και την κινητική ενέργεια:

U =mgh; όπου U είναι δυναμική ενέργεια, m είναι μάζα, g είναι η επιτάχυνση λόγω βαρύτητας και h είναι το ύψος
K =½mv; όπου m είναι μάζα και v είναι ταχύτητα

Η συνολική ενέργεια είναι το άθροισμα του δυναμικού και της κινητικής ενέργειας:

Ε_σύνολο = mgh + ½mv

Αυτός ο τύπος λειτουργεί καλά για προβλήματα φυσικής όπου δεν υπάρχει τριβή. Πιο πολύπλοκη εξίσωση καλύπτει την κατάσταση όπου κάποια ενέργεια μετατρέπεται σε θερμότητα μέσω της τριβής.

Πρόβλημα παραδείγματος διατήρησης ενέργειας

Δείτε τον τύπο για τη διατήρηση της ενέργειας σε δράση με αυτό το κοινό πρόβλημα φυσικής που περιλαμβάνει ένα καρότσι που ταξιδεύει σε τροχιά χωρίς τριβές.

Μια άλλη μορφή των νόμων διατήρησης της ενέργειας δηλώνει ότι η εσωτερική ενέργεια (ΔE) ενός συστήματος είναι το άθροισμα της ροής θερμότητας (Q) κατά μήκος των ορίων του (q) και της εργασίας που γίνεται στο σύστημα (W).

∆E =Q + W

Παραδείγματα του νόμου της διατήρησης της ενέργειας

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα του νόμου της διατήρησης της ενέργειας στην καθημερινή ζωή:

• Η ενέργεια ενός παιδιού σε μια κούνια αλλάζει μεταξύ δυναμικής και κινητικής ενέργειας. Στην κορυφή της ταλάντευσης, όλη η ενέργεια είναι δυναμική. Στο κάτω μέρος της κούνιας, είναι όλα κινητικά. Η ενέργεια είναι ένα μείγμα κινητικής και δυναμικής ενέργειας μεταξύ αυτών των δύο σημείων. Σε ένα σύστημα χωρίς τριβή, η δυναμική ενέργεια στην κορυφή ισούται με την κινητική ενέργεια στο κάτω μέρος, η οποία ισούται με το άθροισμα της κινητικής και της δυναμικής ενέργειας στα άλλα σημεία.
• Ένα αιωρούμενο εκκρεμές απεικονίζει επίσης μια μετατροπή μεταξύ κινητικής και δυναμικής ενέργειας, ακριβώς όπως μια ταλάντευση. Φυσικά, τόσο στο παράδειγμα της αιώρησης όσο και στο εκκρεμές, η τριβή παίζει ρόλο. Η διατηρημένη ενέργεια είναι πραγματικά ένα μείγμα κινητικής ενέργειας, δυναμικής ενέργειας και θερμικής ενέργειας ή θερμότητας.
• Ένα αυτοκίνητο μετατρέπει τη χημική ενέργεια (βενζίνη) σε κινητική ενέργεια. Και εδώ, λοιπόν, η ενέργεια χάνεται ως θερμότητα, αλλά το άθροισμα των μορφών ενέργειας παραμένει σταθερό.
• Καθώς ένα μήλο πέφτει από ένα δέντρο, ξεκινά με δυναμική ενέργεια. Καθώς πέφτει, έχει ένα μείγμα κινητικής και δυναμικής ενέργειας. Τη στιγμή που χτυπά στο έδαφος, όλη η ενέργειά του είναι κινητική. Το άθροισμα του δυναμικού και της κινητικής του ενέργειας είναι σταθερή τιμή.
• Ένας φακός μετατρέπει τη χημική ενέργεια από την μπαταρία του σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε φως και θερμότητα.
• Ένα ηχείο μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε ήχο, που είναι μια άλλη μορφή ενέργειας.
• Οι γεννήτριες μετατρέπουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια.
• Το σώμα σας μετατρέπει τη χημική ενέργεια από τα τρόφιμα σε μηχανική ενέργεια (κινούμενοι μύες), διαφορετικά μόρια χημικής ενέργειας και θερμότητα.
• Ένα εκρηκτικό πυροτέχνημα μετατρέπει τη χημική δυναμική ενέργεια σε κινητική ενέργεια, φως, θερμότητα και ήχο.

Κλασική Μηχανική εναντίον Γενικής Σχετικότητας

Στην κλασική μηχανική, ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας και ο νόμος της διατήρησης της μάζας είναι δύο ξεχωριστοί νόμοι. Ωστόσο, συνδυάζονται στη σχετικότητα στη διάσημη εξίσωση του Αϊνστάιν:

E =mc

Αυτή η εξίσωση δείχνει ότι η μάζα μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια και το αντίστροφο. Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας εξακολουθεί να ισχύει, εφόσον η αναφορά από τον παρατηρητή παραμένει αμετάβλητη.

Μηχανές διαρκούς κίνησης

Μια συνέπεια του νόμου της διατήρησης της ενέργειας είναι ότι σημαίνει ότι οι μηχανές αέναης κίνησης του πρώτου είδους είναι αδύνατες. Αυτά είναι μηχανήματα που λειτουργούν για πάντα χωρίς πρόσθετη εισροή ενέργειας. Ενώ η αέναη κίνηση που λειτουργεί μπορεί να φαίνεται καλή στο χαρτί, δεν λειτουργεί στον πραγματικό κόσμο επειδή κάποια ενέργεια σε μια μηχανή αλλάζει μορφή σε θερμότητα. Συνήθως, αυτό είναι από τριβή. Έτσι, για να διατηρηθεί σε λειτουργία ένα μηχάνημα χρειάζεται στην πραγματικότητα μια συνεχής εισαγωγή ενέργειας.

Εξαιρέσεις

Θυμηθείτε, ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας ισχύει για ένα κλειστό σύστημα. Μερικές φορές δεν είναι εύκολο ή ακόμη και δυνατό να ορίσουμε ή να απομονώσουμε ένα σύστημα. Αυτό ισχύει στη γενική σχετικότητα, όπου τα συστήματα δεν έχουν πάντα συμμετρία χρονικής μετάφρασης. Για παράδειγμα, η διατήρηση της ενέργειας δεν ορίζεται απαραίτητα για καμπυλωτούς χωροχρόνους ή κρυστάλλους χρόνου.

Αναφορές

• Feynman, Richard (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol I . Ο Άντισον Γουέσλι. ISBN 978-0-201-02115-8.
• Gibney, Elizabeth (2017). «Η αναζήτηση για την αποκρυστάλλωση του χρόνου». Φύση . 543 (7644):164–166. doi:10.1038/543164a
• Hagengruber, Ruth (επιμ.) (2011). Émilie du Chatelet:Μεταξύ Leibniz και Newton . Πηδών. ISBN 978-94-007-2074-9.
• Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Θερμική Φυσική (2η έκδ.). W. H. Freeman Company. ISBN 978-0-7167-1088-2.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Φυσική για επιστήμονες και μηχανικούς (6η έκδ.). Μπρουκς/Κόουλ. ISBN 978-0-534-40842-8.