قانون حفظ الطاقة: الصيغ ، التطبيقات ، أمثلة على المشاكل

بشكل عام ، قانون الحفاظ على الطاقة له علاقة وثيقة بالأنشطة التي نقوم بها كل يوم.

يتم تعريف الطاقة نفسها على أنها خاصية ثابتة موجودة في خاصية مادية ، مثل تفاعل الجسيمات والأشياء المادية وجميع القدرات الناتجة عن وجود الجسيمات في الطبيعة كون.

نظرًا لأن لها طبيعة ثابتة ، يمكن تسمية الطاقة بأنها أبدية ولا يتغير حجمها.

صاغ قانون حفظ الطاقة

نقلا عن صفحة بريتانيكا ، عالم فيزيائي يدعى جيمس بريسكوت جول من إنجلترا لديه صياغة أن الأشكال المختلفة للطاقة هي في الأساس متشابهة وثابتة ، ولكن يمكن تغييرها من واحدة إلى أخرى بعضهم البعض.

على أساس هذه الصيغة ، بدأ بعد ذلك قانونًا أصبح أساس النظرية الأساسية للفيزياء (الديناميكا الحرارية) ، أي قانون حفظ الطاقة.

ولد جيمس جول في 24 ديسمبر 1818 في إنجلترا وتوفي في 11 أكتوبر 1889.

وهو طالب لدى جون دالتون وهو كيميائي ومحاضر في جامعة مانشستر ، إنجلترا.

في البداية ، بحثت جول وأجرت دراسات تجريبية تتعلق بالحرارة الناتجة عن الأسلاك الكهربائية.

وفقًا للدراسات والأبحاث التي قام بها ، يمكن أن يستنتج جول في أطروحة علمية أن الحرارة هي الطاقة التي يتم فيها فصل الطاقة عن المادة أو الجسم المسخن.

تفتح دراسته دراسات أخرى مرتبطة بالمثل بالطاقة الموجودة في تفاعلات عديدة للأشياء المادية.

اكتشف جيمس جول وزميله ويليام طومسون نظرية فيزيائية تنص على أن الغازات يُسمح له بالتمدد دون تدخل الجسيمات الموجودة خارج الغاز ، عندها ستكون درجة حرارة الغاز تحت.

على أساس هذه النتائج ، تمت صياغة نظرية تسمى تأثير جول-طومسون.

أصبحت هذه النظرية فيما بعد أساسًا لإنشاء آلة التبريد.

فهم قانون حفظ الطاقة

ينص قانون حفظ الطاقة على ما يلي:

لن تتغير كمية الطاقة في النظام المغلق ، وستظل كما هي أو ثابتة وسيتم الحفاظ عليها بمرور الوقت. لا يمكن إنشاء الطاقة أو تدميرها ، لكنها يمكن أن تتغير من شكل إلى آخر.

كما هو مذكور في تعليم الطاقة ، فإن الطريقة الوحيدة لاستخدام الطاقة هي تغيير شكلها ، وليس إنشائها أو تدميرها.

يخلص قانون الفيزياء هذا أيضًا إلى أن كمية الطاقة ستظل دائمًا كما هي وستظل على الرغم من أن شكلها يمكن أن يتغير.

بشكل فريد ، ستكون الطاقة موجودة دائمًا في أي جزء من الكون وطبيعتها هي نفسها ، ولا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.

قانون حفظ الطاقة الميكانيكية

قانون حفظ الطاقة الميكانيكية في شكل كميات الطاقة الحركية مع الطاقة الكامنة.

الطاقة الكامنة هي الطاقة الموجودة في الجسم لأن الجسم يقع في مجال القوة.

وفي الوقت نفسه ، الطاقة الحركية هي الطاقة التي تسببها حركة جسم له كتلة أو وزن.

فيما يلي كتابة صيغة أو صيغة الطاقتين ، بما في ذلك:

مكافئ = 1/2mv²
الجيش الشعبي = mgh

معلومة:

• EK = الطاقة الحركية (جول)
• EP = الطاقة الكامنة (جول)
• م = الكتلة (كلغ)
• ز = الجاذبية (م / ث²)
• ح = ارتفاع الجسم (م)
• ت = السرعة (م / ث)

جميع وحدات الطاقة هي الجول (SI). ثم ، في الطاقة الكامنة ، الشغل الذي تقوم به هذه القوة الواحدة يساوي سالب التغير في الطاقة الكامنة للنظام.

من ناحية أخرى ، في نظام تتغير فيه السرعة ، فإن إجمالي العمل المنجز في النظام يساوي التغير في الطاقة الحركية.

نظرًا لأن القوة تعمل فقط بقوة محافظة ، فإن إجمالي العمل في النظام سيكون مساويًا للتغير في الطاقة الكامنة السلبية.

