Sisältö
- Newtonin liikettä koskevat lait
- Säilyneet määrät fysiikassa
- Energian muutokset ja energian muodot
- Esimerkkejä energian siirrosta
- Energiansäästön seuranta
- Kinematiikkaesimerkki: Vapaa pudotus
- Entä Einstein?
- Pysyvä liikkuva kone?
Koska fysiikka on tutkimus siitä, kuinka aine ja energia virtaavat, laki energiansäästöstä on keskeinen idea selittää kaikkea fysiikan opiskelua ja tapaa, jolla hän opiskelee sitä.
Fysiikka ei tarkoita yksiköiden tai yhtälöiden muistamista, vaan kehystä, joka hallitsee kaikkien hiukkasten käyttäytymistä, vaikka samankaltaisuudet eivät olisikaan yhdellä silmäyksellä.
Ensimmäinen termodynamiikan laki on toistettu tämä energiansäästölaki lämpöenergian suhteen: sisäinen energia Järjestelmän arvon on oltava yhtä suuri kuin kaikkien järjestelmään tehtyjen töiden summa, plus tai miinus lämpö, joka virtaa järjestelmään tai siitä ulos.
Toinen fysiikassa hyvin tunnettu säilyttämisperiaate on massan säilyttämislaki; Kuten huomaat, nämä kaksi säilyttämislakia - ja sinun tulee esitellä myös kahdelle muulle täällä - liittyvät läheisemmin kuin silmän (tai aivojen) tapaamiset.
Newtonin liikettä koskevat lait
Kaikkien universaalisten fyysisten periaatteiden tutkimisen olisi tuettava katsausta kolmeen liiketalouden peruslakiin, jotka Isaac Newton on saanut muotoonsa satoja vuosia sitten. Nämä ovat:
Säilyneet määrät fysiikassa
Fysiikan suojelulakeja sovelletaan matemaattisiin täydellisyyksiin vain todella eristetyissä järjestelmissä. Arkielämässä tällaiset skenaariot ovat harvinaisia. Neljä säilöttyä määrää on massa, energia, vauhti ja kulmainen vauhti. Näistä kolme viimeistä kuuluvat mekaniikan alaan.
Massa on vain jonkin aineen määrä, ja kun kerrotaan painovoimasta johtuvalla paikallisella kiihtyvyydellä, tulos on paino. Massaa ei voi enää tuhota tai luoda tyhjästä kuin energia voi.
vauhti on esineiden massan ja nopeuden (m ·v). Kahden tai useamman törmäävän hiukkasen järjestelmässä järjestelmän kokonaisnopeus (esineiden yksittäisten hetkien summa) ei muutu koskaan, kunhan ei ole kitkahäviöitä tai vuorovaikutusta ulkoisten kappaleiden kanssa.
Kulmainen vauhti (L) on vain vauhti pyörivän esineen akselin ympäri ja on yhtä suuri kuin m ·v · r, missä r on etäisyys esineestä pyörimisakseliin.
energia esiintyy monissa muodoissa, joista toiset ovat hyödyllisempiä kuin toiset. Lämpö, jossa kaikki energia lopulta on tarkoitettu olemassa olevaan muotoon, on vähiten hyödyllistä sen hyödyntämisessä, ja se on yleensä tuote.
Laki energiansäästöstä voidaan kirjoittaa:
KE + PE + IE = E
missä KE = kineettinen energia = (1/2) mv2, PE = Mahdollinen energia (yhtä suuri kuin mgh kun painovoima on ainoa vaikuttava voima, mutta nähty muissa muodoissa), IE = sisäinen energia ja E = kokonaisenergia = vakio.
Energian muutokset ja energian muodot
Kaikki maailmankaikkeuden energia syntyi isosta räjähdyksestä, eikä energian kokonaismäärä voi muuttua. Sen sijaan tarkkailemme jatkuvasti muuttuvia energiamuotoja kineettisestä energiasta (liikeenergiasta) lämpöenergiaan, kemiallisesta energiasta sähköenergiaan, painovoimapotentiaalienergiasta mekaaniseen energiaan ja niin edelleen.
Esimerkkejä energian siirrosta
Lämpö on erityinen energiamuoto (lämpöenergia) siinä mielessä, että, kuten todettiin, se on vähemmän hyödyllinen ihmisille kuin muut muodot.
Tämä tarkoittaa, että kun osa järjestelmän energiasta muuttuu lämmöksi, sitä ei voida palauttaa yhtä helposti käyttökelpoisempaan muotoon ilman lisätyötä, joka vie lisäenergiaa.
