Закон сохранения энергии простым языком: Ошибка 403 — доступ запрещён

Содержание

«Что такое закон сохранения энергии?» — Яндекс Кью

Мифы современной физики. Законы сохранения / Хабр

Продолжение. Начало тут и тут:

В этот раз мы замахнемся на святое: на законы сохранения, в том числе на закон сохранения энергии. Правда, вечного двигателя я вам не обещаю.

Закон сохранения энергии имеет такой ореол святости, что практически любой человек напрягается, услышав, что с ним не все хорошо. Между тем, энергия сохраняется в механике, в квантовой механике и даже в СТО – Специальной Теории Относительности. Но… не в ОТО – Общей Теории Относительности. Однако сказать, что энергия не сохраняется, тоже нельзя. Вначале разберемся,

Что же такое – сохраняться?

Вот мы положили в мешок два шара, синий и красный. Через какое-то время достали их. Ага, было два шара, и стало два шара, шары

сохраняются в мешке! Так выглядит пространственно — временная картина этого эксперимента:

Однако с количеством шаров все просто – все наблюдатели, как бы они ни двигались, согласятся с тем, что шаров – два. А как быть с энергией? Вот, например, я стою около дома весом 1000 тонн. Кинетическая энергия его в моей системе отсчета равна нулю. Теперь я пойду от дома со скоростью 1 метр в секунду. В моей системе отсчета дом приобрел огромную энергию! Как я, слабый человек, мог дать дому такую энергию всего одним шагом?

Если вы внимательно следили за руками, то, несомненно, заметили, что я совершил грязный хак. Считал энергию вначале в одной системе отсчёта, а потом нагло перескочил в другую. Так делать нельзя. Для энергии состояние до

и состояние после должно быть привязано к одной и той же системе отсчета.

Для нашей картинки с шарами это означает, что дно и крышка цилиндра (в общем случае любой фигуры) должны быть параллельны друг другу. А вот с этим в искривленном пространстве плохо: как вы помните, в искривленном пространстве могут быть много параллельных или не быть ни одной! Хуже того, пространство может быть таким кривым, что туда вообще не вписать такую фигуру!

Или время закольцовано – и понятия до и после не вполне определены. Таким образом, в ОТО не то, чтобы энергия не сохраняется, а само понятие “сохраняться” плохо определено.

Канонический пример несохранения энергии

Мы все знаем, что Вселенная расширяется. Когда ее линейный размер увеличивается в 10 раз, то ее объем увеличивается в 1000 раз, и плотность обычного вещества (ведь атомы – это шарики, и все наблюдатели согласны с тем, сколько их) падает тоже в 1000 раз

А вот плотность излучения, в частности реликтового излучения, падает в 10000 раз – помимо того, что фотоны рассеялись в большем объеме, каждый из них еще и покраснел.

То есть плотность вещества падает как третья степень, а излучения – как четвертая.

У этого есть интересное следствие – если мы будем двигаться в прошлое, то плотность излучения будет расти быстрее, чем плотность материи, и мы можем дойти до периода, когда плотностью и давлением обычной материи можно будет вообще пренебречь. Гравитация в основном создавалась давлением фотонного газа.

Следует заметить, что космологическая точка зрения – “вся вселенная в такое-то время”, несмотря на ее интуитивную понятность и полезность, для каждого времени после Большого Взрыва образует в пространстве-времени кривую поверхность, то есть не является валидной системой отсчета.

Можно ли поднять себя за волосы?

Спойлер: ДА. Импульс, как вы догадались, тоже не сохраняется. Вы можете погуглить по словам Swimming in space. Вот видео, как это выглядит. Конечно, практической ценности в этом почти нет, но все равно интересно.

Энергосбережение | Определение, принцип, примеры и факты

Ключевые люди:: Герман фон Гельмгольц Уильям Томсон, барон Кельвин Макс Борн Сэр Уильям Роберт Гроув Джеймс Прескотт Джоуль

Похожие темы:: преобразование энергии энергия

Просмотреть весь связанный контент →

сохранение энергии , принцип физики, согласно которому энергия взаимодействующих тел или частиц в замкнутой системе остается постоянной. Первым признанным видом энергии была кинетическая энергия, или энергия движения. При некоторых столкновениях частиц, называемых упругими, сумма кинетической энергии частиц до столкновения равна сумме кинетической энергии частиц после столкновения. Понятие энергии постепенно расширялось и включало в себя другие формы. Кинетическая энергия, теряемая телом, замедляющимся при движении вверх против силы тяжести, считалась преобразованной в потенциальную энергию или накопленную энергию, которая, в свою очередь, преобразуется обратно в кинетическую энергию, когда тело ускоряется во время своего возвращения на Землю. . Например, когда маятник качается вверх, кинетическая энергия превращается в потенциальную. Когда маятник ненадолго останавливается в верхней точке своего колебания, кинетическая энергия равна нулю, а вся энергия системы находится в потенциальной энергии. Когда маятник качается обратно вниз, потенциальная энергия преобразуется обратно в кинетическую энергию. Во все времена сумма потенциальной и кинетической энергии постоянна.

