لأن الفيزياء هي دراسة كيفية تدفق المادة والطاقة ، فإنقانون حفظ الطاقةهي فكرة أساسية لشرح كل شيء يدرسه الفيزيائي ، والطريقة التي يدرس بها.
الفيزياء لا تتعلق بحفظ الوحدات أو المعادلات ، ولكنها تتعلق بإطار يحكم كيفية تصرف جميع الجسيمات ، حتى لو لم تكن أوجه التشابه واضحة في لمحة.
القانون الأول للديناميكا الحراريةإعادة صياغة لقانون حفظ الطاقة هذا من حيث الطاقة الحرارية:الطاقة الداخليةمن النظام يجب أن يساوي إجمالي كل العمل المنجز على النظام ، زائد أو ناقص الحرارة المتدفقة داخل أو خارج النظام.
مبدأ الحفظ المعروف الآخر في الفيزياء هو قانون الحفاظ على الكتلة. كما ستكتشف ، فإن هذين القانونين للحفظ - وستتعرف على اثنين آخرين هنا أيضًا - مرتبطان ارتباطًا وثيقًا أكثر مما تراه العين (أو الدماغ).
قوانين نيوتن للحركة
يجب أن تكون أي دراسة للمبادئ الفيزيائية العالمية مدعومة بمراجعة للقوانين الأساسية الثلاثة للحركة ، والتي صاغها إسحاق نيوتن في الشكل منذ مئات السنين. هؤلاء هم:
- أول قانون للحركة (قانون القصور الذاتي):كائن ذو سرعة ثابتة (أو في حالة سكون ، حيث v = 0) يظل في هذه الحالة ما لم تعمل قوة خارجية غير متوازنة على تشويشها.
- قانون الحركة الثاني:القوة الصافية (Fصافي) يعمل على تسريع الأجسام ذات الكتلة (م). التسارع (أ) هو معدل تغير السرعة (ت).
- قانون الحركة الثالث:لكل قوة في الطبيعة ، توجد قوة مساوية في الحجم ومعاكسة في الاتجاه.
الكميات المحفوظة في الفيزياء
تنطبق قوانين الحفظ في الفيزياء على الكمال الرياضي في الأنظمة المعزولة حقًا فقط. في الحياة اليومية ، مثل هذه السيناريوهات نادرة. أربع كميات محفوظةكتلة, طاقة, قوة الدفعوالزخم الزاوي. تقع الثلاثة الأخيرة من هذه ضمن اختصاص الميكانيكا.
كتلةهي مجرد كمية مادة شيء ما ، وعندما يتم ضربها في العجلة المحلية بسبب الجاذبية ، تكون النتيجة هي الوزن. لا يمكن تدمير الكتلة أو تكوينها من الصفر أكثر مما يمكن للطاقة.
دفعةهو حاصل ضرب كتلة الجسم وسرعته (م ·الخامس). في نظام يتكون من جسيمين متصادمين أو أكثر ، إجمالي الزخم للنظام (مجموع الفرد لا تتغير أبدًا طالما لا توجد خسائر احتكاكية أو تفاعلات مع العناصر الخارجية جثث.
الزخم الزاوي (إل) هو فقط الزخم حول محور جسم دوار ، ويساوي م ·v · r، حيث r هي المسافة من الجسم إلى محور الدوران.
طاقةيظهر في أشكال عديدة ، بعضها مفيد أكثر من البعض الآخر. الحرارة ، وهي الشكل الذي من المقرر أن تتواجد فيه كل الطاقة في نهاية المطاف ، هي الأقل فائدة من حيث وضعها في عمل مفيد ، وعادة ما تكون منتجًا.
يمكن كتابة قانون حفظ الطاقة:
KE + PE + IE = E.
حيث KE =الطاقة الحركية= (1/2) مالخامس2، PE =الطاقة الكامنة(يساوي مزح عندما تكون الجاذبية هي القوة الوحيدة المؤثرة ، ولكن تُرى في أشكال أخرى) ، IE = الطاقة الداخلية ، و E = إجمالي الطاقة = ثابت.
- يمكن أن تحتوي الأنظمة المعزولة على طاقة ميكانيكية تتحول إلى طاقة حرارية داخل حدودها ؛ يمكنك تعريف "النظام" ليكون أي إعداد تختاره ، طالما يمكنك التأكد من خصائصه المادية. هذا لا ينتهك قانون الحفاظ على الطاقة.
تحولات الطاقة وأشكالها
نشأت كل الطاقة في الكون من الانفجار العظيم ، وهذا المقدار الإجمالي للطاقة لا يمكن أن يتغير. بدلاً من ذلك ، نلاحظ تغيير أشكال الطاقة باستمرار ، من الطاقة الحركية (طاقة الحركة) إلى الطاقة الحرارية ، من الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الكهربائية ، من طاقة الجاذبية الكامنة إلى الطاقة الميكانيكية وما إلى ذلك.
أمثلة على نقل الطاقة
الحرارة هي نوع خاص من الطاقة (طاقة حرارية) في ذلك ، كما لوحظ ، أقل فائدة للإنسان من الأشكال الأخرى.
