Тъй като физиката е изследване на това как материята и енергията протичат,закон за запазване на енергиятае ключова идея за обяснението на всичко, което физикът изучава, и начина, по който той или тя се занимава с изучаването му.
Физиката не е за запаметяване на единици или уравнения, а за рамка, която управлява поведението на всички частици, дори ако приликите не са очевидни с един поглед.
Първият закон на термодинамикатае повторение на този закон за запазване на енергията по отношение на топлинната енергия:вътрешна енергияна системата трябва да се равнява на общия обем на цялата работа, извършена върху системата, плюс или минус топлината, течаща в или извън системата.
Друг добре известен принцип на опазване във физиката е законът за запазване на масата; както ще откриете, тези два закона за опазване - а и тук ще се запознаете с двама други - са по-тясно свързани, отколкото изглежда на око (или мозъка).
Законите на Нютон за движение
Всяко изследване на универсалните физически принципи трябва да бъде подкрепено от преглед на трите основни закона на движението, оформен от Исак Нютон преди стотици години. Това са:
- Първи закон за движение (закон за инерцията):Обект с постоянна скорост (или в покой, където v = 0) остава в това състояние, освен ако небалансирана външна сила не действа, за да го смути.
- Втори закон за движение:Нетна сила (Fнето) действа за ускоряване на обекти с маса (m). Ускорението (а) е скоростта на промяна на скоростта (v).
- Трети закон за движение:За всяка сила в природата съществува сила, равна по големина и противоположна по посока.
Запазени количества във физиката
Законите за запазване във физиката се прилагат за математическото съвършенство само в истински изолирани системи. В ежедневието подобни сценарии са рядкост. Четири консервирани количества самаса, енергия, импулсиъглов момент. Последните три от тях попадат в сферата на механиката.
Масае просто количеството материя на нещо и когато се умножи по локалното ускорение поради гравитацията, резултатът е теглото. Масата не може да бъде унищожена или създадена от нулата, както енергията.
Импулсе произведение на масата на обекта и неговата скорост (m ·v). В система от две или повече сблъскващи се частици общият импулс на системата (сумата на индивида импулси на обектите) никога не се променя, докато няма загуби от триене или взаимодействия с външни тела.
Ъглов импулс (L) е само импулсът около ос на въртящ се обект и е равен на m ·v · r, където r е разстоянието от обекта до оста на въртене.
Енергиясе появява в много форми, някои по-полезни от други. Топлината, формата, в която е в крайна сметка предназначена 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 mжh, когато гравитацията е единствената действаща сила, но се наблюдава в други форми), IE = вътрешна енергия и E = обща енергия = константа.
- Изолираните системи могат да имат механична енергия, превърната в топлинна енергия в техните граници; можете да дефинирате "система" за всяка настройка, която сте избрали, стига да сте сигурни в нейните физически характеристики. Това не нарушава закона за опазване на енергията.
Енергийни трансформации и форми на енергия
Цялата енергия във Вселената възниква от Големия взрив и това общо количество енергия не може да се промени. Вместо това ние наблюдаваме непрекъснато променящи се форми на енергия, от кинетична енергия (енергия на движение) до топлинна енергия, от химическа енергия до електрическа енергия, от гравитационна потенциална енергия до механична енергия и т.н.
Примери за трансфер на енергия
Топлината е специален вид енергия (Термална енергия) тъй като, както беше отбелязано, той е по-малко полезен за хората от другите форми.
Това означава, че след като част от енергията на системата се трансформира в топлина, тя не може толкова лесно да се върне в по-полезна форма без влагането на допълнителна работа, която отнема допълнителна енергия.
Свирепото количество лъчиста енергия, която слънцето излъчва всяка секунда и никога не може по никакъв начин да си възвърне или използва повторно Постоянно свидетелство за тази реалност, която непрекъснато се разгръща из цялата галактика и Вселената като цяло. Част от тази енергия се "улавя" в биологичните процеси на Земята, включително фотосинтезата през - растения, които сами произвеждат храна, както и осигуряват храна (енергия) за животни и бактерии, и скоро.
Той може да бъде уловен и от продукти на човешкото инженерство, като слънчеви клетки.
Проследяване на енергоспестяването
Учениците по физика в гимназията обикновено използват кръгови диаграми или стълбовидни 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 прътите) не може да се промени, разликата в категория филийки или лента показва колко от общата енергия във всяка дадена точка е една или друга форма на енергия.
В сценарий могат да се показват различни диаграми в различни точки, за да се проследят тези промени. Например, имайте предвид, че количеството топлинна енергия почти винаги се увеличава, което в повечето случаи представлява отпадъци.
Например, ако хвърлите топка под ъгъл от 45 градуса, първоначално цялата й енергия е кинетична (защото h = 0) и тогава в точката, в която топката достига най-високата си точка, е потенциалната й енергия като дял от общата енергия най-висока.
Както докато се издига, така и впоследствие пада, част от неговата енергия се трансформира в топлина в резултат на силите на триене от въздух, така че KE + PE не остава постоянен през целия сценарий, а вместо това намалява, докато общата енергия E все още остава постоянна.
(Вмъкнете няколко примерни диаграми с кръгови / стълбови диаграми, проследяващи енергийните промени
Пример за кинематика: Свободно падане
Ако държите 1,5-килограмова топка за боулинг от покрива на 100 м (около 30 етажа) над земята, можете да изчислите потенциалната й енергия, като се има предвид стойността наg = 9,8 m / s2и PE = mжч:
(1,5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9,8 \ text {m / s} ^ 2) = 1,470 \ text {Joules (J)}
Ако освободите топката, нейната нулева кинетична енергия се увеличава все по-бързо, когато топката пада и се ускорява. В момента, в който стигне до земята, KE трябва да е равна на стойността на PE в началото на задачата или 1470 J. В този момент,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1.5) v ^ 2
Ако приемем, че няма загуба на енергия поради триене, запазването на механичната енергия ви позволява да изчислитеv, което се оказва44,3 m / s.
Ами Айнщайн?
Студентите по физика могат да бъдат объркани от известнитемаса-енергия уравнение (E = mc2), чудейки се дали не се противопоставя на закона назапазване на енергията(илизапазване на масата), тъй като предполага, че масата може да се преобразува в енергия и обратно.
Всъщност не нарушава нито един от двата закона, защото показва, че масата и енергията всъщност са различни форми на едно и също нещо. Това е нещо като измерването им в различни единици предвид различните изисквания на класическата и квантовата механика ситуации.
В топлинната смърт на Вселената, съгласно третия закон на термодинамиката, цялата материя ще бъде превърната в топлинна енергия. След като това преобразуване на енергия приключи, не могат да се случат повече трансформации, поне не без друго хипотетично единично събитие като Големия взрив.
Вечната машина за движение?
„Непрекъсната машина за движение“ (напр. Махало, което се люлее със същото време и размах, без никога да се забавя) на Земята е невъзможно поради въздушното съпротивление и свързаните с това загуби на енергия. За да се поддържа гизмото, в даден момент ще е необходима външна работа, като по този начин ще се победи целта.