Закон сохранения энергии является одним из фундаментальных законов физики, который устанавливает, что в изолированной системе полная энергия остается неизменной со временем. То есть, энергия не может быть создана или уничтожена, а может только переходить из одной формы в другую.
Этот закон формулируется с помощью математической формулы: Эначальная + Эпотенциальная = Эконечная + Экинетическая. В этой формуле, Эначальная обозначает начальную энергию, Эпотенциальная — энергию системы в виде потенциальной энергии, Эконечная — конечную энергию, а Экинетическая — энергию системы в виде кинетической энергии.
Для измерения и выражения энергии в системе используются различные единицы измерения. Например, энергия может быть измерена в джоулях (Дж) — основной единице измерения энергии в системе Международной системы единиц (СИ). Также используются единицы, такие как электронвольт (эВ) в физике элементарных частиц и калория (ккал) в биохимии и пищевой промышленности.
Основные понятия закона сохранения энергии
Согласно закону сохранения энергии, сумма кинетической и потенциальной энергии в замкнутой системе остается постоянной. Кинетическая энергия связана с движением тела, а потенциальная энергия — с его положением в поле сил.
Формула для вычисления кинетической энергии выглядит следующим образом:
| Величина | Обозначение | Единица измерения |
|---|---|---|
| Кинетическая энергия | К | Дж (джоуль) |
| Масса тела | м | кг (килограмм) |
| Скорость тела | v | м/c (метр в секунду) |
Формула для вычисления потенциальной энергии в поле силы тяжести:
| Величина | Обозначение | Единица измерения |
|---|---|---|
| Потенциальная энергия | U | Дж (джоуль) |
| Масса тела | м | кг (килограмм) |
| Ускорение свободного падения | g | м/c² (метр в секунду в квадрате) |
| Высота | h | м (метр) |
Закон сохранения энергии имеет широкое применение в различных областях науки и техники. Он позволяет объяснить и предсказывать множество физических явлений и процессов.
Математическое выражение закона сохранения энергии
Математическое выражение закона сохранения энергии можно записать следующим образом:
Энергия начальная + работа + теплота = энергия конечная
В этом выражении каждая составляющая имеет свою единицу измерения:
- Энергия измеряется в джоулях (Дж).
- Работа также измеряется в джоулях (Дж).
- Теплота измеряется в джоулях (Дж).
Таким образом, математическое выражение закона сохранения энергии позволяет проводить точные и количественные рассуждения о преобразовании энергии в системе.
Первая форма закона сохранения энергии
Первая форма закона сохранения энергии, также известная как принцип сохранения энергии или закон сохранения механической энергии, утверждает, что в замкнутой механической системе общая механическая энергия остается неизменной со временем.
Механическая энергия системы состоит из двух форм: кинетической энергии (энергии движения) и потенциальной энергии (энергии положения). Первая форма закона сохранения энергии можно записать следующей формулой:
Эк = Ек + Еп,
где Эк – общая механическая энергия системы, Ек – кинетическая энергия системы, Еп – потенциальная энергия системы.
Эта формула позволяет определить общую механическую энергию системы, если известны значения кинетической и потенциальной энергий.
Единицей измерения механической энергии в СИ является джоуль (Дж). Кинетическая энергия выражается в джоулях, а потенциальная энергия – в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Вторая форма закона сохранения энергии
Формально, вторая форма закона сохранения энергии может быть выражена следующей формулой:
Eначальная + Wвнешн = Eконечная
где:
- Eначальная — начальная энергия системы;
- Wвнешн — работа внешних сил, совершаемая над системой;
- Eконечная — конечная энергия системы.
Вторая форма закона сохранения энергии является важным инструментом для анализа различных физических систем и явлений. Она позволяет определить изменение энергии системы в зависимости от работы, которую она получает или пердает.
Единицы измерения энергии
Джоуль (Дж) — основная единица измерения энергии в СИ. Один джоуль равен работе, совершенной при силе в один ньютон, когда точка приложения силы перемещается на один метр в направлении силы.
Также в ряде отраслей науки и промышленности, а также в не СИ-системах используются другие единицы измерения энергии:
Калория (кал) — тепловая энергия, необходимая для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия. В физике калория обозначается через джоули: 1 кал = 4,184 Дж.
Ватт-час (Вт-ч) — энергия, выраженная в ватт-часах, равна количеству энергии, которое создается или потребляется устройством мощностью один ватт в течение одного часа.
Электронвольт (эВ) — энергия, которую получает электрон, пройдя напряжение один вольт. Электронвольт широко используется в физике элементарных частиц и астрофизике для измерения энергии элементарных частиц.
Важно отметить, что существуют и другие не СИ-единицы измерения энергии, но СИ-единицы являются самыми распространенными и универсальными.