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։