Однако трение замедляет наиболее тщательно сконструированные механизмы, тем самым постепенно рассеивая их энергию. В 1840-х годах было убедительно показано, что понятие энергии можно расширить, включив в него тепло, выделяемое трением. Истинно сохраняющаяся величина есть сумма кинетической, потенциальной и тепловой энергии. Например, когда блок скользит вниз по склону, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию. Когда трение замедляет блок до остановки, кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию. Энергия не создается и не уничтожается, а просто меняет форму, переходя от потенциальной к кинетической и к тепловой энергии. Эта версия принципа сохранения энергии, выраженная в самом общем виде, представляет собой первый закон термодинамики. Концепция энергии продолжала расширяться, включая энергию электрического тока, энергию, хранящуюся в электрическом или магнитном поле, а также энергию топлива и других химических веществ. Например, автомобиль движется, когда химическая энергия его бензина преобразуется в кинетическую энергию движения.

Посмотрите, как маятник, качающийся в шинах, демонстрирует закон сохранения энергии

Просмотреть все видео к этой статье

С появлением физики относительности (1905 г.) впервые было признано, что масса эквивалентна энергии. Полная энергия системы высокоскоростных частиц включает в себя не только их массу покоя, но и весьма значительное увеличение их массы вследствие их высокой скорости. После открытия теории относительности принцип сохранения энергии также был назван сохранением массы-энергии или сохранением полной энергии.

Викторина «Британника»

Энергия и ископаемое топливо

Когда казалось, что этот принцип не работает, как это произошло применительно к типу радиоактивности, называемому бета-распадом (самопроизвольный выброс электрона из атомных ядер), физики признали существование новой субатомной частицы, нейтрино, которая должна была унести недостающую энергию, а не отвергать принцип сохранения. Позже нейтрино было обнаружено экспериментально.

Энергосбережение, однако, больше, чем общее правило, которое остается в силе. Можно показать, что это математически следует из единообразия времени. Если бы один момент времени особенно отличался от любого другого момента, то одинаковые физические явления, происходящие в разные моменты времени, потребовали бы разного количества энергии, так что энергия не сохранялась бы.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Адамом Августином.

Сохранение энергии | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Объяснять закон сохранения энергии.
Опишите некоторые из множества форм энергии.
Определить эффективность процесса преобразования энергии как часть, оставшуюся в виде полезной энергии или работы, а не преобразованную, например, в тепловую энергию.

Закон сохранения энергии

Энергия, как мы уже отмечали, сохраняется, что делает ее одной из самых важных физических величин в природе. закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом:

Суммарная энергия постоянна в любом процессе. Она может изменяться по форме или переходить из одной системы в другую, но общая сумма остается неизменной.

Мы исследовали некоторые формы энергии и способы ее передачи из одной системы в другую. Это исследование привело к определению двух основных типов энергии — механической энергии (KE + PE) и энергии, передаваемой за счет работы, совершаемой неконсервативными силами (9).0051 W _NC ). Но энергия принимает много других форм, проявляя себя многими различными способами, и нам нужно уметь иметь дело со всем этим, прежде чем мы сможем написать уравнение для приведенного выше общего утверждения о сохранении энергии.

Другие формы энергии, кроме механической энергии

На этом этапе мы имеем дело со всеми другими формами энергии, объединяя их в одну группу, называемую прочая энергия (OE). Тогда мы можем сформулировать сохранение энергии в форме уравнения как KE _i + PE _i + W _nc +OE _i = KE _f + PE _f + OE _{f .}

Все виды энергии и работы могут быть включены в это очень общее положение о сохранении энергии. Кинетическая энергия равна KE, работа консервативной силы представлена PE, работа неконсервативной силы равна W _nc , а все остальные энергии включены как OE. Это уравнение применимо ко всем предыдущим примерам; в этих ситуациях OE был постоянным, поэтому он вычитался и напрямую не учитывался.

