Energia jäävuse seadus: kirjeldus ja näited

Sisukord:

Energia jäävuse seadus: kirjeldus ja näited
Energia jäävuse seadus: kirjeldus ja näited
Anonim

Potentsiaalne energia on pigem abstraktne suurus, sest igal objektil, mis on teatud kõrgusel Maa pinnast, on juba teatud hulk potentsiaalset energiat. See arvutatakse, korrutades vaba langemise kiiruse kõrgusega Maa kohal ja ka massiga. Kui keha liigub, võime rääkida kineetilise energia olemasolust.

energia jäävuse seadus
energia jäävuse seadus

Seaduse valem ja kirjeldus

Kineetilise ja potentsiaalse energia liitmise tulemus välismõjudest suletud süsteemis, mille osad interakteeruvad elastsus- ja gravitatsioonijõudude mõjul, ei muutu – see on energia jäävuse seadus klassikaline mehaanika. Selle seaduse valem näeb välja selline: Ek1+Ep1=Ek2+Ep2. Siin on Ek1 teatud füüsilise keha kineetiline energia konkreetsel ajahetkel ja Ep1 potentsiaalne energia. Sama kehtib ka Ek2 ja Ep2 kohta, kuid juba järgmisel ajaperioodil. Kuid see seadus kehtib ainult siis, kui süsteem, milles see toimib, on suletud (või konservatiivne). See viitab sellele, et kogu mehaanilise energia väärtus ei muutu, kui süsteemile mõjuvad ainult konservatiivsed jõud. Kui mängu tulevad mittekonservatiivsed jõud, muutub osa energiast, võttes teisi vorme. Selliseid süsteeme nimetatakse dissipatiivseteks. Energia jäävuse seadus toimib siis, kui välised jõud kehale mingil moel ei mõju.

mehaanilise energia jäävuse seadus
mehaanilise energia jäävuse seadus

Seaduse avaldumise näide

Üks tüüpilisi näiteid, mis illustreerivad kirjeldatud seadust, on katse teraskuuliga, mis kukub samast ainest või klaasist plaadile, põrkudes sellelt umbes samale kõrgusele, kus see oli enne kukkumist. See efekt saavutatakse tänu sellele, et kui objekt liigub, muundatakse energia mitu korda. Algselt hakkab potentsiaalse energia väärtus kalduma nulli, samal ajal kui kineetiline energia suureneb, kuid pärast kokkupõrget muutub see kuuli elastse deformatsiooni potentsiaalseks energiaks.

kogu mehaanilise energia jäävuse seadus
kogu mehaanilise energia jäävuse seadus

See jätkub, kuni objekt täielikult peatub, mil see hakkab nii plaadi kui ka kukkunud objekti elastse deformatsiooni jõudude tõttu ülespoole liikuma. Kuid samal ajal tuleb mängu gravitatsiooni potentsiaalne energia. Kuna palli all mõistetakse sel juhul umbes sama kõrgust, kust see kukkus, on kineetiline energia selles sama. Lisaks jääb liikuvale objektile mõjuvate energiate summa kogu kirjeldatud protsessi vältel samaks, kinnitades kogu mehaanilise energia jäävuse seadust.

Elastne deformatsioon – mis see on?

Et täielikult mõista ül altoodud näidet, tasub üksikasjalikum alt mõista, mis on elastse keha potentsiaalne energia - see mõiste tähendab elastsuse omamist, mis võimaldab, kui kõik süsteemi osad on deformeerunud, naasma puhkeolekusse, tehes teatud tööd kehadega, millega füüsiline objekt kontaktis on. Elastsusjõudude tööd liikumistrajektoori kuju ei mõjuta, kuna nende toimel tehtav töö sõltub ainult keha asendist liikumise alguses ja lõpus.

Kui välised jõud toimivad

Klassikalise mehaanika energia jäävuse seadus
Klassikalise mehaanika energia jäävuse seadus

Kuid säilitusseadus ei kehti reaalsete protsesside puhul, milles osaleb hõõrdejõud. Näiteks võib tuua maapinnale kukkunud objekti. Kokkupõrke ajal suureneb kineetiline energia ja tõmbejõud. See protsess ei mahu mehaanika raamidesse, kuna kere temperatuur tõuseb kasvava takistuse tõttu. Eeltoodust järeldub, et mehaanika energia jäävuse seadusel on tõsised piirangud.