إذا قمنا بدمج المفهومين ، فستظهر حالة يكون فيها مجموع التغييرات في الطاقة الحركية والتغيرات في الطاقة الكامنة مساوياً للصفر.

من المعادلة الثانية ، يمكن ملاحظة أن مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة الأولية هو نفس مجموع الطاقة الحركية النهائية والطاقات الكامنة.

مجموع هذه الطاقات يشار إليها باسم الطاقة الميكانيكية.

تظل قيمة هذه الطاقة الميكانيكية ثابتة دائمًا بشرط أن تكون القوى المؤثرة في النظام متحفظة.

قانون حفظ صيغة الطاقة

يجب أن تكون كل طاقة إجمالية في النظام (أي الطاقة الميكانيكية) هي نفسها دائمًا ، بحيث يكون للطاقة الميكانيكية قبل وبعد نفس الحجم.

في هذه الحالة ، يمكن ذكرها على النحو التالي:

مثال على قانون حفظ الطاقة

فيما يلي بعض الأمثلة على قانون الحفاظ على الطاقة ، ومنها:

1. إبريق تسخين المياه

عندما تستخدم سخان مياه ، فأنت تنظر في الواقع إلى مبدأ الحفاظ على الطاقة.

يقوم سخان الماء بتحويل الطاقة الكهربائية من الكابل إلى طاقة حرارية في عنصر التسخين.

سيقوم عنصر التسخين بعد ذلك بتسخين الماء بحيث تنتقل الطاقة الحرارية إلى الماء في إبريق الشاي.

2. الفاكهة على شجرة ساقطة

عندما تكون الثمرة على الشجرة ، تظل الثمرة. سيكون للفاكهة طاقة كامنة بسبب ارتفاع الثمرة عن الأرض.

الآن عندما تسقط الثمرة من الشجرة ، ستبدأ الطاقة الكامنة في التحول إلى طاقة حركية.

سيبقى مجموع الطاقات ثابتًا والذي سيصبح بعد ذلك إجمالي الطاقة الميكانيكية للنظام.

قبل أن تصل الثمرة إلى الأرض مباشرة ، ستنخفض الطاقة الكامنة الإجمالية للنظام إلى الصفر وستكون لها طاقة حركية فقط.

3. محطة الطاقة الكهرومائية

في سدود محطة الطاقة التي تعمل بالطاقة المائية ، يتم سد المياه للوصول إلى ارتفاع عالٍ (h) بحيث يكون للمياه في الخزان طاقة محتملة عالية.

يدخل الماء من اتجاه السد عبر الممر المائي إلى التوربين ويقوم بتدوير التوربين. ستتحول الطاقة الكامنة للماء بعد ذلك إلى طاقة حركية في التوربين بحيث يدور التوربين.

لأن التوربين يدور ، سوف يدور المولد أيضًا. ثم يتم تحويل الطاقة الحركية في التوربين إلى طاقة كهربائية في المولد.

ثم يتم تمرير الكهرباء من المولد عبر كابلات الجهد العالي لمسافات طويلة. هذه الطاقة الكهربائية هي ما تستمتع به كل يوم.

4. محطة توليد الطاقة الكهرمائية

تستخدم الطاقة الميكانيكية من المياه المتساقطة والشلالات لتشغيل التوربينات في قاع الشلال.

ثم يتم استخدام دوران التوربين لتوليد الكهرباء.

5. لعبة الكرات

عند لعب الكرات ، تنتقل الطاقة الميكانيكية من الأصابع إلى الكرات. يؤدي هذا إلى تحريك قطعة الرخام والسير لمسافة ما قبل أن تتوقف.

6. طاحونة هوائية

تتسبب الطاقة الحركية للرياح في دوران الشفرات. ستقوم الطاحونة بتحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية.

7. محرك بخاري

كما يوحي الاسم ، يعمل المحرك البخاري على البخار كطاقة حرارية.

سيتم تحويل هذه الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية ثم استخدامها لتشغيل القاطرة.

هذا أيضًا مثال على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.

8. لعبة بندقية السهم

تحتوي لعبة مسدس السهم على زنبرك يمكنه تخزين الطاقة المرنة عندما تكون في وضع مضغوط.

سيتم بعد ذلك إطلاق الطاقة عندما يتمدد الربيع ، مما يؤدي إلى تحرك السهم.

بحيث يحول الطاقة المرنة للزنبرك إلى الطاقة الحركية لسهم متحرك.

مثال على المشاكل

لتسهيل فهم الوصف أعلاه ، نقدم هنا بعض الأمثلة على الأسئلة المتعلقة بقانون الحفاظ على الطاقة ، بما في ذلك: