Tổng hợp lý thuyết định luật bảo toàn năng lượng cần nhớ
Kiến thức cơ bản

Tổng hợp lý thuyết định luật bảo toàn năng lượng cần nhớ

Alice Nguyen
Alice Nguyen

22/07/20223 phút đọc

Mục lục bài viết

Định luật bảo toàn năng lượng là một trong các định luật quan trọng trong môn Vật Lý. Bài viết dưới đây Monkey sẽ trả lời chính xác cho các câu hỏi: Định luật bảo toàn năng lượng của ai? Định luật bảo toàn năng lượng là gì? Cũng như đưa ra các phát biểu định luật bảo toàn năng lượng, từ đó có thể giúp bạn đọc củng cố kiến thức, vận dụng tốt vào những câu hỏi liên quan.

Năng lượng là gì?

Tổng hợp lý thuyết định luật bảo toàn năng lượng cần nhớ. (Ảnh: Sưu tầm Internet)

Năng lượng chính là đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật bất kỳ nào đó. Chỉ số của năng lượng này liên quan đến sự chuyển động của các hạt và từ trường. Năng lượng và khối lượng của vật có sự liên hệ với nhau dựa trên thuyết tương đối. 

Trong Vật lý, năng lượng được coi là một đại lượng bảo toàn. Định luật bảo toàn năng lượng cho chúng ta biết năng lượng sẽ được chuyển đổi thành các dạng khác nhau, nhưng nó không tự nhiên sinh ra hay mất đi.

Các sinh vật trên Trái Đất đều cần năng lượng để sống, chẳng hạn như con người có năng lượng thông qua thức ăn. Nền văn minh hiện tại đòi hỏi năng lượng để hoạt động, nó lấy năng lượng từ các nguồn như nhiên liệu đá thạch, hạt nhân hay tái tạo,...

Cơ sở hình thành định luật bảo toàn năng lượng

Biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng 

Người ta đã nhìn thấy sự biến đổi từ thế năng thành động năng và ngược lại trước khi biết đến định luật bảo toàn. Trong các hiện tượng tự nhiên, chúng ta sẽ nhìn thấy sự biến đổi rõ ràng giữa thế năng và động năng. Cơ năng sẽ chuyển đổi thành thế năng nhờ những phần bị hao hụt trong cơ năng và có thể nói rằng cơ năng luôn giảm. 

Biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng

Còn trong trường hợp sự hao hụt cơ năng xảy ra khi cơ năng được biến đổi thành điện năng và ngược lại. Trong hầu hết các động cơ điện hiện nay, ta đều thấy điện năng sẽ được chuyển hóa thành cơ năng. Còn đối với các máy phát điện thì ngược lại, phần lớn các cơ năng sẽ chuyển hóa thành điện năng.

Nếu cơ năng được tăng thêm so với ban đầu thì ta có thể thấy đó chính là năng lượng khác đã được chuyển hóa mà thành.

Phát biểu định luật bảo toàn năng lượng

Trong Hóa học và Vật lý, định luật này được hiểu: “Tổng năng lượng của một hệ cô lập luôn không đổi và có nghĩa là nó sẽ được bảo toàn theo thời gian”.

Từ đó ta có phát biểu về định luật bảo toàn năng lượng cụ thể như sau: 

“Năng lượng sẽ không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chúng sẽ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật thể này sang đến vật thể khác”.

Các cách giải thích này có thể tương đồng với giải thích của cơ năng của vật tại sao tăng lên hoặc giảm. Ngoài ra, nó cũng giải thích được tại sao vật lại nguội đi hay bị nóng lên. Tất cả đều dựa vào chuyển hóa của năng lượng ở trong hiện tượng nhiệt, cơ hoặc điện trong tự nhiên. Ngoài ra, chúng cũng khẳng định sự chuyển đổi của vật dựa vào định luật bảo toàn. 

Ví dụ: 

Thả một hòn bi vào trong cái chén. Lúc này, năng lượng của hòn bi là thế năng hấp dẫn. Khi bị hòn bi rơi xuống chén, nó chuyển động quanh chiếc chén một khoảng thời gian và lúc này sẽ là động năng. Đồng thời khi rơi xuống nó còn tạo ra tiếng động là âm năng. Ngoài ra, khi viên bi rơi sẽ có chuyển động gây ma sát với bề mặt chén, sinh ra nhiệt năng.

Như vậy, khi thả hòn bi vào trong cái chén không chỉ có một dạng năng lượng ban đầu là thế năng mà hòn bi đã chuyển hóa thành ít nhất ba dạng năng lượng mới là động năng, âm năng, nhiệt năng. 

Ai là người phát hiện ra định luật bảo toàn năng lượng? 

Julius Robert Mayer - tác giả của định luật bảo toàn năng lượng. (Ảnh: Sưu tầm Internet))

Định luật bảo toàn năng lượng là một quá trình nghiên cứu được nhiều nhà khoa học thực hiện và Émilie Du Châtelet là người đã đề xuất và thử nghiệm đầu tiên. 

Sau khi cơ học ra đời vào năm 1826, James Prescott Joule đã chứng minh được sự chuyển hóa năng lượng từ công năng sang nhiệt năng vào năm 1854. 

Cho đến những năm 1981, Julius Robert Mayer - nhà Vật lý học người Đức đã có những phát biểu về bảo toàn năng lượng. 

Mặc dù có nhiều nhà nghiên cứu tìm ra và chứng minh đúng nhưng giới Vật lý chỉ công nhận Julius Robert Mayer là tác giả của định luật bảo toàn năng lượng. 

Sự bảo toàn năng lượng trong dao động cơ 

Động năng là gì? 

Động năng là dạng năng lượng được tạo ra từ chuyển động của nó. Khi một vật có động năng thì vật đó có thể tác dụng lực lên vật khác và sẽ sinh công.

Công thức tính động năng vật rơi tự do: 

 

Trong đó: 

  • Wđ: Là động năng của vật (J)

  • m: Là khối lượng của vật (kg)

  • v: Là vận tốc của vật thể (m/s)

Thế năng là gì?

Thế năng một đại lượng trong bộ môn Vật lý, thể hiện cho khả năng sinh công của vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng.

Công thức tính thế năng của một vật rơi tự do: 

Wt = mgh

 

Trong đó: 

  • Wt: Là thế năng của vật (J)

  • m: Là trọng lượng của vật (kg)

  • H: Là độ cao của vật khi rơi tự do (m)

Biểu thức bảo toàn cơ năng

Cơ năng của vật chính là một đại lượng bảo toàn khi chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực.

W = Wđ + Wt= const (hằng số)

Trong đó:

  • Wđ1: Là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v1

  • Wđ2: Là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v2

  • Wt1: Là thế năng của vật ở độ cao h1

  • Wt2: Là thế năng của vật ở độ cao h2

Dựa vào biểu thức trên ta thấy rằng:

Một vật khi rơi tự do, động năng sẽ bằng 0 nếu thời điểm thế năng đạt cực đại. Thế năng bằng 0 khi động năng đạt cực đại. Thế năng tăng thì động năng sẽ giảm, nhưng tổng của thế năng và động năng là một đại lượng không đổi.

Xem thêm: Công thức cộng vận tốc là gì? Áp dụng như thế nào (Giải đáp Vật Lý lớp 10)

Các công thức liên quan định luật bảo toàn năng lượng

Công thức tính Công

A = F.s.cosα


Trong đó:

  • A: Công của lực F (đơn vị là J)

  • F : Lực tác dụng vào vật (đơn vị là N)

  • S: Quãng đường vật dịch chuyển (đơn vị là m)

  • Đơn vị của công là Jun (kí hiệu là J).

1J = 1N.1m = 1Nm

1 kJ = 1000 J

Bội số của Jun là kilojun (kJ)

Công suất trung bình

P  = A/t

Trong đó:

  • P: Công suất ( đơn vị là J/s hoặc W)

  • A: Công thực hiện ( đơn vị là N.m hoặc J)

  • t: Thời gian thực hiện công (đơn vị là s)

1KW = 1000W; 1MW = 1.000.000W

Công suất tức thời

P  = F.v.cosα


Các biểu thức liên hệ

Động năng:

 

Liên hệ giữa động năng và công:

ΔWđ = Wđ2–Wđ1= Ap

(Công của ngoại lực là F)


Thế năng trọng trường:

Wt = mgz


Liên hệ giữa thế năng trọng trường và công:

ΔWt = Wt1– Wt2=Ap


Công của trọng lực (rơi):

Ap = mgh

(Khi vật đi lên thì thêm dấu “-“)


Thế năng đàn hồi

Wt=kx^2


Liên hệ giữa thế năng đàn hồi và công:

–ΔWt = Wt1– Wt2= AFdh


Cơ năng:

W = Wt+ Wđ


Định luật bảo toàn cơ năng:

Wđ1 + Wt1 = Wt2 + Wđ2

(Cơ năng chỉ bảo toàn khi không có ngoại lực khống chế)


Độ cao động năng bằng n lần thế năng:

h = ho/(n + 1)

(Nếu thế năng bằng m lần động năng thì thay n=1/m và chỉ dùng khi làm bài trắc nghiệm hoặc kiểm tra kết quả)


Hiệu suất:

H = Aci/Atp

Trong đó

  • Aci: Công có ích
  • Atp: Công toàn phần

Như vậy, thông qua bài viết này chúng ta đã hiểu rõ hơn về định luật bảo toàn năng lượng là gì, định luật bảo toàn năng lượng của ai và các công thức liên quan đến định luật bảo toàn năng lượng. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp các bạn nắm vững cũng như ôn lại kiến thức vừa học một cách đầy đủ và tốt nhất. Hãy theo dõi chuyên mục kiến thức cơ bản để có thể tìm  hiểu thêm nhiều thông tin thú vị về các môn học nhé!

Alice Nguyen
Alice Nguyen
Biên tập viên tại Monkey

Các chuyên gia trẻ em nói rằng thời điểm vàng uốn nắn con trẻ là khi bé còn nhỏ. Vì vậy tôi ở đây - cùng với tiếng Anh Monkey là cánh tay đắc lực cùng cha mẹ hiện thực hoá ước mơ của mình: “yêu thương và giáo dục trẻ đúng đắn”. Ước mơ của bạn cũng là ước mơ của chúng tôi cũng như toàn xã hội.

Bài viết liên quan

Bạn đang quan tâm đến các kiến thức nuôi dạy con đúng cách và hiệu quả?

Nhận tư vấn Monkey