Περιεχόμενο
- Νιούτονι Νόμοι της κίνησης
- Συντηρημένες Ποσότητες στη Φυσική
- Μετασχηματισμοί ενέργειας και μορφές ενέργειας
- Παραδείγματα μεταφοράς ενέργειας
- Παρακολούθηση της εξοικονόμησης ενέργειας
- Παράδειγμα κινηματογραφίας: Ελεύθερη πτώση
- Τι γίνεται με τον Αϊνστάιν;
- Η αιώνια μηχανή κίνησης;
Επειδή η φυσική είναι η μελέτη του πώς η ύλη και η ροή ενέργειας, το δίκαιο της διατήρησης της ενέργειας είναι μια βασική ιδέα να εξηγήσουμε όλα όσα μελετά ένας φυσικός και ο τρόπος με τον οποίο αυτός ή αυτή πηγαίνει για να το μελετήσει.
Η φυσική δεν είναι για την απομνημόνευση μονάδων ή εξισώσεων, αλλά για ένα πλαίσιο που διέπει τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται όλα τα σωματίδια, ακόμα κι αν οι ομοιότητες δεν είναι προφανείς με μια ματιά.
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μια επαναδιατύπωση αυτού του νόμου για τη διατήρηση της ενέργειας από την άποψη της θερμότητας: εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος πρέπει να ισούται με το σύνολο όλων των εργασιών που πραγματοποιούνται στο σύστημα, συν ή μείον τη θερμότητα που ρέει μέσα ή έξω από το σύστημα.
Μια άλλη γνωστή αρχή διατήρησης στη φυσική είναι ο νόμος της διατήρησης της μάζας. όπως θα ανακαλύψετε, αυτοί οι δύο νόμοι διατήρησης - και θα εισαχθείτε και σε δύο άλλους εδώ - είναι πιο στενά συνδεδεμένοι παρά με το μάτι (ή τον εγκέφαλο).
Νιούτονι Νόμοι της κίνησης
Οποιαδήποτε μελέτη των παγκόσμιων φυσικών αρχών πρέπει να υποστηριχθεί από μια ανασκόπηση των τριών βασικών νόμων της κίνησης, σφυρηλατημένων σε μορφή από τον Isaac Newton εκατοντάδες χρόνια πριν. Αυτά είναι:
Συντηρημένες Ποσότητες στη Φυσική
Οι νόμοι της συντήρησης στη φυσική ισχύουν για τη μαθηματική τελειότητα μόνο σε πραγματικά απομονωμένα συστήματα. Στην καθημερινή ζωή, τέτοια σενάρια είναι σπάνια. Τέσσερις διατηρημένες ποσότητες είναι μάζα, ενέργεια, ορμή και στροφορμή. Τα τελευταία τρία από αυτά εμπίπτουν στην αρμοδιότητα των μηχανικών.
Μάζα είναι ακριβώς το ποσό της ύλης κάτι, και όταν πολλαπλασιάζεται με την τοπική επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας, το αποτέλεσμα είναι το βάρος. Η μάζα δεν μπορεί πλέον να καταστραφεί ή να δημιουργηθεί από την αρχή από την ενέργεια.
Ορμή είναι το προϊόν μάζας αντικειμένων και η ταχύτητά του (m ·v). Σε ένα σύστημα δύο ή περισσότερων σωματιδίων που συγκρούονται, το σύνολο της ορμής του συστήματος (το άθροισμα της ατομικής ροπής των αντικειμένων) δεν αλλάζει ποτέ όσο δεν υπάρχουν απώλειες τριβής ή αλληλεπιδράσεις με εξωτερικά σώματα.
Στροφορμή (μεγάλο) είναι ακριβώς η ορμή γύρω από έναν άξονα ενός περιστρεφόμενου αντικειμένου και είναι ίση με m ·v · r, όπου r είναι η απόσταση από το αντικείμενο προς τον άξονα περιστροφής.
Ενέργεια εμφανίζεται σε πολλές μορφές, μερικές πιο χρήσιμες από άλλες. Η θερμότητα, η μορφή στην οποία είναι εκεί όπου όλη η ενέργεια είναι τελικά προορισμένη να υπάρχει, είναι η λιγότερο χρήσιμη από την άποψη της τοποθέτησής της σε χρήσιμη δουλειά και είναι συνήθως ένα προϊόν.
Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας μπορεί να γραφτεί:
ΚΕ + ΡΕ + ΙΕ = Ε
όπου ΚΕ = κινητική ενέργεια = (1/2) mv2, ΡΕ = δυνητική ενέργεια (ίσο με mσολh όταν η βαρύτητα είναι η μόνη δύναμη που ενεργεί, αλλά παρατηρείται σε άλλες μορφές), IE = εσωτερική ενέργεια, και E = συνολική ενέργεια = σταθερά.
Μετασχηματισμοί ενέργειας και μορφές ενέργειας
Όλη η ενέργεια του σύμπαντος προέκυψε από το Big Bang, και ότι η συνολική ποσότητα ενέργειας δεν μπορεί να αλλάξει. Αντ 'αυτού παρατηρούμε συνεχώς μεταβαλλόμενες μορφές ενέργειας, από την κινητική ενέργεια (ενέργεια της κίνησης) έως τη θερμική ενέργεια, από τη χημική ενέργεια έως την ηλεκτρική ενέργεια, από τη βαρυτική δυναμική ενέργεια μέχρι τη μηχανική ενέργεια και ούτω καθεξής.
Παραδείγματα μεταφοράς ενέργειας
Η θερμότητα είναι ένας ειδικός τύπος ενέργειας (θερμική ενέργεια) στο ότι, όπως σημειώνεται, είναι λιγότερο χρήσιμο για τον άνθρωπο από άλλες μορφές.
Αυτό σημαίνει ότι, όταν ένα μέρος της ενέργειας ενός συστήματος μετασχηματιστεί σε θερμότητα, δεν μπορεί να επιστρέψει τόσο εύκολα σε μια πιο χρήσιμη μορφή χωρίς την είσοδο πρόσθετης εργασίας, η οποία απαιτεί επιπλέον ενέργεια.
Η άγρια ποσότητα της ακτινοβόλης ενέργειας που ο ήλιος βγάζει κάθε δευτερόλεπτο και ποτέ δεν μπορεί ποτέ να ανακτήσει ή να επαναχρησιμοποιήσει είναι μια μόνιμη απόδειξη αυτής της πραγματικότητας, η οποία συνεχώς εκτυλίσσεται σε όλο τον γαλαξία και στο σύμπαν στο σύνολό της. Ορισμένες από αυτές τις ενέργειες είναι "αιχμαλωτισμένες" σε βιολογικές διεργασίες στη Γη, συμπεριλαμβανομένης της φωτοσύνθεσης στα φυτά, που παράγουν τα δικά τους τρόφιμα καθώς και την παροχή τροφίμων (ενέργειας) για τα ζώα και τα βακτηρίδια κ.ο.κ.
Μπορεί επίσης να συλληφθεί με προϊόντα της ανθρώπινης μηχανικής, όπως τα ηλιακά κύτταρα.
Παρακολούθηση της εξοικονόμησης ενέργειας
Οι φοιτητές φυσικής γυμνασίου χρησιμοποιούν συνήθως διαγράμματα πίτας ή γραμμογράμματα για να δείξουν τη συνολική ενέργεια του υπό μελέτη συστήματος και να παρακολουθήσουν τις αλλαγές του.
Επειδή η συνολική ποσότητα ενέργειας στην πίτα (ή το άθροισμα των υψών των ράβδων) δεν μπορεί να αλλάξει, η διαφορά στις κατηγορίες φέτας ή ράβδων καταδεικνύει πόσο από τη συνολική ενέργεια σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο είναι μία μορφή ενέργειας ή άλλη.
Σε ένα σενάριο, διαφορετικά διαγράμματα μπορεί να εμφανίζονται σε διαφορετικά σημεία για την παρακολούθηση αυτών των αλλαγών. Παραδείγματος χάριν, σημειώστε ότι η ποσότητα της θερμικής ενέργειας σχεδόν πάντα αυξάνεται, αντιπροσωπεύοντας τα απόβλητα στις περισσότερες περιπτώσεις.
