Энергияның сақталу заңы: сипаттамасы және мысалдары

Мазмұны:

Энергияның сақталу заңы: сипаттамасы және мысалдары
Энергияның сақталу заңы: сипаттамасы және мысалдары
Anonim

Потенциалды энергия абстрактілі шама болып табылады, өйткені Жер бетінен белгілі бір биіктікке ие кез келген нысанда потенциалдық энергияның белгілі бір мөлшері болады. Ол еркін түсу жылдамдығын Жерден биіктікке, сондай-ақ массаға көбейту арқылы есептеледі. Егер дене қозғалса, кинетикалық энергияның болуы туралы айтуға болады.

энергияның сақталу заңы
энергияның сақталу заңы

Заңның формуласы мен сипаттамасы

Сыртқы әсерлерден тұйықталған жүйеде бөліктері серпімділік пен ауырлық күштерінің әсерінен әрекеттесетін кинетикалық және потенциалдық энергияның қосылуының нәтижесі өзгермейді - бұл энергияның сақталу заңы. классикалық механика. Бұл заңның формуласы келесідей: Ек1+Эп1=Ек2+Еп2. Мұндағы Ek1 – белгілі бір физикалық дененің белгілі бір уақыт мезетіндегі кинетикалық энергиясы, ал Ep1 – потенциалдық энергия. Бұл Ek2 және Ep2 үшін де солай, бірақ келесі уақыт кезеңінде. Бірақ бұл заң, егер ол жұмыс істейтін жүйе жабық (немесе консервативті) болса ғана дұрыс болады. Бұл жүйеге тек консервативті күштер әсер еткенде толық механикалық энергияның мәні өзгермейтінін көрсетеді. Консервативті емес күштер әрекетке енгенде, энергияның бір бөлігі басқа формаларға ие болып өзгереді. Мұндай жүйелер диссипативті деп аталады. Энергияның сақталу заңы сыртқы күштер денеге ешқандай әсер етпегенде жұмыс істейді.

механикалық энергияның сақталу заңы
механикалық энергияның сақталу заңы

Заңның көріну үлгісі

Сипатталған заңды бейнелейтін типтік мысалдардың бірі - бірдей заттың немесе шыныдан жасалған пластинаға түсіп, құлағанға дейінгі биіктікке шамамен секіретін болат шармен жасалған тәжірибе. Бұл әсерге объект қозғалған кезде энергия бірнеше рет түрленетіндіктен қол жеткізіледі. Бастапқыда потенциалдық энергияның мәні нөлге ұмтыла бастайды, ал кинетикалық энергия өседі, бірақ соқтығысудан кейін ол шардың серпімді деформациясының потенциалдық энергиясына айналады.

толық механикалық энергияның сақталу заңы
толық механикалық энергияның сақталу заңы

Бұл нысан толығымен тоқтағанша жалғасады, осы кезде ол пластинаның да, құлаған объектінің де серпімді деформация күштерінің әсерінен өзінің жоғары қозғалысын бастайды. Бірақ сонымен бірге гравитацияның потенциалдық энергиясы пайда болады. Бұл жағдайда доп шамамен ол құлаған биіктікте деп түсінілетіндіктен, ондағы кинетикалық энергия бірдей. Сонымен қатар, қозғалатын объектіге әсер ететін барлық энергиялардың қосындысы бүкіл сипатталған процесс кезінде өзгеріссіз қалады, бұл жалпы механикалық энергияның сақталу заңын растайды.

Эластикалық деформация - бұл не?

Жоғарыда келтірілген мысалды толық түсіну үшін серпімді дененің потенциалдық энергиясының не екенін егжей-тегжейлі түсінген жөн – бұл ұғым жүйенің барлық бөліктері бір-бірімен байланысқан кезде мүмкіндік беретін серпімділікке ие болуды білдіреді. деформацияланған, тыныштық жағдайына оралу, физикалық объект жанасатын денелерде кейбір жұмыстарды орындау. Серпімді күштердің жұмысына қозғалыс траекториясының пішіні әсер етпейді, өйткені оларға байланысты орындалатын жұмыс қозғалыстың басындағы және аяғындағы дененің күйіне ғана байланысты.

Сыртқы күштер жұмыс істегенде

классикалық механикадағы энергияның сақталу заңы
классикалық механикадағы энергияның сақталу заңы

Бірақ сақталу заңы үйкеліс күші қатысатын нақты процестерге қолданылмайды. Мысал ретінде жерге құлаған затты келтіруге болады. Соқтығыс кезінде кинетикалық энергия мен кедергі күші артады. Бұл процесс механиканың шеңберіне сәйкес келмейді, өйткені қарсылықтың күшеюіне байланысты дене температурасы көтеріледі. Жоғарыда айтылғандардан механикадағы энергияның сақталу заңының елеулі шектеулері бар екені шығады.

