エネルギー保存則は、孤立したシステムの総エネルギーは一定であるという物理法則ですが、エネルギーは形を変えることができます。つまり、エネルギーは時間とともに保存されます。エネルギー保存則は、熱力学の第一法則です。フランスの数学者で哲学者でもあるエミリー・デュ・シャトレは、18 世紀に初めて法則を提案し、テストしました。
エネルギー保存則の公式
エネルギー保存則の公式を書くには、いくつかの異なる方法があります。最も一般的な式の 1 つは、運動エネルギー (K) と位置エネルギー (U) の関係を表しています。
K
この場合、システムの総エネルギーは一定ですが、エネルギーは位置エネルギーと運動エネルギーの間で変換されます。
摩擦のないカート、ブランコ、振り子、ボールの投げ方などを含む計算では、エネルギー保存の方程式の別の有用な形式があり、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーに次の式を使用します:
U =mgh;ここで、U は位置エネルギー、m は質量、g は重力加速度、h は高さです。
K =½mv;ここで、m は質量、v は速度
総エネルギーは、位置エネルギーと運動エネルギーの合計です:
E合計 = mgh + ½mv
この式は、摩擦がない物理問題に適しています。より複雑な方程式は、一部のエネルギーが摩擦によって熱に変換される状況をカバーしています。
エネルギー保存例問題
カートが摩擦のないトラックを移動するという一般的な物理問題で、エネルギー保存の公式を実際に見てみましょう。
エネルギー保存則の別の形式では、システムの内部エネルギー (ΔE) は、その境界 (q) を横切る熱流 (Q) とシステムで行われた仕事 (W) の合計であると述べています。
ΔE =Q + W
エネルギー保存則の例
日常生活におけるエネルギー保存則の例はたくさんあります:
- ブランコに乗る子供のエネルギーは、位置エネルギーと運動エネルギーの間で変化します。スイングのトップでは、すべてのエネルギーがポテンシャルです。スイングの最下部では、すべてキネティックです。エネルギーは、これら 2 点間の運動エネルギーとポテンシャル エネルギーの混合物です。摩擦のないシステムでは、上部の位置エネルギーは下部の運動エネルギーに等しく、他の点の運動エネルギーと位置エネルギーの合計に等しくなります。
- スイングする振り子も、スイングとまったく同じように、運動エネルギーと位置エネルギーの間の変換を示しています。もちろん、スイングと振り子の両方の例で、摩擦が役割を果たします。保存されたエネルギーは、実際には、運動エネルギー、位置エネルギー、および熱エネルギーまたは熱の混合物です。
- 車は化学エネルギー (ガソリン) を運動エネルギーに変換します。ここでも、エネルギーは熱として失われますが、エネルギーの形態の合計は一定のままです。
- りんごが木から落ちるとき、最初は位置エネルギーから始まります。落下すると、運動エネルギーと位置エネルギーが混合されます。地面に衝突した瞬間、そのエネルギーはすべて運動です。位置エネルギーと運動エネルギーの合計は一定値です。
- 懐中電灯は、電池の化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、それを光と熱に変換します。
- スピーカーは、電気エネルギーを別のエネルギー形態である音に変換します。
- 発電機は機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。
- 私たちの体は、食物からの化学エネルギーを機械エネルギー (筋肉の動き)、さまざまな化学エネルギー分子、および熱に変換します。
- 爆発する花火は、化学ポテンシャル エネルギーを運動エネルギー、光、熱、音に変換します。
古典力学 vs 一般相対性理論
古典力学では、エネルギー保存の法則と質量保存の法則は 2 つの別個の法則です。しかし、これらはアインシュタインの有名な方程式の相対性理論で組み合わされています:
E =mc
この方程式は、質量がエネルギーに変換できること、およびその逆が成り立つことを示しています。オブザーバーからの参照が変更されない限り、エネルギー保存の法則は依然として当てはまります。
パーペチュアル モーション マシン
エネルギー保存則の帰結の 1 つは、第 1 種の永久運動機械が不可能であることを意味します。これらは、追加のエネルギー入力なしで永遠に機能するマシンです。機能する永久運動は紙の上ではうまく見えるかもしれませんが、機械のエネルギーの一部が熱に変わるため、現実の世界では機能しません。通常、これは摩擦によるものです。したがって、実際に機械を動かし続けるには、エネルギーを継続的に投入する必要があります。
例外
エネルギー保存の法則は閉じた系に適用されることを覚えておいてください。システムを定義したり分離したりするのは簡単ではないか、不可能な場合もあります。これは、システムが常に時間変換対称性を持っているとは限らない一般相対性理論で機能します。たとえば、エネルギー保存は、曲がった時空または時間結晶に対して必ずしも定義されているわけではありません。
参考文献
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