La Llei de la Conservació de l'Energia, també coneguda com a Primer Principi de la Termodinàmica, és un dels conceptes fonamentals en la física que regeix el nostre univers.
Al llarg de la història de la ciència, aquesta llei ha estat un pilar fonamental que ha permès comprendre i explicar una àmplia gamma de fenòmens naturals.
Origen i autor
La idea de la conservació de l'energia va començar a prendre forma al segle XIX gràcies al treball de científics com Julius Robert Mayer, James Joule, i Hermann von Helmholtz. Aquests investigadors van fer estudis exhaustius sobre la conversió de l'energia tèrmica en mecànica i viceversa.
Tot i això, la formulació més coneguda d'aquesta llei s'atribueix a Rudolf Clausius i William Thomson (Lord Kelvin) a mitjans del segle XIX.
Què estableix la llei de la conservació de lenergia?
Aquesta llei estableix que l'energia no es pot crear ni destruir, només transformada d'una manera a una altra. És a dir, la quantitat total en un sistema aïllat no varia amb el temps.
Això vol dir que, en absència de forces externes, l'energia total d'un sistema es conserva, encara que experimenti transformacions d'un tipus d'energia a un altre. Per exemple, en un sistema tancat, l'energia mecànica es pot convertir en energia tèrmica a causa de la fricció, però la suma total d'ambdues formes d'energia es mantindrà constant.
Des de la mecànica newtoniana
A la mecànica newtoniana, el principi de la conservació estableix que: “L'energia mecànica total d'un sistema tancat de cossos, entre els quals només actuen les forces internes del sistema, roman constant.”
En poques paraules, en absència de forces dissipatives (per exemple, forces de fricció), l'energia no sorgeix del no-res i no pot desaparèixer. Només es poden convertir en altres tipus d'energia.
Des de la termodinàmica
En termodinàmica, la llei de conservació es formula com la primera llei de la termodinàmica : “La quantitat de calor rebuda pel sistema s'utilitza per canviar la seva energia interna i fer treballs contra forces externes.”
La llei de conservació de l'energia estableix que no hi ha màquines de moviment perpetu del primer tipus. Sadi Carnot va demostrar que aquests processos són impossibles.
Exemples de la llei
Per comprendre millor la Llei de la Conservació de l'Energia, és útil veure alguns exemples concrets de com funciona en situacions quotidianes i científiques:
Pèndol simple
Imagina un pèndol simple, com un pèndol de rellotge. Quan aixeques el pèndol a una certa altura i el deixes anar, comença a oscil·lar cap endavant i cap enrere. A mesura que baixa, la seva energia potencial gravitatòria disminueix, però la seva energia cinètica augmenta.
La suma de l'energia potencial i cinètica en qualsevol punt del moviment sempre serà constant si no hi ha forces de fricció o resistència de l'aire involucrades.
Caiguda lliure
Quan deixes caure un objecte des d'una certa altura, la seva energia potencial gravitatòria esdevé energia cinètica a mesura que cau.
La llei de la conservació de lenergia estableix que la suma daquestes dues formes denergia és constant durant la caiguda.
Cotxe en moviment
Quan un cotxe està en moviment a una certa velocitat constant, té energia cinètica a causa del moviment.
Si el conductor apaga el motor, el cotxe continuarà movent-se a causa de la inèrcia, i la seva energia cinètica es mantindrà constant fins que passi alguna força de fricció, com la frenada, que converteix l'energia cinètica en energia tèrmica a través de la calor generada pels frens.
Transformació d'energia a una central elèctrica
En una central tèrmica convencional l'energia química emmagatzemada al combustible (com el carbó o el gas) es converteix en energia tèrmica mitjançant la combustió. Després, aquesta energia tèrmica es fa servir per escalfar aigua i produir vapor, que impulsa una turbina connectada a un generador elèctric. L'energia tèrmica es converteix en energia mecànica a la turbina i finalment en energia elèctrica al generador.
De la mateixa manera, una central nuclear pot fer el mateix procés però en lloc d'iniciar-se amb l'energia química de combustibles fòssils, l'energia tèrmica s'obté de l'energia nuclear obtinguda en fissionar un àtom.
En tots dos casos, al llarg de totes aquestes transformacions, l'energia total es conserva encara que canvia de forma.
Reacció nuclear al Sol
Al nucli del Sol, ocorre una reacció nuclear anomenada fusió nuclear, en la qual els nuclis d'hidrogen es combinen per formar heli.
Durant aquesta reacció, una petita quantitat de massa es converteix en energia segons la famosa equació d'Einstein, E=mc2 . L'energia alliberada en forma de llum i calor és constant, cosa que manté el Sol brillant durant milers de milions d'anys.
Una muntanya russa
El vagó d'una muntanya russa fa diverses conversions d'energia potencial i energia cinètica a cada volta. Quan és a dalt de tot, gairebé tota l'energia és energia potencial gravitatòria. Tot seguit, a mesura que va baixant, augmenta la velocitat i l'energia es transforma en energia cinètica.
Importància a la física
La llei de la conservació de l'energia és un pilar fonamental a la física i té una àmplia gamma d'aplicacions en diverses branques de la ciència. Algunes de les àrees en què aquesta llei exerceix un paper crucial inclouen:
- Física termodinàmica : La termodinàmica, la branca de la física que estudia les relacions entre la calor, el treball i l'energia, es basa en la llei de la conservació de l'energia. Aquesta llei permet comprendre com funcionen els motors, les màquines tèrmiques i els sistemes de refrigeració.
- Mecànica : A la mecànica clàssica, la conservació de l'energia s'utilitza per resoldre problemes relacionats amb la cinemàtica i la dinàmica dels objectes en moviment. L'energia cinètica i el potencial són exemples de formes d'energia la conservació de les quals és fonamental en aquest context.
- Electrodinàmica i electromagnetisme : aquest principi també és aplicable en el camp de l'electricitat i el magnetisme. En circuits elèctrics, per exemple, l'energia elèctrica es transforma en energia lluminosa en bombetes o energia tèrmica en dispositius d'escalfament.
- Física nuclear En la física nuclear, aquesta llei és essencial per entendre les reaccions nuclears i l'energia alliberada en processos com la fusió i la fissió nuclear.