Термодинамика

термодинамикадағы энергияның сақталу заңы
термодинамикадағы энергияның сақталу заңы

Термодинамиканың бірінші заңында былай делінген: сыртқы объектілерде атқарылған жұмыс нәтижесінде жинақталған жылу мөлшерінің айырмашылығы осы консервативті емес термодинамикалық жүйенің ішкі энергиясының өзгеруіне тең.

Бірақ бұл мәлімдеме көбінесе басқа түрде тұжырымдалады: термодинамикалық жүйе қабылдаған жылу мөлшері жүйеден тыс объектілерде жасалған жұмысқа, сонымен қатар жүйе ішіндегі энергия мөлшерін өзгертуге жұмсалады. Бұл заң бойынша ол бір түрден екіншісіне ауысу арқылы жойыла алмайды. Осыдан энергияны тұтынбайтын машинаны (мәңгілік қозғалыс машинасы деп аталатын) жасау мүмкін емес деген қорытынды шығады, өйткені жүйеге сырттан энергия қажет болады. Бірақ көптеген адамдар энергияның сақталу заңын ескермей, оны әлі де табанды түрде жасауға тырысты.

Сақталу заңының термодинамикадағы көрінісі

Тәжірибелер термодинамикалық процестерді кері қайтаруға болмайтынын көрсетеді. Бұған мысал ретінде температуралары әртүрлі денелердің жанасуын келтіруге болады, бұл кезде қызуы жылу береді, ал екіншісі оны қабылдайды. Негізінде кері процесс мүмкін емес. Тағы бір мысал, екінші бөлігі бос болған жағдайда олардың арасындағы қалқаны ашқаннан кейін ыдыстың бір бөлігінен екіншісіне газдың ауысуы. Бұл жағдайда зат ешқашан қарсы бағытта өздігінен қозғала алмайды. Жоғарыда айтылғандардан кез келген термодинамикалық жүйе оның жеке бөліктері тепе-теңдікте болатын және температурасы мен қысымы бірдей болатын тыныштық күйіне бейім екендігі шығады.

Гидродинамика

Сақталу заңының гидродинамикалық процестерде қолданылуы Бернулли сипаттаған принципте көрсетілген. Бұл келесідей естіледі: көлем бірлігіне кинестетикалық және потенциалдық энергияның қысымының қосындысы сұйықтық немесе газ ағынының кез келген бір нүктесінде бірдей. Бұл ағынның жылдамдығын өлшеу үшін екі нүктедегі қысымды өлшеу жеткілікті екенін білдіреді. Бұл әдетте манометрмен жасалады. Бірақ Бернулли заңы қарастырылып отырған сұйықтықтың тұтқырлығы нөлге тең болған жағдайда ғана жарамды. Нақты сұйықтықтар ағынын сипаттау үшін Бернулли интегралы қолданылады, ол кедергіні ескеретін терминдерді қосуды қамтиды.

Электродинамика

Екі дененің электрленуі кезінде олардағы электрондар саны өзгеріссіз қалады, осыған байланысты бір дененің оң заряды абсолютті мәні бойынша екіншісінің теріс зарядына тең. Сонымен, электр зарядының сақталу заңы электрлік оқшауланған жүйеде оның денелерінің зарядтарының қосындысы өзгермейтінін айтады. Бұл мәлімдеме зарядталған бөлшектер түрлендіруге ұшыраған кезде де дұрыс. Осылайша, 2 бейтарап зарядталған бөлшек соқтығысқанда, олардың зарядтарының қосындысы әлі де нөлге тең болады, өйткені теріс зарядталған бөлшекпен бірге оң зарядты да пайда болады.

Қорытынды

электродинамикадағы энергияның сақталу заңы
электродинамикадағы энергияның сақталу заңы

Механикалық энергияның, импульстің және импульстің сақталу заңы – уақыттың біртектілігімен және оның изотропиясымен байланысты негізгі физикалық заңдар. Олар механика шеңберімен шектелмейді және ғарышта болып жатқан процестерге де, кванттық құбылыстарға да қолданылады. Сақталу заңдары қозғалыс теңдеулерін пайдалана отырып, оларды зерттемей-ақ әртүрлі механикалық процестер туралы мәліметтер алуға мүмкіндік береді. Егер теорияда қандай да бір процесс бұл принциптерді елемейтін болса, онда бұл жағдайда эксперименттер жүргізудің мағынасы жоқ, өйткені олар тиімсіз болады.

Ұсынылған: