Energibesparelse

Den energibesparelser er en fysisk princip , hvorefter totale energi af et isoleret system er invariant over tid. Dette princip, der er bredt verificeret eksperimentelt, er af største betydning i fysikken og kræver, at for ethvert fysisk fænomen er den samlede samlede energi i det isolerede system lig med den endelige samlede energi, så energi passerer fra en anden under udfoldelsen af fænomenet, uden skabelse eller forsvinden af energi.

Mens det postuleres i Newtonsk mekanik , kan dette princip demonstreres i Lagrangian-mekanik gennem et Noether-sætning .

Vi kan således studere energitransformationerne under en forbrænding (hvor kun termisk energi og energien fra kemiske bindinger griber ind ) eller en nuklear reaktion (hvor hovedsagelig den energi, der er til stede i atomernes kerner og den termiske energi ).

Dette princip gør evig bevægelse umulig, fordi intet ægte fysisk system er perfekt isoleret fra sit miljø, dets bevægelse mister energi i en eller anden form ( friktion , lys , varme osv.).

Definition

Et isoleret system består af et sæt fysiske objekter (normalt partikler: atomer, fotoner osv. ). Det siges at være "isoleret", hvis det ikke udveksles med det ydre hverken energi gennem kræfter (for eksempel tyngdekraft, magnetisme) eller stof (man fjerner ikke eller tilføjer partikler med en masse til systemet). Især udskifter det isolerede system ikke fotoner med et andet system.

Dette princip, udstedt i Newtons fysik, antager implicit, at systemets referenceramme er inertial . I en ikke-inertiel referenceramme er dette princip ikke gyldigt, idet en bevægelse kan vises der spontant.

Detaljeret princip

Den samlede energi i et system består af summen af forskellige energier, som kan være:

den masse energi , svarende til massen af partiklerne, ifølge formlen E = mc 2 ;
den termiske energi ;
den kinetiske energi svarende til systemets bevægelse som helhed;
den potentielle energi (f.eks. på grund af tyngdekraften og på grund af højden eller kemikaliet );
etc.

Princippet om bevarelse siger, at mængden af energi i et isoleret system ikke kan variere.

At sige, at et system A ikke er isoleret, er at sige, at der er mindst et andet system B uden for A, og at der er energioverførsler mellem disse systemer.

Generelt anvendes princippet om bevarelse for ethvert (ikke-isoleret) system S oftest på en variationel måde ved at skrive, at variationen i mængden af energi i systemet S er lig med summen af indgangene minus sum outputs under observationsforsinkelsen. Matematisk oversættes dette til bevaringsligninger .

For eksempel har et pendul, der oscillerer i luften, en stadig svagere bevægelse, fordi den ved friktion, især med luften, leverer energi til et andet system (den omgivende luft), og hvis dens energi falder, mindskes dens bevægelser ubønhørligt. Mængden af energi, der går tabt fra "pendul" -systemet, svarer derefter til den mængde energi, der overføres til det "omgivende" system, og derfor udsendes fra "pendul" -systemet. Variationen heraf er så faktisk lig med summen af input (i dette tilfælde 0) minus summen af output.

Mekanisk

System i konservativ udvikling

I simple systemer af Newtons mekanik , kun underlagt konservative kræfter , at summen af kinetisk energi , og de potentielle energier , er en konstant. Det forbliver uændret under kun konservative kræfter. ${\ displaystyle Ec}$ ${\ displaystyle Ep}$

{\ displaystyle Ec _ {\ mathrm {i}} + Ep _ {\ mathrm {i}} = Ec _ {\ mathrm {f}} + Ep _ {\ mathrm {f}}}

eller

{\ displaystyle \ Delta Ec + \ Delta Ep = 0}

Summen Ec + Ep , som repræsenterer al energi til stede i systemet, kaldes til mekanisk energi , E .

Det er så muligt at udtrykke princippet om energibesparelse ved hjælp af mekanisk energi.