Valtava määrä säteilevää energiaa, jonka aurinko antaa joka sekunti ja jota ei voida milloinkaan ottaa takaisin tai käyttää uudelleen, on pysyvä todistus tästä todellisuudesta, joka kehittyy jatkuvasti ympäri galaksia ja maailmankaikkeutta kokonaisuutena. Osa tästä energiasta "kaappaa" biologisissa prosesseissa maapallolla, mukaan lukien fotosynteesissä kasveissa, jotka tekevät omia ruokiaan, samoin kuin tarjoamalla ruokaa (energiaa) eläimille ja bakteereille, ja niin edelleen.
Sitä voidaan vangita myös ihmisen tekniikan tuotteilla, kuten aurinkokennoilla.
Energiansäästön seuranta
Lukiofysiikan opiskelijat käyttävät tyypillisesti ympyräkaavioita tai pylväskaavioita tutkittavan järjestelmän kokonaisenergian näyttämiseen ja sen muutosten seuraamiseen.
Koska piirakan kokonaisenergiamäärä (tai tankojen korkeuksien summa) ei voi muuttua, viipaleiden tai palkkien luokkien ero osoittaa, kuinka suuri osa kokonaisenergiasta missä tahansa pisteessä on yksi tai toinen energian muoto.
Skenaariossa voidaan näyttää erilaisia kaavioita eri kohdissa näiden muutosten seuraamiseksi. Huomaa esimerkiksi, että lämpöenergian määrä kasvaa melkein aina, edustaen jätteitä useimmissa tapauksissa.
Esimerkiksi, jos heität palloa 45 asteen kulmassa, aluksi koko sen energia on kineettistä (koska h = 0), ja sitten siinä pisteessä, jossa pallo saavuttaa korkeimman pisteen, sen potentiaalienergia osuutenaan kokonaisenergia on korkein.
Sekä noustessaan että myöhemmin pudotessaan osa energiasta muuttuu lämmöksi ilmasta tulevien kitkavoimien seurauksena, joten KE + PE ei pysy vakiona koko tämän skenaarion, vaan vähenee sen sijaan, kun kokonaisenergia E on edelleen vakio .
(Lisää joitain esimerkkejä kaavioista, joissa on energianmuutoksia seuraavia ympyrä- / palkkikaavioita
Kinematiikkaesimerkki: Vapaa pudotus
Jos pidät 1,5 kg: n keilapalloa katolla 100 m (noin 30 kerrosta) maanpinnan yläpuolella, voit laskea sen potentiaalienergian ottaen huomioon, että g = 9,8 m / s2 ja PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1 470 joulea (J)
Jos vapautat pallon, sen nolla-kineettinen energia kasvaa yhä nopeammin, kun pallo putoaa ja kiihtyy. Heti kun se saavuttaa maan, KE: n on oltava yhtä suuri kuin PE: n arvo ongelman alussa tai 1 470 J. Tällä hetkellä
KE = 1 470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Jos oletetaan, ettei kitkaa aiheuttamaa energian menetystä ole mahdollista, mekaanisen energian säilyminen antaa sinun laskea v, joka osoittautuu olevan 44,3 m / s.
Entä Einstein?
Fysiikan opiskelijat saattavat sekoittaa kuuluisa massa-energia yhtälö (E = mc2), mietinkö se ristiriidassa lain kanssa energiansäästö (tai massan säilyminen), koska se tarkoittaa, että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin.
Se ei todellakaan riko kumpaakaan lakia, koska se osoittaa, että massa ja energia ovat tosiasiassa saman asian eri muotoja. Se on tavallaan kuin mittaa niitä eri yksiköissä, kun otetaan huomioon klassisen ja kvanttimekaniikan tilanteet.
Universumin lämpökuolemassa, termodynamiikan kolmannen lain mukaan, kaikki aine on muuttunut lämpöenergiaksi. Kun tämä energianmuutos on valmis, ei enää voi tapahtua muunnoksia, ainakaan ei ilman toista hypoteettista yksittäistä tapahtumaa, kuten Big Bang.
Pysyvä liikkuva kone?
"Jatkuva liikkeessä käytettävä kone" (esim. Heiluri, joka pyörii samalla ajoituksella ja pyyhkäisyllä ilman, että koskaan hidastuisi) maapallolla on mahdotonta ilmavastuksen ja siihen liittyvien energiahäviöiden vuoksi. Gizmojen jatkaminen vaatisi jossain vaiheessa ulkopuolista työtä, mikä merkitsisi tavoitteen laiminlyömistä.