Για παράδειγμα, εάν ρίξετε μια μπάλα σε γωνία 45 μοιρών, αρχικά όλη η ενέργεια της είναι κινητική (επειδή h = 0), και στη συνέχεια στο σημείο στο οποίο η σφαίρα φτάνει στο υψηλότερο σημείο της, η δυνητική της ενέργεια ως μερίδιο η συνολική ενέργεια είναι υψηλότερη.
Τόσο καθώς αυξάνεται όσο και στη συνέχεια πέφτει, μέρος της ενέργειας μετασχηματίζεται σε θερμότητα ως αποτέλεσμα των δυνάμεων τριβής από τον αέρα, οπότε το ΚΕ + ΡΕ δεν παραμένει σταθερό σε όλο αυτό το σενάριο, αλλά μειώνεται, ενώ η συνολική ενέργεια Ε παραμένει σταθερή .
(Εισάγετε μερικά παραδείγματα διαγραμμάτων με πίνακες πίτας / ράβδου που παρακολουθούν τις αλλαγές ενέργειας
Παράδειγμα κινηματογραφίας: Ελεύθερη πτώση
Εάν κρατάτε μπόουλινγκ μπιλιάρδου 1,5 κιλών από μια ταράτσα 100 μέτρων (περίπου 30 ιστορίες) πάνω από το έδαφος, μπορείτε να υπολογίσετε τη δυνητική του ενέργεια δεδομένου ότι η αξία του g = 9,8 m / s2 και ΡΕ = mσολh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 Joules (J)
Εάν αφήσετε την μπάλα, η μηδενική κινητική της ενέργεια αυξάνεται όλο και πιο γρήγορα καθώς η μπάλα πέφτει και επιταχύνει. Τη στιγμή που φτάνει στο έδαφος, το KE πρέπει να είναι ίσο με την τιμή του PE στην αρχή του προβλήματος ή 1.470 J. Αυτή τη στιγμή,
ΚΕ = 1,470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5kg)v2
Υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει απώλεια ενέργειας λόγω τριβής, η διατήρηση της μηχανικής ενέργειας σας επιτρέπει να υπολογίσετε v, το οποίο αποδεικνύεται 44,3 m / s.
Τι γίνεται με τον Αϊνστάιν;
Οι σπουδαστές φυσικής μπορεί να μπερδευτούν από το διάσημο μαζική ενέργεια εξίσωση (E = mc2), αναρωτιούνται αν αναιρεί το νόμο διατήρηση της ενέργειας (ή συντήρηση της μάζας), δεδομένου ότι σημαίνει ότι η μάζα μπορεί να μετατραπεί σε ενέργεια και αντίστροφα.
Δεν παραβιάζει ούτε το νόμο, διότι αποδεικνύει ότι η μάζα και η ενέργεια είναι στην πραγματικότητα διαφορετικές μορφές του ίδιου πράγματος. Είναι κάτι σαν να τα μετράτε σε διαφορετικές μονάδες δεδομένων των διαφορετικών απαιτήσεων της κλασσικής και της κβαντομηχανικής.
Στον Θερμικό θάνατο του σύμπαντος, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο της θερμοδυναμικής, όλη η ύλη θα έχει μετατραπεί σε θερμική ενέργεια. Μόλις ολοκληρωθεί αυτή η μετατροπή ενέργειας, δεν μπορούν να συμβούν πλέον μετασχηματισμοί, τουλάχιστον όχι χωρίς ένα άλλο υποθετικό μοναδικό γεγονός όπως το Big Bang.
Η αιώνια μηχανή κίνησης;
Μια "μηχανή αέναης κίνησης" (π.χ. ένα εκκρεμές που κινείται με τον ίδιο χρονισμό και σάρωση χωρίς να επιβραδύνεται ποτέ) στη Γη είναι αδύνατο λόγω της αντίστασης του αέρα και των σχετικών ενεργειακών απωλειών. Για να κρατήσει το gizmo πηγαίνει θα απαιτήσει μια εισροή της εξωτερικής εργασίας σε κάποιο σημείο, καταστρέφοντας έτσι το σκοπό.