Contenu
- Newtons Laws of Motion
- Quantités conservées en physique
- Transformations de l'énergie et formes d'énergie
- Exemples de transfert d'énergie
- Suivi de la conservation de l'énergie
- Exemple de cinématique: chute libre
- Qu'en est-il d'Einstein?
- La machine à mouvement perpétuel?
Parce que la physique est l’étude de la façon dont la matière et le flux d’énergie, la loi de conservation de l'énergie est une idée clé pour expliquer tout ce qu'un physicien étudie et la manière dont il le étudie.
La physique ne consiste pas à mémoriser des unités ou des équations, mais à définir un cadre régissant le comportement de toutes les particules, même si les similitudes ne sont pas évidentes au premier abord.
La première loi de la thermodynamique est une reformulation de cette loi de conservation de l’énergie en termes d’énergie thermique: énergie interne d’un système doit être égal au total des travaux effectués sur le système, plus ou moins la chaleur entrant ou sortant du système.
Un autre principe de conservation bien connu en physique est la loi de la conservation de la masse; comme vous le découvrirez, ces deux lois de conservation - et vous en serez présenté deux autres ici aussi - sont plus étroitement liées qu’elles ne le sont à l’œil (ou au cerveau).
Newtons Laws of Motion
Toute étude des principes physiques universels devrait être étayée par un examen des trois lois fondamentales du mouvement, martelées par Isaac Newton il y a des centaines d'années. Ceux-ci sont:
Quantités conservées en physique
Les lois de la conservation en physique ne s’appliquent à la perfection mathématique que dans des systèmes véritablement isolés. Dans la vie quotidienne, de tels scénarios sont rares. Quatre quantités conservées sont Masse, énergie, élan et moment angulaire. Les trois derniers relèvent de la mécanique.
Masse est simplement la quantité de matière de quelque chose, et quand multiplié par l'accélération locale due à la gravité, le résultat est poids. La masse ne peut pas plus être détruite ou créée à partir de zéro que l'énergie ne peut.
Élan est le produit d'une masse d'objets et de sa vitesse (m ·v). Dans un système de deux ou plusieurs particules en collision, la quantité totale d'impulsion du système (la somme des impulsions individuelles des objets) ne change jamais tant qu'il n'y a pas de pertes par frottement ni d'interactions avec des corps externes.
Moment angulaire (L) est juste la quantité de mouvement autour d'un axe d'un objet en rotation, et est égale à m ·v · r, où r est la distance entre l’objet et l’axe de rotation.
Énergie apparaît sous de nombreuses formes, certaines plus utiles que d'autres. La chaleur, la forme sous laquelle toute énergie est destinée à exister, est la moins utile pour la transformer en travail utile et est généralement un produit.
La loi de conservation de l'énergie peut être écrite:
KE + PE + IE = E
où KE = énergie cinétique = (1/2) mv2, PE = énergie potentielle (égal à mgh lorsque la gravité est la seule force agissant mais sous d'autres formes), IE = énergie interne et E = énergie totale = une constante.
Transformations de l'énergie et formes d'énergie
Toute l'énergie dans l'univers est née du Big Bang et cette quantité totale d'énergie ne peut pas changer. Au lieu de cela, nous observons des formes d’énergie qui changent continuellement, allant de l’énergie cinétique (énergie du mouvement) à l’énergie thermique, de l’énergie chimique à l’énergie électrique, de l’énergie potentielle gravitationnelle à l’énergie mécanique, etc.
Exemples de transfert d'énergie
La chaleur est un type d’énergie particulier (l'énérgie thermique) en ce que, comme indiqué, il est moins utile pour l'homme que d'autres formes.
Cela signifie qu'une fois qu'une partie de l'énergie d'un système est transformée en chaleur, elle ne peut plus être aussi facilement reconstituée sous une forme plus utile sans apport de travail supplémentaire, qui prend de l'énergie supplémentaire.