Создание связей: польза принципа сохранения энергии

Тот факт, что энергия сохраняется и имеет множество форм, делает ее очень важной. Вы обнаружите, что энергия обсуждается во многих контекстах, потому что она участвует во всех процессах. Также станет очевидным, что многие ситуации лучше всего понять с точки зрения энергии и что проблемы часто легче всего осмыслить и решить, рассматривая энергию.

Когда оригинальное оборудование играет роль? Один пример возникает, когда человек ест. Пища окисляется с выделением углекислого газа, воды и энергии. Часть этой химической энергии преобразуется в кинетическую энергию, когда человек движется, в потенциальную энергию, когда человек меняет высоту, и в тепловую энергию (другая форма ОЭ).

Некоторые из многочисленных форм энергии

Какие существуют другие формы энергии? Вероятно, вы можете назвать ряд форм энергии, которые еще не обсуждались. Многие из них будут рассмотрены в следующих главах, но давайте остановимся на некоторых здесь. Электрическая энергия — это распространенная форма, которая преобразуется во многие другие формы и работает в широком диапазоне практических ситуаций. Топливо, такое как бензин и продукты питания, несут химическую энергию , которая может быть передана системе посредством окисления. Химическое топливо также может производить электрическую энергию, например, в батареях. Батареи, в свою очередь, могут производить свет, который является очень чистой формой энергии. Большинство источников энергии на Земле на самом деле представляют собой накопленную энергию энергии, которую мы получаем от Солнца. Иногда мы называем это числом 9.0051 лучистая энергия или электромагнитное излучение, которое включает видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Ядерная энергия возникает в результате процессов, которые преобразуют измеримые количества массы в энергию. Ядерная энергия преобразуется в энергию солнечного света, в электрическую энергию в электростанциях, в энергию теплопередачи и взрыва в оружии. Атомы и молекулы внутри всех объектов находятся в хаотическом движении. Эта внутренняя механическая энергия от случайных движений называется тепловая энергия , потому что она связана с температурой объекта. Эти и все другие формы энергии могут превращаться друг в друга и совершать работу.

В таблице 1 указано количество энергии, хранящейся, используемой или высвобождаемой различными объектами и в различных явлениях. Диапазон энергий и разнообразие типов и ситуаций впечатляет.

Стратегии решения проблем в области энергетики

Следующие стратегии решения проблем пригодятся вам всякий раз, когда вы имеете дело с энергией. Стратегии помогают в организации и укреплении энергетических концепций. Фактически, они используются в примерах, представленных в этой главе. Знакомые общие стратегии решения проблем, представленные ранее, включая определение физических принципов, известных и неизвестных, проверку единиц измерения и т. д., продолжают оставаться актуальными и здесь.

Шаг 1. Определите интересующую систему и определите, какая информация предоставляется и какое количество должно быть рассчитано. Эскиз поможет.

Шаг 2. Изучите все задействованные силы и определите, знаете ли вы или получаете ли вы потенциальную энергию от работы, совершаемой этими силами. Затем используйте шаг 3 или шаг 4.

Шаг 3. Если вы знаете потенциальные энергии сил, входящих в задачу, то все силы консервативны, и вы можете применить закон сохранения механической энергии просто в терминах потенциальной и кинетическая энергия. Уравнение, выражающее сохранение энергии, KE _i + PE _i = KE _f + PE _f .

Шаг 4. Если вы знаете потенциальную энергию только некоторых сил, возможно, потому, что некоторые из них неконсервативны и не имеют потенциальной энергии, или если есть другие энергии, которые нелегко интерпретировать с точки зрения силы и работать, то необходимо использовать закон сохранения энергии в его самой общей форме.

KE _i + PE _i + W _nc + OE _i = KE _f + PE _f +OE _f .

В большинстве задач один или несколько членов равны нулю, что упрощает их решение. Не вычисляйте W _c , работу консервативных сил; он уже включен в условия PE.

Шаг 5. Вы уже определили виды работы и энергии (на шаге 2). Прежде чем найти неизвестное, исключите члены везде, где это возможно , чтобы упростить алгебру. Например, выберите h = 0 либо в начальной, либо в конечной точке, так что PE _g там равно нулю. Затем решите неизвестное обычным способом.

Шаг 6. Проверьте правильность ответа . После того, как вы решили проблему, еще раз проверьте формы работы и энергии, чтобы убедиться, что вы правильно установили уравнение сохранения энергии. Например, работа, совершаемая против трения, должна быть отрицательной, потенциальная энергия у подножия холма должна быть меньше, чем у вершины, и так далее. Также убедитесь, что полученное численное значение является разумным. Например, конечная скорость скейтбордиста, спускающегося по рампе высотой 3 м, может составлять 20 км/ч, но 9 км/ч.0051 вместо 80 км/ч.

Преобразование энергии

Рис. 1. Солнечная энергия преобразуется в электрическую с помощью солнечных элементов, которые используются для работы двигателя этого самолета, работающего на солнечной энергии. (кредит: НАСА)

Преобразование энергии из одной формы в другую происходит постоянно. Химическая энергия пищи преобразуется в тепловую посредством обмена веществ; световая энергия преобразуется в химическую посредством фотосинтеза. В более широком примере химическая энергия, содержащаяся в угле, преобразуется в тепловую энергию, когда он сгорает, превращая воду в пар в котле. Эта тепловая энергия пара, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию, поскольку он вращает турбину, которая соединена с генератором для производства электроэнергии. (Во всех этих примерах не вся первоначальная энергия преобразуется в упомянутые формы. Этот важный момент обсуждается далее в этом разделе.)

Другой пример преобразования энергии происходит в солнечной батарее. Солнечный свет, падающий на солнечный элемент (см. рис. 1), производит электричество, которое, в свою очередь, можно использовать для запуска электродвигателя. Энергия первичного источника солнечной энергии преобразуется в электрическую энергию, а затем в механическую энергию.

Таблица 1. Энергия различных объектов и явлений
Объект/явление	Энергия в джоулях
Большой взрыв	10 ⁶⁸
Энергия, выпущенная сверхновой	10 ⁴⁴
Синтез всего водорода в океанах Земли	10 ³⁴
Годовое потребление энергии в мире	4 × 10 ²⁰
Большая термоядерная бомба (9 мегатонн)	3,8 × 10 ¹⁶
1 кг водорода (плавление в гелий)	6,4 × 10 ¹⁴
1 кг урана (атомного деления)	8,0 × 10 ¹³
Бомба деления размером с Хиросиму (10 килотонн)	4,2 × 10 ¹³
90 000-тонный авианосец на скорости 30 узлов	1,1 × 10 ¹⁰
1 баррель сырой нефти	5,9 × 10 ⁹
1 тонна тротила	4,2 × 10 ⁹
1 галлон бензина	1,2 × 10 ⁸
Ежедневное бытовое потребление электроэнергии (развитые страны)	7 × 10 ⁷
Суточная доза взрослого человека (рекомендуется)	1,2 × 10 ⁷
Автомобиль массой 1000 кг при скорости 90 км/ч	3,1 × 10 ⁵
1 г жира (9,3 ккал)	3,9 × 10 ⁴
Реакция гидролиза АТФ	3,2 × 10 ⁴
1 г углеводов (4,1 ккал)	1,7 × 10 ⁴
1 г белка (4,1 ккал)	1,7 × 10 ⁴
Теннисный мяч на скорости 100 км/ч	22
Комар (10 ⁻² г при 0,5 м/с)	1,3 × 10 ⁻⁶
Одиночный электрон в пучке телевизионной трубки	4,0 × 10 ⁻¹⁵
Энергия для разрыва одной цепи ДНК	10 ⁻¹⁹

Эффективность

Несмотря на то, что энергия сохраняется в процессе преобразования энергии, выход полезной энергии или работа будет меньше, чем потребляемая энергия. Эффективность Eff процесса преобразования энергии определяется как

[латекс]\displaystyle\text{Эффективность}(Эфф)=\frac{\text{полезная энергия или выходная мощность}}{\text{общая энергия input}}=\frac{W_{\text{out}}}{E_{\text{in}}}\\[/latex]

В таблице 2 перечислены некоторые показатели эффективности механических устройств и деятельности человека. Например, на угольной электростанции около 40% химической энергии угля превращается в полезную электрическую энергию. Остальные 60% преобразуются в другие (возможно, менее полезные) формы энергии, такие как тепловая энергия, которая затем выбрасывается в окружающую среду через дымовые газы и градирни.