\ Delta E = 0

eller:

{\ displaystyle E _ {\ mathrm {i}} = E _ {\ mathrm {f}}}

Vi taler om indledende og endelige energier ved at henvise til den energi, der er til stede i et system før og efter effekten af en kraft. Den type kraft, der virker på systemet, bestemmer, om der er energibesparelse eller ej.

Ikke-konservativt system i udvikling

Hvis systemet udsættes for mindst en ikke-konservativ kraft (f.eks. En friktion), skal det arbejde, det producerer, tages i betragtning for at bestemme den endelige energi i dette system. Ligningen, der er angivet i det foregående afsnit, ændres således, da energien ikke er bevaret. ${\ displaystyle W _ {\ mathrm {nc}}}$

{\ displaystyle E _ {\ mathrm {i}} + W _ {\ mathrm {nc}} = E _ {\ mathrm {f}}}

Det er generelt nødvendigt at ty til termodynamik og til begrebet intern energi for at omformulere et princip om bevarelse af energi mere generelt end inden for mekanik.

Ansøgningssag

Partikelfysik

I partikelfysik kræver loven om bevarelse af energi , at summen af startpartiklernes energi er den samme som summen af energien af de udsendte partikler under en nuklear reaktion eller et henfald .

I 1930 tillod anvendelsen af dette princip Wolfgang Pauli at antage eksistensen af en meget diskret partikel, som han kaldte neutrino tre år senere .

Eksempel på en faldende kugle

Princippet om bevarelse af et systems mekaniske energi kan bruges i tilfælde af en balle, der hæves til en vis højde fra jorden:

oprindeligt har den tyngdepotentialenergi (bemærket h i illustrationen);
når det falder, accelereres det af tyngdekraften, og dets potentielle energi bliver gradvist kinetisk energi . Lige i det øjeblik, hvor jorden berøres, omdannes forskellen i tyngdepotentialenergi mellem dens oprindelige position og den, som den indtager i slutningen af sit løb, totalt til kinetisk energi (bemærket her v);
hvis bolden er deformerbar og ikke hopper, hviler den. Den kinetiske energi omdannes derefter til termisk energi (bemærket T).

I dette eksempel er luftmodstanden forsømt .

Termodynamik

Det første princip om termodynamik afspejler princippet om energibesparelse: ${\ displaystyle \ Delta Ec + \ Delta U = Q + W \,}$

Det vil sige, at summen af variationerne i den makroskopiske kinetiske energi (Ec) og den indre energi (U) i et system er lig med summen af varmeoverførslen og det arbejde, det udveksler med det eksterne miljø.

For et isoleret system har vi: derfor ${\ displaystyle \ Delta Ec + \ Delta U = Q + W = 0 \,}$ $Q = -W \,$

Noter og referencer

Lev Landau og Evgueni Lifchits , Theoretical Physics , t. 1: Mekanik [ detaljer af udgaver ], § 3 og 6
I praksis har vi ikke identificeret en fysisk barriere, der forhindrer nogen overførsel af energi omkring et rumområde, for eksempel på grund af tunneleffekten eller rumstråling . Intet ægte isoleret system kendes derfor. Det eneste teoretisk identificerbare isolerede system ville være hele universet , som pr. Definition indeholder ethvert andet system. Derfor er det i eksperimentel fysik nødvendigt at oprette meget komplekse miljøer for at være i stand til at kontrollere og måle overførsler af energi, især termisk, mellem det undersøgte system og resten af universet: dette er den største hindring til realisering af kvantecomputere .
Benson 2009 , s. 228.
Benson 2009 , s. 235.
Benson 2009 , s. 229.

Bibliografiske kilder

: dokument brugt som kilde til denne artikel.

Harris Benson ( oversat Marc Séguin, Benoît Villeneuve, Bernard Marcheterre og Richard Gagnon), Physique 1 Mécanique , Édition du Renouveau Pédagogique,2009, 4 th ed. , 465 s.