La ley de conservación de la energía: descripción y ejemplos

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La ley de conservación de la energía: descripción y ejemplos
La ley de conservación de la energía: descripción y ejemplos
Anonim

La energía potencial es más bien una cantidad abstracta, porque cualquier objeto que tenga una cierta altura sobre la superficie de la Tierra ya tendrá una cierta cantidad de energía potencial. Se calcula multiplicando la velocidad de caída libre por la altura sobre la Tierra y también por la masa. Si el cuerpo está en movimiento, podemos hablar de la presencia de energía cinética.

ley de conservación de la energía
ley de conservación de la energía

Fórmula y descripción de la ley

El resultado de la adición de energía cinética y potencial en un sistema cerrado de influencias externas, cuyas partes interactúan debido a las fuerzas de elasticidad y gravedad, no cambia: esta es la ley de conservación de la energía en mecanica clasica. La fórmula de esta ley se ve así: Ek1+Ep1=Ek2+Ep2. Aquí Ek1 es la energía cinética de cierto cuerpo físico en un momento particular y Ep1 es la energía potencial. Lo mismo es cierto para Ek2 y Ep2, pero ya en el próximo período de tiempo. Pero esta ley es verdadera solo si el sistema en el que opera es cerrado (o conservador). Esto sugiere que el valor de la energía mecánica total no cambia cuando solo actúan fuerzas conservativas sobre el sistema. Cuando entran en juego fuerzas no conservativas, parte de la energía cambia y adopta otras formas. Estos sistemas se denominan disipativos. La ley de conservación de la energía funciona cuando las fuerzas externas no actúan sobre el cuerpo de ninguna manera.

ley de la conservacion de la energia mecanica
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Un ejemplo de la manifestación de la ley

Uno de los ejemplos típicos que ilustran la ley descrita es un experimento con una bola de acero que cae sobre una placa de la misma sustancia o vidrio, rebotando en ella aproximadamente a la misma altura que tenía antes de la caída. Este efecto se logra debido al hecho de que cuando el objeto se mueve, la energía se convierte varias veces. Inicialmente, el valor de la energía potencial comienza a tender a cero, mientras que la energía cinética aumenta, pero después de la colisión, se convierte en la energía potencial de la deformación elástica de la pelota.

ley de conservación de la energía mecánica total
ley de conservación de la energía mecánica total

Esto continúa hasta que el objeto se detiene por completo, momento en el que comienza su movimiento ascendente debido a las fuerzas de deformación elástica tanto de la placa como del objeto caído. Pero al mismo tiempo, entra en juego la energía potencial de la gravedad. Como en este caso se entiende que la pelota tiene aproximadamente la misma altura desde la que cayó, la energía cinética en ella es la misma. Además, la suma de todas las energías que actúan sobre un objeto en movimiento permanece igual durante todo el proceso descrito, lo que confirma la ley de conservación de la energía mecánica total.

Deformación elástica: ¿qué es?

Para comprender completamente el ejemplo anterior, vale la pena comprender con más detalle cuál es la energía potencial de un cuerpo elástico; este concepto significa la posesión de elasticidad, lo que permite, cuando todas las partes del sistema están deformarse, volver a un estado de reposo, realizando algún trabajo sobre los cuerpos con los que el objeto físico está en contacto. El trabajo de las fuerzas elásticas no se ve afectado por la forma de la trayectoria del movimiento, ya que el trabajo realizado por ellas depende únicamente de la posición del cuerpo al principio y al final del movimiento.

Cuando actúan fuerzas externas

ley de conservación de la energía en la mecánica clásica
ley de conservación de la energía en la mecánica clásica

Pero la ley de conservación no se aplica a los procesos reales en los que interviene la fuerza de fricción. Un ejemplo es un objeto que cae al suelo. Durante una colisión, la energía cinética y la fuerza de arrastre aumentan. Este proceso no encaja en el marco de la mecánica, ya que la temperatura del cuerpo aumenta debido al aumento de la resistencia. De lo anterior se deduce que la ley de conservación de la energía en mecánica tiene serias limitaciones.

Termodinámica

ley de la conservacion de la energia en la termodinamica
ley de la conservacion de la energia en la termodinamica

La primera ley de la termodinámica dice: la diferencia entre la cantidad de calor acumulado debido al trabajo realizado sobre objetos externos es igual al cambio en la energía interna de este sistema termodinámico no conservativo.

Pero esta afirmación suele formularse de otra forma: la cantidad de calor que recibe un sistema termodinámico se gasta en el trabajo realizado en los objetos fuera del sistema, así como en el cambio de la cantidad de energía dentro del sistema. Según esta ley, no puede desaparecer cambiando de una forma a otra. De aquí se sigue la conclusión de que la creación de una máquina que no consuma energía (la llamada máquina de movimiento perpetuo) es imposible, ya que el sistema necesitará energía del exterior. Pero muchos todavía intentaron persistentemente crearlo, sin tener en cuenta la ley de conservación de la energía.

Un ejemplo de la manifestación de la ley de conservación en la termodinámica

Los experimentos muestran que los procesos termodinámicos no se pueden revertir. Un ejemplo de esto es el contacto de cuerpos que tienen diferentes temperaturas, en el que el más caliente cederá calor y el segundo lo recibirá. El proceso inverso es imposible en principio. Otro ejemplo es el paso de gas de una parte del recipiente a otra después de abrir un tabique entre ellas, siempre que la segunda parte esté vacía. La sustancia en este caso nunca comenzará a moverse espontáneamente en la dirección opuesta. De lo anterior se sigue que todo sistema termodinámico tiende a un estado de reposo, en el cual sus partes individuales están en equilibrio y tienen la misma temperatura y presión.

Hidrodinámica

La aplicación de la ley de conservación en procesos hidrodinámicos se expresa en el principio descrito por Bernoulli. Suena así: la suma de la presión de la energía cinética y potencial por unidad de volumen es la misma en cualquier punto del flujo de un líquido o gas. Esto significa que para medir el caudal es suficiente medir la presión en dos puntos. Esto generalmente se hace con un manómetro. Pero la ley de Bernoulli es válida solo si el fluido en cuestión tiene una viscosidad que es cero. Para describir el flujo de fluidos reales se utiliza la integral de Bernoulli, que implica la adición de términos que tienen en cuenta la resistencia.

Electrodinámica

Durante la electrificación de dos cuerpos, el número de electrones en ellos permanece sin cambios, por lo que la carga positiva de un cuerpo es igual en valor absoluto a la carga negativa del otro. Así, la ley de conservación de la carga eléctrica dice que en un sistema eléctricamente aislado, la suma de las cargas de sus cuerpos no cambia. Esta afirmación también es cierta cuando las partículas cargadas sufren transformaciones. Así, cuando chocan 2 partículas con carga neutra, la suma de sus cargas sigue siendo igual a cero, ya que junto con una partícula con carga negativa, también aparece una con carga positiva.

Conclusión

ley de conservacion de la energia en electrodinamica
ley de conservacion de la energia en electrodinamica

La ley de conservación de la energía mecánica, el momento y el momento: leyes físicas fundamentales asociadas con la homogeneidad del tiempo y su isotropía. No están limitados por el marco de la mecánica y son aplicables tanto a los procesos que ocurren en el espacio exterior como a los fenómenos cuánticos. Las leyes de conservación permiten obtener datos sobre varios procesos mecánicos sin estudiarlos utilizando las ecuaciones de movimiento. Si algún proceso en teoría ignora estos principios, entonces no tiene sentido realizar experimentos en este caso, ya que serán ineficaces.

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