Indhold
- Newtons love of motion
- Konserverede mængder i fysik
- Energitransformationer og energiformer
- Eksempler på energioverførsel
- Sporing af energibesparing
- Kinematikeksempel: Frit fald
- Hvad med Einstein?
- Den evige bevægelsesmaskine?
Fordi fysik er studiet af, hvordan stof og energi flyder, lov om bevarelse af energi er en nøgleide til at forklare alt, hvad en fysiker studerer, og den måde, hvorpå han eller hun studerer det.
Fysik handler ikke om at huske enheder eller ligninger, men om en ramme, der styrer, hvordan alle partikler opfører sig, selvom lighederne ikke er tydelige med et øjeblik.
Den første lov om termodynamik er en omformulering af denne energibesparelseslov med hensyn til varmeenergi: indre energi af et system skal svare til summen af alt det arbejde, der udføres på systemet, plus eller minus den varme, der strømmer ind eller ud af systemet.
Et andet velkendt konserveringsprincip i fysik er loven om bevarelse af masse; Som du opdager, er disse to konserveringslove - og du vil også blive introduceret for to andre her - tættere beslægtet end møder øjet (eller hjernen).
Newtons love of motion
Enhver undersøgelse af universelle fysiske principper bør bakkes op af en gennemgang af de tre grundlæggende bevægelseslove, der er hamret i form af Isaac Newton for hundreder af år siden. Disse er:
Konserverede mængder i fysik
Lovgivningen om konservering i fysik gælder matematisk perfektion i kun virkelig isolerede systemer. I hverdagen er sådanne scenarier sjældne. Fire konserverede mængder er masse, energi, momentum og vinkelmoment. De tre sidste af disse falder ind under mekanikens rækkevidde.
Masse er kun mængden af noget stof, og når det ganges med den lokale acceleration på grund af tyngdekraften, er resultatet vægt. Masse kan ikke mere ødelægges eller skabes fra bunden end energi kan.
momentum er produktet af en objektsmasse og dens hastighed (m ·v). I et system med to eller flere kolliderende partikler ændres systemets samlede momentum (summen af genstandens individuelle momenta) aldrig, så længe der ikke er friktionstab eller interaktion med eksterne organer.
Vinkelmoment (L) er bare momentumet omkring en akse for et roterende objekt, og er lig med m ·v · r, hvor r er afstanden fra objektet til rotationsaksen.
Energi vises i mange former, nogle mere nyttige end andre. Varme, den form, hvor al energi i sidste ende er bestemt til at eksistere, er den mindst nyttige med hensyn til at sætte den til nyttigt arbejde og er normalt et produkt.
Loven om energibesparelse kan skrives:
KE + PE + IE = E
hvor KE = kinetisk energi = (1/2) mv2, PE = potentiel energi (lig med mgh når tyngdekraften er den eneste kraft, der virker, men ses i andre former), IE = intern energi og E = total energi = en konstant.
Energitransformationer og energiformer
Al energien i universet stammede fra Big Bang, og den samlede mængde energi kan ikke ændres. I stedet observerer vi kontinuerligt energiændrende former, fra kinetisk energi (bevægelsesenergi) til varmeenergi, fra kemisk energi til elektrisk energi, fra tyngdepotentialenergi til mekanisk energi og så videre.
Eksempler på energioverførsel
Varme er en speciel type energi (termisk energi) ved, at det som bemærket er mindre nyttigt for mennesker end andre former.
Dette betyder, at når en del af energien i et system omdannes til varme, kan det ikke så let returneres til en mere nyttig form uden input af ekstra arbejde, der tager ekstra energi.
Den voldsomme mængde strålingsenergi, som solen udsætter hvert sekund og kan aldrig på nogen måde genvinde eller genbruge, er et stående bevis på denne virkelighed, der konstant udfolder sig over hele galaksen og universet som helhed. En del af denne energi "opsamles" i biologiske processer på Jorden, herunder fotosyntesen i planter, der fremstiller deres egen mad og leverer mad (energi) til dyr og bakterier, og så videre.
Det kan også indfanges af produkter fra human engineering, såsom solceller.
Sporing af energibesparing
Gymnasiestuderende på gymnasiet bruger typisk cirkeldiagrammer eller søjlediagrammer for at vise den samlede energi i det studerede system og for at spore dets ændringer.
Fordi den samlede mængde energi i kagen (eller summen af højderne på bjælkerne) ikke kan ændres, demonstrerer forskellen i skiver eller søjlekategorier, hvor meget af den samlede energi på et givet tidspunkt er en form for energi eller en anden.
I et scenarie kan forskellige diagrammer vises på forskellige punkter for at spore disse ændringer. Bemærk for eksempel, at mængden af termisk energi næsten altid stiger, hvilket repræsenterer affald i de fleste tilfælde.
For eksempel, hvis du kaster en kugle i en 45-graders vinkel, er al dens energi oprindeligt kinetisk (fordi h = 0), og derefter på det punkt, hvor bolden når sit højeste punkt, er dens potentielle energi som en andel af den samlede energi er højest.
Både når den stiger, og når den derefter falder, omdannes en del af dens energi til varme som et resultat af friktionskræfter fra luften, så KE + PE forbliver ikke konstant i hele dette scenarie, men reduceres i stedet, mens total energi E stadig forbliver konstant .
(Indsæt nogle eksempler på diagrammer med cirkeldiagrammer / linjediagrammer, der sporer energiændringer
Kinematikeksempel: Frit fald
Hvis du holder en 1,5 kg bowlingkugle fra et tag 100 m (ca. 30 etager) over jorden, kan du beregne dens potentielle energi, da værdien af g = 9,8 m / s2 og PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 Joules (J)
Hvis du frigiver bolden, øges dens nul kinetiske energi mere og hurtigere, når bolden falder og accelererer. I det øjeblik det når jorden, skal KE være lig med værdien af PE i begyndelsen af problemet, eller 1.470 J. I dette øjeblik,
KE = 1.470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Forudsat at der ikke er noget energitab på grund af friktion, gør det muligt at bevare mekanisk energi til at beregne v, hvilket viser sig at være 44,3 m / s.
Hvad med Einstein?
Fysikstuderende kan blive forvirret af den berømte masse-energi ligning (E = mc2) og undrer sig over, om den er i strid med loven i bevarelse af energi (eller bevarelse af masse), da det indebærer, at masse kan konverteres til energi og vice versa.
Det bryder faktisk ikke nogen af lovene, fordi det viser, at masse og energi faktisk er forskellige former for den samme ting. Det er ligesom at måle dem i forskellige enheder i betragtning af de forskellige krav fra klassiske og kvantemekaniske situationer.
I universets varmedød, efter termodynamikens tredje lov, vil al materie være blevet omdannet til termisk energi. Når denne energikonvertering er afsluttet, kan der ikke forekomme flere transformationer, i det mindste ikke uden endnu en hypotetisk entall begivenhed som Big Bang.
Den evige bevægelsesmaskine?
En "evig bevægelsesmaskine" (f.eks. En pendel, der svinger med den samme timing og fejning uden nogensinde at bremse) på Jorden er umulig på grund af luftmodstand og dertil knyttede energitab. At holde gizmo i gang ville kræve et input af eksternt arbejde på et tidspunkt og således besejre formålet.