Termodünaamika

energia jäävuse seadus termodünaamikas
energia jäävuse seadus termodünaamikas

Esimene termodünaamika seadus ütleb: välisobjektidel tehtud töö tõttu kogunenud soojushulga vahe on võrdne selle mittekonservatiivse termodünaamilise süsteemi siseenergia muutusega.

Kuid see väide on kõige sagedamini sõnastatud teistsugusel kujul: termodünaamilise süsteemi poolt vastuvõetav soojushulk kulub süsteemiväliste objektide kallal tehtavale tööle, samuti süsteemisisese energiahulga muutmisele. Selle seaduse järgi ei saa see ühest vormist teise muutudes kaduda. Sellest järeldub järeldus, et energiat mitte tarbiva masina (nn igiliikuri) loomine on võimatu, kuna süsteem vajab energiat väljastpoolt. Kuid paljud püüdsid seda ikka järjekindl alt luua, energia jäävuse seadust arvestamata.

Näide jäävusseaduse avaldumisest termodünaamikas

Katsed näitavad, et termodünaamilisi protsesse ei saa tagasi pöörata. Selle näiteks on erineva temperatuuriga kehade kokkupuude, mille korral kuumem eraldab soojust ja teine võtab selle vastu. Vastupidine protsess on põhimõtteliselt võimatu. Teine näide on gaasi üleminek anuma ühest osast teise pärast nendevahelise vaheseina avamist, tingimusel et teine osa on tühi. Aine ei hakka sel juhul kunagi spontaanselt vastupidises suunas liikuma. Eelnevast järeldub, et iga termodünaamiline süsteem kaldub puhkeolekusse, kus selle üksikud osad on tasakaalus ning neil on sama temperatuur ja rõhk.

Hüdrodünaamika

Säilitusseaduse rakendamine hüdrodünaamilistes protsessides väljendub Bernoulli kirjeldatud põhimõttes. See kõlab nii: nii kinesteetilise kui ka potentsiaalse energia rõhu summa ruumalaühiku kohta on vedeliku või gaasi voolu mis tahes punktis sama. See tähendab, et voolukiiruse mõõtmiseks piisab rõhu mõõtmisest kahes punktis. Tavaliselt tehakse seda manomeetriga. Kuid Bernoulli seadus kehtib ainult siis, kui kõnealuse vedeliku viskoossus on null. Tõeliste vedelike voolu kirjeldamiseks kasutatakse Bernoulli integraali, mis hõlmab takistust arvestavate terminite lisamist.

Elektrodünaamika

Kahe keha elektrifitseerimisel jääb elektronide arv neis muutumatuks, mistõttu ühe keha positiivne laeng on absoluutväärtuselt võrdne teise negatiivse laenguga. Seega ütleb elektrilaengu jäävuse seadus, et elektriliselt isoleeritud süsteemis selle kehade laengute summa ei muutu. See väide kehtib ka siis, kui laetud osakesed muunduvad. Seega, kui 2 neutraalselt laetud osakest põrkuvad, jääb nende laengute summa ikkagi võrdseks nulliga, kuna koos negatiivse laenguga osakesega ilmub ka positiivselt laetud osake.

Järeldus

energia jäävuse seadus elektrodünaamikas
energia jäävuse seadus elektrodünaamikas

Mehaanilise energia, impulsi ja impulsi jäävuse seadus – põhilised füüsikaseadused, mis on seotud aja homogeensuse ja selle isotroopsusega. Neid ei piira mehaanika raamistik ja need on rakendatavad nii avakosmoses toimuvate protsesside kui ka kvantnähtuste puhul. Jäävusseadused võimaldavad saada andmeid erinevate mehaaniliste protsesside kohta ilma neid liikumisvõrrandite abil uurimata. Kui mõni protsess teoreetiliselt ignoreerib neid põhimõtteid, on sel juhul katsete tegemine mõttetu, kuna need on ebaefektiivsed.

Soovitan: