Zawartość
- Zasady ruchu Newtona
- Zachowane ilości w fizyce
- Transformacje energetyczne i formy energii
- Przykłady transferu energii
- Śledzenie oszczędzania energii
- Przykład kinematyki: swobodny spadek
- Co z Einsteinem?
- Maszyna Perpetual Motion?
Ponieważ fizyka jest badaniem przepływu materii i energii, to prawo zachowania energii jest kluczowym pomysłem na wyjaśnienie wszystkiego, co studiuje fizyk, oraz sposób, w jaki on lub ona chodzi o studiowanie tego.
Fizyka nie polega na zapamiętywaniu jednostek lub równań, ale na strukturze, która rządzi zachowaniem wszystkich cząstek, nawet jeśli podobieństwa nie są widoczne na pierwszy rzut oka.
Pierwsza zasada termodynamiki jest powtórzeniem tego prawa zachowania energii w odniesieniu do energii cieplnej: energia wewnętrzna systemu musi być równy sumie wszystkich prac wykonanych w systemie, plus lub minus ciepło wpływające do lub z systemu.
Inną dobrze znaną zasadą zachowania w fizyce jest prawo zachowania masy; jak się przekonasz, te dwa prawa zachowania - a także zapoznasz się z dwoma innymi tutaj - są bliżej powiązane niż na pierwszy rzut oka (lub mózg).
Zasady ruchu Newtona
Każde badanie uniwersalnych zasad fizycznych powinno być poparte przeglądem trzech podstawowych praw ruchu, opracowanych przez Izaaka Newtona setki lat temu. To są:
Zachowane ilości w fizyce
Prawa zachowania w fizyce odnoszą się do matematycznej doskonałości tylko w naprawdę odizolowanych systemach. W życiu codziennym takie scenariusze są rzadkie. Są cztery zachowane ilości masa, energia, pęd i moment pędu. Ostatnie trzy z nich podlegają mechanice.
Masa to tylko ilość materii czegoś, a pomnożona przez lokalne przyspieszenie grawitacyjne, wynik jest ciężarem. Masy nie da się bardziej zniszczyć ani stworzyć od zera niż energia.
Pęd jest iloczynem masy obiektu i jego prędkości (m ·v). W układzie dwóch lub więcej zderzających się cząstek całkowity pęd układu (suma poszczególnych momentów obiektów) nigdy się nie zmienia, o ile nie występują straty na skutek tarcia ani interakcje z ciałami zewnętrznymi.
Moment pędu (L.) jest pędem wokół osi obracającego się obiektu i jest równy m ·v · r, gdzie r jest odległością od obiektu do osi obrotu.
Energia pojawia się w wielu formach, niektóre bardziej przydatne niż inne. Ciepło, w postaci, w której ostatecznie przeznaczona jest cała energia, jest najmniej przydatne pod względem wykorzystania jej do użytecznej pracy i zwykle jest produktem.
Prawo zachowania energii można zapisać:
KE + PE + IE = E
gdzie KE = energia kinetyczna = (1/2) mv2, PE = energia potencjalna (równe msolh gdy grawitacja jest jedyną działającą siłą, ale widzianą w innych formach), IE = energia wewnętrzna, a E = energia całkowita = stała.
Transformacje energetyczne i formy energii
Cała energia we wszechświecie powstała z Wielkiego Wybuchu i ta całkowita ilość energii nie może się zmienić. Zamiast tego obserwujemy stale zmieniające się formy energii, od energii kinetycznej (energii ruchu) do energii cieplnej, od energii chemicznej do energii elektrycznej, od energii potencjalnej grawitacji do energii mechanicznej i tak dalej.
Przykłady transferu energii
Ciepło to specjalny rodzaj energii (energia cieplna), ponieważ, jak zauważono, jest mniej przydatny dla ludzi niż inne formy.
Oznacza to, że gdy część energii systemu zostanie przekształcona w ciepło, nie można jej tak łatwo przywrócić do bardziej użytecznej formy bez wkładu dodatkowej pracy, która wymaga dodatkowej energii.
Okrutna ilość energii promieniowania, którą Słońce wydziela co sekundę i nigdy nie może w żaden sposób odzyskać ani ponownie wykorzystać, jest stałym świadectwem tej rzeczywistości, która nieustannie rozwija się w całej galaktyce i całym wszechświecie. Część tej energii jest „wychwytywana” w procesach biologicznych na Ziemi, w tym w fotosyntezie roślin, które wytwarzają własne pożywienie, a także dostarczają pożywienie (energię) zwierzętom i bakteriom i tak dalej.
Można go również uchwycić przez produkty inżynierii ludzkiej, takie jak ogniwa słoneczne.
Śledzenie oszczędzania energii
Uczniowie fizyki w szkole średniej zwykle używają wykresów kołowych lub wykresów słupkowych, aby pokazać całkowitą energię badanego systemu i śledzić jego zmiany.
Ponieważ całkowita ilość energii w cieście (lub suma wysokości słupków) nie może się zmienić, różnica w plasterkach lub kategoriach słupków pokazuje, ile całkowitej energii w danym punkcie stanowi jedna forma energii.
W scenariuszu różne wykresy mogą być wyświetlane w różnych punktach w celu śledzenia tych zmian. Na przykład należy pamiętać, że ilość energii cieplnej prawie zawsze wzrasta, co w większości przypadków stanowi marnotrawstwo.
Na przykład, jeśli rzucisz piłkę pod kątem 45 stopni, początkowo cała jej energia jest kinetyczna (ponieważ h = 0), a następnie w punkcie, w którym piłka osiąga najwyższy punkt, jej energia potencjalna jest udziałem całkowita energia jest najwyższa.
Zarówno w miarę wzrostu, jak i późniejszego opadania, część jego energii jest przekształcana w ciepło w wyniku sił tarcia z powietrza, więc KE + PE nie pozostaje stała w tym scenariuszu, ale zmniejsza się, podczas gdy całkowita energia E wciąż pozostaje stała .
(Wstaw przykładowe diagramy z wykresami kołowymi / słupkowymi śledzącymi zmiany energii
Przykład kinematyki: swobodny spadek
Jeśli trzymasz 1,5 kg kulę do kręgli z dachu 100 m (około 30 pięter) nad ziemią, możesz obliczyć jej energię potencjalną, biorąc pod uwagę, że wartość g = 9,8 m / s2 i PE = msolh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1470 dżuli (JOT)
Jeśli puścisz piłkę, jej zerowa energia kinetyczna rośnie coraz szybciej, gdy piłka spada i przyspiesza. W momencie, gdy osiągnie poziom gruntu, KE musi być równy wartości PE na początku problemu lub 1,470 J. W tym momencie
KE = 1470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Zakładając brak strat energii z powodu tarcia, zachowanie energii mechanicznej pozwala na obliczenie v, który okazuje się być 44,3 m / s.
Co z Einsteinem?
Sławni mogą pomylić studentów fizyki energia masowa równanie (E = mc2), zastanawiając się, czy jest to sprzeczne z prawem zachowanie energii (lub ochrona masy), ponieważ implikuje to, że masę można przeliczyć na energię i odwrotnie.
W rzeczywistości nie narusza żadnego prawa, ponieważ pokazuje, że masa i energia są w rzeczywistości różnymi formami tej samej rzeczy. To trochę jak mierzenie ich w różnych jednostkach, biorąc pod uwagę różne wymagania w sytuacjach mechaniki klasycznej i kwantowej.
W śmierci termicznej wszechświata, zgodnie z trzecim prawem termodynamiki, cała materia zostanie przekształcona w energię cieplną. Po zakończeniu tej konwersji energii nie mogą już wystąpić żadne transformacje, przynajmniej nie bez kolejnego hipotetycznego pojedynczego zdarzenia, takiego jak Wielki Wybuch.
Maszyna Perpetual Motion?
„Maszyna perpetuum mobile” (np. Wahadło, które kołysze się w tym samym czasie i zamiataniu, nigdy nie zwalniając) na Ziemi jest niemożliwe z powodu oporu powietrza i związanych z tym strat energii. Utrzymanie działania Gizmo wymagałoby w pewnym momencie wkładu pracy zewnętrznej, co zniweczyłoby cel.