Ինչ է էներգիայի պահպանման գաղափարը։
Էներգիայի պահպանման օրենքի հասկացությունը
Էներգիայի պահպանման օրենքը ֆիզիկայի հիմնական սկզբունքն է, որը պնդում է, որ անկախ համակարգում էներգիայի ընդհանուր քանակը պահպանվում է նույնը։ Այլ կերպ ասած, էներգիան չի կարող ստեղծվել կամ ջնջվել, այն կարող է միայն փոխակերպվել մի ձևից մյուսի կամ փոխանցվել մի օբյեկտից մյուսի։
1. Սահմանում
Էներգիայի պահպանման օրենքը կարող է ձևակերպվել հետևյալ կերպ՝
Անկախ համակարգում էներգիայի ընդհանուր քանակը պահպանվում է նույնը ցանկացած պրոցեսի ընթացքում։
Էներգիան կարող է փոխակերպվել մի ձևից մյուսի, բայց համակարգի ընդհանուր էներգիան մնում է անփոփոխ։
2. Մաթեմատիկական արտահայտություն
Էներգիայի պահպանման օրենքը կարող է արտահայտվել մաթեմատիկորեն հետևյալ կերպ՝
E սկզբնական = E վերջնական
որտեղ:
E սկզբնական համակարգի սկզբնական վիճակում էներգիայի ընդհանուր քանակն է։
E վերջնական համակարգի վերջնական վիճակում էներգիայի ընդհանուր քանակն է։
Եթե ներկա է աշխատանքը, հավասարումը կարող է գրվել հետևյալ կերպ՝
E սկզբնական + W = E վերջնական
որտեղ W ներկայացնում է համակարգի վրա կատարված կամ համակարգի կողմից կատարված աշխատանքը։
3. Էներգիայի ձևերը
Էներգիան գոյություն ունի տարբեր ձևերով, ներառյալ՝
Կինետիկ էներգիա՝ օբյեկտի շարժումից առաջացած էներգիան, որը տրվում է K = 1/2 mv² բանաձևով, որտեղ m-ը օբյեկտի զանգվածն է, իսկ v-ն՝ արագությունը։
Հնարավոր էներգիա՝ օբյեկտի դիրքի կամ վիճակի պատճառով ունեցած էներգիան, օրինակ գրավիտացիոն հնարավոր էներգիա U = mgh, որտեղ m-ը զանգվածն է, g-ն գրավիտացիոն արագացումը, իսկ h-ն բարձրությունը, կամ առաձգական հնարավոր էներգիա U = 1/2 kx², որտեղ k-ն առաձգական հաստատունն է, իսկ x-ը դիրքափոխությունը։
Տեղանքային էներգիա՝ մասնիկների պատահական շարժումից առաջացած էներգիան։
Քիմիական էներգիա՝ քիմիական կապերում պահպանված էներգիան, որը ազատվում է քիմիական ռեակցիաների ընթացքում (օրինակ, կոմբուստիա)։
Էլեկտրական էներգիա՝ էլեկտրական հոսանքի հոսքից առաջացած էներգիան։
Ատոմային էներգիա՝ ատոմային միջուկներում պահպանված էներգիան, որը ազատվում է ատոմային միջուկների կոտրման կամ միացման ընթացքում։
4. Էներգիայի պահպանման օրինակներ
Ազատ ընկնում՝ երբ օբյեկտը ընկնում է բարձրությունից, դրա գրավիտացիոն հնարավոր էներգիան անընդհատ փոխակերպվում է կինետիկ էներգիայի։ Անհաշվելով առաձգական դիրքը, օբյեկտի կինետիկ էներգիան երբ այն հասնում է հավասարակշռության դիրք, հավասար է դրա սկզբնական գրավիտացիոն հնարավոր էներգիային։
Առաձգական օսցիլյատոր՝ 이상적인 առաձգական-զանգված համակարգում, առաձգական հնարավոր էներգիան առավելագույն է հասնում եզրային դիրքերում, իսկ հավասարակշռության դիրքում բոլոր էներգիան կինետիկ էներգիա է։ Օսցիլյացիայի ընթացքում համակարգի ընդհանուր մեխանիկական էներգիան պահպանվում է նույնը։
Առաձգականություն և ջերմություն՝ երբ երկու օբյեկտ կանգնում են մի մյուսի վրա, մեխանիկական էներգիան փոխակերպվում է ջերմային էներգիայի։ Չնայած մեխանիկական էներգիան կրում է նվազում, ընդհանուր էներգիան (մեխանիկական + ջերմային) պահպանվում է նույնը։
5. Էներգիայի պահպանման օրենքի կիրառությունները
Ինժեներություն՝ մեքենաների, էլեկտրական համակարգերի, ջերմային շարժիչների և այլն պատրաստման ընթացքում էներգիայի պահպանման օրենքը օգտագործվում է էներգիայի մուտքի, ելքի և փոխակերպման էֆեկտիվության վերլուծման համար։
Ֆիզիկայի հետազոտություններ՝ մասնիկների ֆիզիկայում և աստղաֆիզիկայում էներգիայի պահպանման օրենքը էական է համարիչների տարբեր երևույթների հասկացման համար երկրում։
Ամենօրյա կյանքը՝ էներգիայի պահպանման օրենքը բացատրում է շատ ամենօրյա երևույթներ, ինչպիսիք են մեքենայի շարժիչների աշխատանքը, ակկումուլատորների լադումը և այլն։
6. Էներգիայի պահպանումը և Թերմոդինամիկայի Առաջին օրենքը
Էներգիայի պահպանման օրենքը Թերմոդինամիկայի Առաջին օրենքի հիմքն է, որը պնդում է, որ համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունը հավասար է համակարգին ավելացված ջերմության և համակարգի կողմից կատարված աշխատանքի տարբերությանը:
ΔU = Q - W
որտեղ:
ΔU համակարգի ներքին էներգիայի փոփոխությունն է։
Q համակարգին ավելացված ջերմությունն է։
W համակարգի կողմից կատարված աշխատանքն է։
Թերմոդինամիկայի Առաջին օրենքը էականորեն էներգիայի պահպանման օրենքի կիրառումն է թերմոդինամիկական համակարգերում։
7. Էներգիայի պահպանման օրենքի սահմանափակումները
Այնպիսի էքստրեմ պայմաններում, ինչպիսիք են բարձր արագության շարժումը, հզոր գրավիտացիոն դաշտերը կամ քվանտային մասշտաբը, ռելյատիվիստական և քվանտային մեխանիկան ավելի ճշգրիտ նկարագրում է էներգիայի պահպանումը։ Օրինակ, հատուկ ռելյատիվիստական մեխանիկայում զանգվածն ու էներգիան փոխարինելի են, ինչպես նկարագրվում է հայտնի E = mc² հավասարմամբ։
Ընդհանուր պատկերացում
Էներգիայի պահպանման օրենքը բնության մեջ ամենահիմնական օրենքներից մեկն է, որը պնդում է, որ անկախ համակարգում էներգիայի ընդհանուր քանակը պահպանվում է նույնը, նույնիսկ երբ այն գոյություն ունի տարբեր ձևերով և փոխակերպվում է դրանց միջև։ Այս օրենքը էական է ոչ միայն ֆիզիկայում, այլև ինժեներության, ամենօրյա կյանքի և այլ գիտական ոլորտներում։
