Съдържание
- Нютонови закони за движение
- Запазени количества във физиката
- Енергийни трансформации и форми на енергия
- Примери за пренос на енергия
- Проследяване на енергоспестяването
- Пример за кинематика: Свободно падане
- Ами Айнщайн?
- Вечната машина за движение?
Тъй като физиката е изследването на това как материята и енергията протичат, то закон за запазване на енергията е ключова идея за обяснение на всичко, което изучава физикът, и начина, по който той или тя се занимава с изучаването му.
Физиката не се състои в запаметяване на единици или уравнения, а в рамка, която управлява как се държат всички частици, дори ако приликите не са очевидни с един поглед.
Първият закон на термодинамиката е изменение на този закон за запазване на енергията по отношение на топлинната енергия: вътрешна енергия на системата трябва да е равна на общата за цялата работа, извършена в системата, плюс или минус топлината, постъпваща в или извън системата.
Друг добре известен принцип на запазване във физиката е законът за запазване на масата; както ще откриете, тези два закона за опазване - и тук ще бъдете запознати с други два - са по-тясно свързани, отколкото се срещат с окото (или мозъка).
Нютонови закони за движение
Всяко изследване на универсалните физически принципи трябва да бъде подкрепено с преглед на трите основни закона на движение, закован във форма от Исак Нютон преди стотици години. Това са:
Запазени количества във физиката
Законите за съхранение във физиката важат за математическото съвършенство само в наистина изолирани системи. В ежедневието подобни сценарии са редки. Четири запазени количества са маса, енергия, импулс и ъглова инерция, Последните три от тях попадат в сферата на механиката.
маса е просто количеството материя на нещо и когато се умножи по локалното ускорение поради гравитацията, резултатът е теглото. Масата не може повече да бъде унищожена или създадена от нулата, отколкото енергията може.
Импулс е произведение на масата на предмета и неговата скорост (m ·V). В система от две или повече сблъскващи се частици общият импулс на системата (сборът от отделните импулси на обектите) никога не се променя, стига да няма триещи загуби или взаимодействия с външни тела.
Ъглова инерция (L) е само импулсът около ос на въртящ се обект и е равен на m ·о · г, където r е разстоянието от обекта до оста на въртене.
Енергия се появява под много форми, някои по-полезни от други. Топлината, формата, в която в крайна сметка е предопределена да съществува цялата енергия, е най-малко полезна от гледна точка на нейната полезна работа и обикновено е продукт.
Законът за запазване на енергията може да бъде написан:
KE + PE + IE = E
където KE = кинетична енергия = (1/2) mV2, PE = потенциална енергия (равно на mгh, когато гравитацията е единствената сила, която действа, но се наблюдава в други форми), IE = вътрешна енергия и E = обща енергия = константа.
Енергийни трансформации и форми на енергия
Цялата енергия във Вселената е възникнала от Големия взрив и това общо количество енергия не може да се промени. Вместо това наблюдаваме непрекъснато променящи се енергийни форми, от кинетична енергия (енергия на движение) до топлинна енергия, от химическа енергия до електрическа, от гравитационна потенциална енергия до механична енергия и така нататък.
Примери за пренос на енергия
Топлината е специален вид енергия (Термална енергия), тъй като, както беше отбелязано, е по-малко полезно за хората, отколкото другите форми.
Това означава, че след като част от енергията на дадена система се преобразува в топлина, тя не може да бъде върната толкова лесно в по-полезна форма без принос на допълнителна работа, която отнема допълнителна енергия.
Ожесточеното количество сияйна енергия, което слънцето отделя всяка секунда и никога не може по никакъв начин да се възстанови или използва повторно, е постоянен завещание на тази реалност, която непрекъснато се разгръща в цялата галактика и във вселената като цяло. Част от тази енергия се „улавя“ в биологичните процеси на Земята, включително фотосинтезата в растенията, които правят собствена храна, както и осигуряването на храна (енергия) за животни и бактерии и т.н.
Той може да бъде уловен и от продукти на човешкото инженерство, като слънчеви клетки.
Проследяване на енергоспестяването
Студентите по физика в гимназията обикновено използват пай диаграми или графики, за да покажат общата енергия на изследваната система и да проследят нейните промени.
Тъй като общото количество енергия в пая (или сумата от височините на баровете) не може да се промени, разликата в категориите от резени или ленти показва каква част от общата енергия във всяка точка е една или друга форма на енергия.
В сценарий могат да бъдат показани различни диаграми в различни точки за проследяване на тези промени. Например, имайте предвид, че количеството топлинна енергия почти винаги се увеличава, което представлява отпадъци в повечето случаи.
Например, ако хвърлите топка под 45-градусов ъгъл, първоначално цялата му енергия е кинетична (защото h = 0), а след това в точката, в която топката достига най-високата си точка, потенциалната й енергия като дял от общата енергия е най-висока.
Както се повишава, така и впоследствие пада, част от енергията му се трансформира в топлина в резултат на силите на триене от въздуха, така че KE + PE не остава постоянен през целия този сценарий, а вместо това намалява, докато общата енергия E все още остава постоянна ,
(Поставете някои примерни диаграми с пай / бар диаграми, проследяващи промените в енергията
Пример за кинематика: Свободно падане
Ако държите топка за боулинг 1,5 кг от покрив на 100 м (около 30 етажа) над земята, можете да изчислите потенциалната му енергия, като се има предвид, че стойността на g = 9,8 m / s2 и PE = mгз:
(1,5 кг) (100 м) (9,8 м / сек2) = 1470 джаула (J)
Ако пуснете топката, нейната нулева кинетична енергия се увеличава все по-бързо, тъй като топката пада и се ускорява. В момента, когато достигне земята, KE трябва да е равна на стойността на PE в началото на проблема, или 1,470 J. В този момент,
KE = 1470 = (1/2) mV2 = (1/2) (1,5 кг)V2
Ако не се допуска загуба на енергия поради триене, запазването на механичната енергия ви позволява да изчислите V, което се оказва 44,3 m / s.
Ами Айнщайн?
Студентите по физика могат да бъдат объркани от известните маса и енергия уравнение (E = mc2), чудейки се дали то противоречи на закона на запазване на енергията (или запазване на масата), тъй като предполага, че масата може да бъде преобразувана в енергия и обратно.
Всъщност той не нарушава нито един от двата закона, защото демонстрира, че масата и енергията всъщност са различни форми на едно и също нещо. Това е нещо като да ги измервате в различни единици предвид различните изисквания на класическата и квантовата механика.
В топлинната смърт на Вселената, съгласно третия закон на термодинамиката, цялата материя ще бъде преобразувана в топлинна енергия. След като това преобразуване на енергия завърши, повече трансформации не могат да настъпят, поне не без друго хипотетично единично събитие като Големия взрив.
Вечната машина за движение?
"Вечна машина за движение" (например, махало, което се люлее със същото време и се измества, без изобщо да се забавя) на Земята е невъзможно поради съпротивлението на въздуха и свързаните с него загуби на енергия. За да поддържате gizmo ще изисква въвеждане на външна работа в някакъв момент, като по този начин побеждавате целта.