La quantité féroce d'énergie rayonnante émise par le soleil toutes les secondes et qui ne peut en aucun cas être récupérée ou réutilisée témoigne de manière permanente de cette réalité qui se développe continuellement dans toute la galaxie et dans l'univers. Une partie de cette énergie est "capturée" par des processus biologiques sur Terre, notamment la photosynthèse chez les plantes, qui produisent leur propre nourriture, fournissent de la nourriture (énergie) aux animaux et aux bactéries, etc.
Il peut également être capturé par des produits de l'ingénierie humaine, tels que les cellules solaires.
Suivi de la conservation de l'énergie
Les lycéens en physique utilisent généralement des camemberts ou des diagrammes à barres pour montrer l’énergie totale du système étudié et suivre ses changements.
Étant donné que la quantité totale d'énergie contenue dans la tarte (ou la somme des hauteurs des barres) ne peut pas changer, la différence entre les tranches ou les catégories de barres montre à quel point l'énergie totale en un point donné correspond à une forme d'énergie ou à une autre.
Dans un scénario, différents graphiques peuvent être affichés à différents endroits pour suivre ces changements. Par exemple, notez que la quantité d’énergie thermique augmente presque toujours, ce qui représente un gaspillage dans la plupart des cas.
Par exemple, si vous lancez une balle à un angle de 45 degrés, toute son énergie est initialement cinétique (car h = 0), puis au point où la balle atteint son point le plus élevé, son énergie potentielle exprimée en pourcentage de l'énergie totale est la plus élevée.
Au fur et à mesure de sa montée et de sa chute, une partie de son énergie est transformée en chaleur sous l'effet des forces de friction de l'air. KE + PE ne reste donc pas constant tout au long de ce scénario, mais diminue alors que l'énergie totale E reste toujours constante. .
(Insérez quelques exemples de diagrammes avec des diagrammes à secteurs / à barres qui suivent les changements d’énergie.
Exemple de cinématique: chute libre
Si vous tenez une boule de bowling de 1,5 kg d’un toit situé à 100 m au-dessus du sol, vous pouvez calculer son énergie potentielle étant donné que la valeur de g = 9,8 m / s2 et PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1 470 Joules (J)
Si vous relâchez la balle, son énergie cinétique nulle augmente de plus en plus rapidement à mesure que la balle tombe et accélère. Au moment où il atteint le sol, KE doit être égal à la valeur de PE au début du problème, soit 1 470 J. À ce moment,
KE = 1 470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
En supposant qu’aucune perte d’énergie ne soit due au frottement, la conservation de l’énergie mécanique vous permet de calculer v, qui se révèle être 44,3 m / s.
Qu'en est-il d'Einstein?
Les étudiants en physique pourraient être confus par le célèbre énergie de masse équation (E = mc2), se demandant s'il défie la loi de conservation d'énergie (ou conservation de la masse), car cela implique que la masse peut être convertie en énergie et inversement.
En réalité, il ne viole ni l'une ni l'autre loi, car il montre que la masse et l'énergie sont en réalité des formes différentes de la même chose. C'est un peu comme si on les mesurait dans différentes unités étant donné les différentes exigences des situations classiques et de la mécanique quantique.
Selon la troisième loi de la thermodynamique, dans la mort thermique de l'univers, toute la matière aura été convertie en énergie thermique. Une fois cette conversion d'énergie terminée, aucune autre transformation ne peut avoir lieu, du moins sans un autre événement singulier hypothétique tel que le Big Bang.
La machine à mouvement perpétuel?
Une "machine à mouvement perpétuel" (par exemple, un pendule qui bascule avec la même synchronisation et le même balayage sans jamais ralentir) sur Terre est impossible en raison de la résistance de l'air et des pertes d'énergie associées. Pour maintenir le gizmo, il faudrait un jour un travail externe, ce qui irait à l'encontre du but recherché.