» cellspacing=»0″ cellpadding=»0″>

Таблица 2. Работоспособность человеческого тела и механических устройств
Действие/устройство	Эффективность (%) ^[1]
Велоспорт и скалолазание	20
Плавание, поверхность	2
Плавание под водой	4
Копание	3
Тяжелая атлетика	9
Паровой двигатель	17
Бензиновый двигатель	30
Дизельный двигатель	35
Атомная электростанция	35
Угольная электростанция	42
Электродвигатель	98
Компактная люминесцентная лампа	20
Газовый обогреватель (бытовой)	90
Солнечная батарея	10

Исследования PhET: массы и пружины

Реалистичная лаборатория масс и пружин. Подвесьте грузы к пружинам и отрегулируйте жесткость пружины и демпфирование. Вы даже можете замедлить время. Перевозите лабораторию на разные планеты. Диаграмма показывает кинетическую, потенциальную и тепловую энергию для каждой пружины.

Нажмите, чтобы запустить моделирование.

Резюме раздела

Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия постоянна в любом процессе. Энергия может изменяться в форме или передаваться из одной системы в другую, но общая сумма остается неизменной.
Когда рассматриваются все формы энергии, сохранение энергии записывается в виде уравнения: KE _i + PE _i + Вт _nc + OE _i = KE _f + PE _{f + _{OE _f , где OE – , все другие формы энергии , кроме механической энергии.}}
Обычно встречающиеся формы энергии включают электрическую энергию, химическую энергию, лучистую энергию, ядерную энергию и тепловую энергию.
Энергия часто используется для выполнения работы, но невозможно преобразовать всю энергию системы в работу.
Эффективность Eff машины или человека определяется как [латекс]\text{Eff}=\frac{{W}_{\text{out}}}{{E}_{\text{in} }}\\[/latex], где Вт _из – полезная работа, а E _в – потребляемая энергия.

Концептуальные вопросы

Рассмотрим следующий сценарий. Автомобиль, для которого трение не является пренебрежимо малым, разгоняется из состояния покоя вниз по склону, заканчивая бензин после небольшого расстояния. Водитель позволяет машине двигаться дальше вниз по склону, затем вверх и по небольшому гребню. Затем он спускается с этого холма к заправочной станции, где тормозит до упора и заправляет бак бензином. Определите формы энергии, которыми обладает автомобиль, и то, как они изменяются и передаются в этой серии событий. (См. рис. 2.)
Рисунок 2. Автомобиль, испытывающий незначительное трение, движется по инерции с холма, преодолевает небольшой гребень, затем снова спускается и останавливается на заправочной станции.
Автомобиль, испытывающий незначительное трение, движется по инерции с холма, преодолевает небольшой гребень, затем снова спускается и останавливается на заправочной станции.
Автомобиль катится вниз по склону, преодолевает гребень, затем снова движется вниз и, наконец, останавливается на заправочной станции. Каждое из этих положений помечено стрелкой, указывающей вниз.
Опишите передачу и преобразование энергии для копья, начиная с момента, когда спортсмен поднимает копье, и заканчивая моментом, когда копье втыкается в землю после броска.
Нарушают ли устройства с КПД меньше единицы закон сохранения энергии? Объяснять.
Перечислите четыре различных формы или типа энергии. Приведите по одному примеру перехода из каждой из этих форм в другую форму.
Перечислите преобразования энергии, происходящие при езде на велосипеде.

Задачи и упражнения

Используя значения из таблицы 1, сколько молекул ДНК может быть разрушено энергией, переносимой одним электроном в луче старой телевизионной трубки? (Эти электроны не были опасны сами по себе, но они создавали опасные рентгеновские лучи. Более поздние модели ламповых телевизоров имели экран, который поглощал рентгеновские лучи, прежде чем они вырвались наружу и обнажили зрителей.)
Используя энергетические соображения и пренебрегая сопротивлением воздуха, покажите, что камень, брошенный с моста на высоте 20 м над водой с начальной скоростью 15,0 м/с, ударяется о воду со скоростью 24,8 м/с независимо от направления броска.
Если бы энергия термоядерных бомб использовалась для удовлетворения мировых энергетических потребностей, сколько 9-мегатонной бомбы потребовалось бы для годового снабжения энергией (используя данные из Таблицы 1)? Это не так неправдоподобно, как может показаться — существуют тысячи ядерных бомб, и их энергия может быть уловлена при подземных взрывах и преобразована в электричество, как и природная геотермальная энергия.
(a) Использование водородного синтеза для получения энергии — это мечта, которая может быть реализована в следующем столетии. Как видно из таблицы 1, термоядерный синтез будет относительно чистым и почти неограниченным источником энергии.
No related posts.