هذا يعني أنه بمجرد تحويل جزء من طاقة النظام إلى حرارة ، لا يمكن إعادته بسهولة إلى شكل أكثر فائدة دون إدخال عمل إضافي ، والذي يتطلب طاقة إضافية.
إن الكمية الشرسة من الطاقة المشعة التي تطفئها الشمس في كل ثانية ولا يمكن بأي شكل من الأشكال استردادها أو إعادة استخدامها شهادة دائمة على هذا الواقع ، الذي يتكشف باستمرار في جميع أنحاء المجرة والكون على شكل a كل. يتم "التقاط" بعض هذه الطاقة في العمليات البيولوجية على الأرض ، بما في ذلك التمثيل الضوئي في النباتات ، التي تصنع طعامها بالإضافة إلى توفير الغذاء (الطاقة) للحيوانات والبكتيريا ، و قريبا.
يمكن أيضًا التقاطها بواسطة منتجات الهندسة البشرية ، مثل الخلايا الشمسية.
تتبع حفظ الطاقة
عادةً ما يستخدم طلاب الفيزياء بالمدارس الثانوية المخططات الدائرية أو الرسوم البيانية الشريطية لإظهار الطاقة الإجمالية للنظام قيد الدراسة ولتتبع تغييراته.
نظرًا لأن المقدار الإجمالي للطاقة في الكعكة (أو مجموع ارتفاعات القضبان) لا يمكن أن يتغير ، فإن الاختلاف في شرائح أو فئات شريطية توضح مقدار الطاقة الإجمالية في أي نقطة معينة هي شكل أو آخر من أشكال الطاقة.
في سيناريو ، قد يتم عرض مخططات مختلفة في نقاط مختلفة لتتبع هذه التغييرات. على سبيل المثال ، لاحظ أن كمية الطاقة الحرارية تزداد دائمًا تقريبًا ، وتمثل النفايات في معظم الحالات.
على سبيل المثال ، إذا رميت كرة بزاوية 45 درجة ، فإن كل طاقتها تكون حركية في البداية (لأن ع = 0) ، و ثم عند النقطة التي تصل فيها الكرة إلى أعلى نقطة لها ، تكون طاقتها الكامنة كحصة من إجمالي الطاقة الأعلى.
أثناء صعوده وهبوطه لاحقًا ، يتم تحويل بعض طاقته إلى حرارة نتيجة لقوى الاحتكاك من الهواء ، لذلك لا يظل KE + PE ثابتًا طوال هذا السيناريو ، ولكنه يتناقص بدلاً من ذلك بينما يظل إجمالي الطاقة E ثابتًا.
(أدخل بعض الأمثلة على الرسوم البيانية مع مخططات دائرية / شريطية لتعقب تغيرات الطاقة
مثال على علم الحركة: السقوط الحر
إذا كنت تحمل كرة بولينج تزن 1.5 كجم من سطح على ارتفاع 100 متر (حوالي 30 طابقًا) فوق سطح الأرض ، فيمكنك حساب طاقتها الكامنة بالنظر إلى أن قيمةز = 9.8 م / ث2و PE = مزح:
(1.5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9.8 \ text {m / s} ^ 2) = 1،470 \ text {Joules (J)}
إذا قمت بتحرير الكرة ، فإن طاقتها الحركية الصفرية تزداد بسرعة أكبر مع سقوط الكرة وتسارعها. في اللحظة التي تصل فيها إلى الأرض ، يجب أن تكون KE مساوية لقيمة PE في بداية المشكلة ، أو 1،470 J. بهذه اللحظة،
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1.5) v ^ 2
بافتراض عدم فقدان الطاقة بسبب الاحتكاك ، فإن الحفاظ على الطاقة الميكانيكية يسمح لك بالحسابالخامس، والذي تبين أن يكون44.3 م / ث.
ماذا عن أينشتاين؟
طلاب الفيزياء قد يربكهم المشهورونكتلة الطاقة معادلة (ه = مك2) ، متسائلاً ما إذا كان يتحدى قانونالحفاظ على الطاقة(أوحفظ الكتلة) ، لأنه يعني أنه يمكن تحويل الكتلة إلى طاقة والعكس صحيح.
إنه لا ينتهك في الواقع أيًا من القانونين لأنه يوضح أن الكتلة والطاقة هما في الواقع شكلان مختلفان من الشيء نفسه. إنه يشبه قياسها في وحدات مختلفة نظرًا للمتطلبات المختلفة لحالات ميكانيكا الكم والكلاسيكية.
في الموت الحراري للكون ، وفقًا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية ، سيتم تحويل كل المادة إلى طاقة حرارية. بمجرد اكتمال تحويل الطاقة هذا ، لا يمكن حدوث المزيد من التحولات ، على الأقل ليس بدون حدث افتراضي فريد آخر مثل الانفجار العظيم.
آلة الحركة الدائمة؟
من المستحيل استخدام "آلة الحركة الدائمة" (على سبيل المثال ، البندول الذي يتأرجح مع نفس التوقيت والاكتساح دون أن يتباطأ أبدًا) على الأرض بسبب مقاومة الهواء وفقدان الطاقة المصاحب. يتطلب استمرار عمل الأداة إدخال عمل خارجي في مرحلة ما ، وبالتالي إفشال الغرض.
