Tartalom
- Newton mozgás törvényei
- Fenntartott mennyiség a fizikában
- Energiatranszformációk és az energiaformák
- Példák az energiaátadásra
- Az energiamegőrzés nyomon követése
- Kinematika Példa: Szabad esés
- Mi van Einsteinnel?
- Az örökmozgás gépe?
Mivel a fizika az anyag és az energia áramlásának vizsgálata, a energiamegtakarítási törvény kulcsfontosságú ötlet, hogy megmagyarázza mindazt, amit a fizikus tanul, és azt, ahogyan ezt tanulmányozza.
A fizika nem az egységek vagy egyenletek memorizálásáról szól, hanem egy olyan keretrendszerről, amely az összes részecske viselkedését szabályozza, még akkor is, ha a hasonlóságok egy pillanat alatt nem mutatkoznak.
A termodinamika első törvénye a hőenergia szempontjából megismétli ezt az energiamegtakarítási törvényt: belső energia Egy rendszer értékének meg kell egyeznie a rendszeren végzett összes munka összegével, plusz vagy mínusz a rendszerbe áramló vagy onnan kilépő hő.
A fizikában egy másik ismert védelmi elv a tömeg megőrzésének törvénye; amint rájössz, ez a két természetvédelmi törvény - és itt kettőnek is bemutatjuk - szorosabban kapcsolódnak egymáshoz, mint szemmel (vagy az agyval).
Newton mozgás törvényei
Az univerzális fizikai alapelvek bármilyen tanulmányozását a mozgás három alapvető törvényének áttekintésével kell támogatni, amelyet Isaac Newton több száz évvel ezelőtt formázott be. Ezek:
Fenntartott mennyiség a fizikában
A fizikai megőrzési törvények a matematikai tökéletességre csak igazán izolált rendszerekben vonatkoznak. A mindennapi életben ilyen forgatókönyvek ritkák. Négy konzervált mennyiség tömeg, energia, lendület és perdület. Ezek utolsó három a mechanika hatáskörébe tartoznak.
Tömeg csak valami anyagának mennyisége, és ha megszorozzuk a gravitáció helyi gyorsulásával, az eredmény súly. A tömeget nem lehet semmisíteni, sem a semmiből létrehozni, mint az energia.
Lendület egy tárgy tömegének és sebességének szorzata (m ·v). Két vagy több ütköző részecskerendszerben a rendszer teljes lendülete (a tárgyak egyes momentumainak összege) soha nem változik, mindaddig, amíg nincs súrlódási veszteség vagy kölcsönhatás a külső testekkel.
Perdület (L) csak egy forgó tárgy tengelye körüli lendület, és m-rel egyenlőv · r, ahol r az objektum és a forgástengely közötti távolság.
Energia sokféle formában jelenik meg, néhányuk hasznosabb, mint mások. A hő, amelynek formájában az összes energiát végül létezik, a legkevésbé hasznos, ha hasznos munkára állítja, és általában termék.
Az energiamegtakarításról szóló törvény írható:
KE + PE + IE = E
ahol KE = kinetikus energia = (1/2) mv2, PE = helyzeti energia (egyenlő mgh amikor a gravitáció az egyetlen működő erő, de más formákban is látható), IE = belső energia és E = teljes energia = állandó.
Energiatranszformációk és az energiaformák
Az univerzumban az összes energia a Nagyrobbanásból származik, és ez az összes energiamennyiség nem változhat. Ehelyett folyamatosan megfigyeljük az energia változó formáit, a kinetikus energiától (a mozgás energiájától) a hőenergiáig, a kémiai energiától az elektromos energiáig, a gravitációs potenciál energiától a mechanikus energiáig és így tovább.
Példák az energiaátadásra
A hő egy speciális típusú energia (hőenergia) abban a tekintetben, hogy amint megjegyeztük, kevésbé hasznos az emberek számára, mint más formákban.
Ez azt jelenti, hogy ha egy rendszer energia részét hőre átalakítják, akkor nem lehet olyan könnyen visszatérni egy hasznosabb formába anélkül, hogy további munkát kellene elvégezni, amely további energiát igényel.
Az a heves sugárzó energiamennyiség, amelyet a nap másodpercenként ad ki, és amelyet soha semmilyen módon nem lehet visszanyerni vagy újra felhasználni, állandó bizonyítéka ennek a valóságnak, amely folyamatosan kibontakozik az egész galaxisban és az egész világegyetemben. Ennek az energianek egy részét "elfogják" a Föld biológiai folyamataiban, ideértve a növények fotoszintézisét is, amely saját élelmet készít, valamint táplálékot (energiát) biztosít az állatoknak és baktériumoknak, és így tovább.
Az emberi mérnöki termékek, például a napelemek is elfoghatják.
Az energiamegőrzés nyomon követése
A középiskolai fizika hallgatói általában kördiagramokat vagy oszlopdiagramokat használnak a vizsgált rendszer teljes energiájának megmutatására és annak változásainak nyomon követésére.
Mivel a pite teljes energiamennyisége (vagy a rudak magasságának összege) nem változhat, a szeletekben vagy bár kategóriákban mutatkozó különbség megmutatja, hogy az adott pontban a teljes energia mennyi az energia egyik vagy másik formája.
A forgatókönyv szerint különböző diagramok jelenhetnek meg különböző pontokban a változások nyomon követése érdekében. Például, vegye figyelembe, hogy a hőenergia mennyisége szinte mindig növekszik, és a legtöbb esetben hulladékot jelent.
Például, ha egy gömböt dob be egy 45 fokos szögben, akkor először az összes energiája kinetikus (mert h = 0), majd az a pont, ahol a golyó eléri a legmagasabb pontot, a potenciális energiáját a a teljes energia a legnagyobb.
Mind felfelé emelkedve, mind később csökkenve energiájának egy része hővessé alakul át a levegőből származó súrlódási erő hatására, így a KE + PE nem marad állandó ebben a forgatókönyvben, hanem csökken, miközben az összes E energia továbbra is állandó .
(Helyezzen be néhány példadiagramot kördiagramokkal és oszlopdiagramokkal, amelyek követik az energiaváltozásokat
Kinematika Példa: Szabad esés
Ha 1,5 kg-os bowlinggömböt tart a tetejétől 100 m-re (kb. 30 emelet) a talaj felett, akkor kiszámíthatja annak potenciális energiáját, mivel a g = 9,8 m / s2 és PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1470 Joule (J)
Ha elengedi a labdát, annak nulla kinetikus energiája egyre gyorsabban növekszik, amikor a labda leesik és felgyorsul. A talaj elérésekor a KE-nek meg kell egyeznie a PE értékével a probléma kezdetén, vagy pedig 1470 J-vel.
KE = 1 470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Feltételezve, hogy a súrlódás miatt nem vesznek igénybe energiát, a mechanikai energia megőrzése lehetővé teszi a számítást v, ami kiderül 44,3 m / s.
Mi van Einsteinnel?
A fizika hallgatóit összezavarhatja a híres tömeg-energia egyenlet (E = mc2), azon tűnődve, vajon megsérti-e a energiamegmaradás (vagy a tömeg megőrzése), mivel azt feltételezi, hogy a tömeg energiává alakítható és fordítva.
Valójában nem sérti mindkét törvényt, mert bizonyítja, hogy a tömeg és az energia valójában ugyanazon dolog különféle formái. Ez olyan, mint a különböző egységekben történő mérés, tekintettel a klasszikus és kvantummechanikai helyzetek eltérő igényeire.
Az univerzum hőhalálában a termodinamika harmadik törvényének megfelelően minden anyag hőenergiává válik. Amint ez az energia-átalakítás befejeződik, több átalakulás nem léphet fel, legalábbis nem egy másik hipotetikus szinguláris esemény, például a Nagyrobbanás nélkül.
Az örökmozgás gépe?
A Földön az "állandó mozgásgépek" (például egy inga, amely azonos időzítéssel és söpöréssel anélkül lassul le, hogy lelassuljon) a Földön lehetetlen a légállóság és a kapcsolódó energiaveszteségek miatt. A gizmo folytatásához külső munkát kell elvégezni egy bizonyos ponton, ezáltal meghiúsítva a célt.