Koska fysiikka on tutkimus aineen ja energian virtaamisesta,energiansäästölakion keskeinen idea selittää kaikki fyysikko opiskelemat ja tapa, jolla hän opiskelee sitä.
Fysiikassa ei ole kyse yksiköiden tai yhtälöiden muistamisesta, vaan kehyksestä, joka säätelee kaikkien hiukkasten käyttäytymistä, vaikka yhtäläisyydet eivät näy yhdellä silmäyksellä.
Ensimmäinen termodynamiikan lakion tämän energiansäästölain uudelleenmuotoilu lämpöenergian suhteen:sisäinen energiajärjestelmän on oltava yhtä suuri kuin kaikki järjestelmässä tehdyt työt plus tai miinus järjestelmään virtaava tai siitä ulos virtaava lämpö.
Toinen tunnettu fysiikan säilyttämisperiaate on massan säilymisen laki; Kuten huomaat, nämä kaksi luonnonsuojelulakia - ja sinut myös esitellään kahdelle muulle - liittyvät läheisemmin kuin mitä silmä (tai aivot) kohtaa.
Newtonin liikelakit
Kaikkien universaalien fyysisten periaatteiden tutkimusten tulee olla tukena tarkastelemalla kolmea liikkeen lakia, jotka Isaac Newton satoi muotoonsa satoja vuosia sitten. Nämä ovat:
- Ensimmäinen liikelaki (hitauslae):Kohde, jolla on vakionopeus (tai lepotilassa, jossa v = 0), pysyy tässä tilassa, ellei epätasapainoinen ulkoinen voima häiritse sitä.
- Toinen liikelaki:Nettovoima (Fnetto) nopeuttaa esineitä, joiden massa (m). Kiihtyvyys (a) on nopeuden muutosnopeus (v).
- Kolmas liikelaki:Jokaiselle luonteeltaan olevalle voimalle on olemassa voima, joka on yhtä suuri ja suuntaan päinvastainen.
Säilytetyt määrät fysiikassa
Fysiikan säilyvyyslait koskevat matemaattista täydellisyyttä vain todella eristetyissä järjestelmissä. Arjessa tällaiset skenaariot ovat harvinaisia. Neljä säilytettyä määrää onmassa-, energiaa, vauhtiajakulmamomentti. Kolme viimeistä kuuluvat mekaniikan piiriin.
Massaon vain jonkin aineen määrä, ja kun se kerrotaan painovoimasta johtuvalla paikallisella kiihtyvyydellä, tulos on paino. Massaa ei voi tuhota tai luoda tyhjästä kuin energia.
Vauhtion kohteen massan ja sen nopeuden tulo (m ·v). Kahden tai useamman törmäävän hiukkasen järjestelmässä järjestelmän kokonaismäärä (yksilön summa) esineiden momentit) ei koskaan muutu, kunhan ei ole kitkahäviöitä tai vuorovaikutusta ulkoisten kanssa elimet.
Kulmamomentti (L) on vain liike pyörivän kohteen akselin ympäri ja on yhtä suuri kuin m ·v · r, jossa r on etäisyys kohteesta pyörimisakseliin.
Energiaesiintyy monissa muodoissa, jotkut ovat hyödyllisempiä kuin toiset. Lämpö, missä muodossa kaikki energia on viime kädessä tarkoitus olla olemassa, on vähiten hyödyllinen sen hyödyntämisessä ja on yleensä tuote.
Laki energian säästämisestä voidaan kirjoittaa:
KE + PE + IE = E
missä KE =kineettinen energia= (1/2) mv2, PE =Mahdollinen energia(yhtä suuri kuin mgh, kun painovoima on ainoa vaikuttava voima, mutta nähdään muissa muodoissa), IE = sisäinen energia ja E = kokonaisenergia = vakio.
- Eristetyissä järjestelmissä mekaaninen energia voidaan muuntaa lämpöenergiaksi rajojensa sisällä; Voit määrittää "järjestelmäksi" minkä tahansa valitsemasi asennuksen, kunhan voit olla varma sen fyysisistä ominaisuuksista. Tämä ei riko energiansäästölakia.
Energian muunnokset ja energiamuodot
Kaikki maailmankaikkeuden energia on peräisin Suuresta Bangista, ja tämä energian kokonaismäärä ei voi muuttua. Sen sijaan havaitsemme energianmuutosmuotoja jatkuvasti kineettisestä energiasta (liikeenergiasta) lämpöenergiaan, kemiallisesta energiasta sähköenergiaan, gravitaatiopotentiaalienergiasta mekaaniseen energiaan ja niin edelleen.
Esimerkkejä energiansiirrosta
Lämpö on erityinen energiamuoto (lämpöenergia) siinä mielessä, että kuten se on todettu, se on vähemmän hyödyllinen ihmisille kuin muissa muodoissa.
Tämä tarkoittaa, että kun osa järjestelmän energiasta muuttuu lämmöksi, sitä ei voida palauttaa yhtä helposti hyödyllisempään muotoon ilman ylimääräistä työtä, joka vie lisäenergiaa.
Raivokas määrä säteilevää energiaa, jonka aurinko antaa joka sekunti, ei voi koskaan millään tavalla hyödyntää tai käyttää uudelleen pysyvä todistus tästä todellisuudesta, joka kehittyy jatkuvasti ympäri galaksia ja maailmankaikkeutta a koko. Osa energiasta "siepataan" maapallon biologisissa prosesseissa, mukaan lukien fotosynteesi - kasvit, jotka valmistavat omaa ruokaa sekä tarjoavat ruokaa (energiaa) eläimille ja bakteereille, ja - pian.
Se voidaan siepata myös ihmisen tekniikan tuotteilla, kuten aurinkokennoilla.
Energiansäästön seuraaminen
Lukion fysiikan opiskelijat käyttävät yleensä ympyräkaavioita tai pylväskaavioita osoittamaan tutkittavan järjestelmän kokonaisenergiaa ja seuraamaan sen muutoksia.
Koska piirakan energian kokonaismäärä (tai tankojen korkeuksien summa) ei voi muuttua, ero viipaleet tai palkkikategoriat osoittavat, kuinka suuri osa energian kokonaismäärästä tietyssä pisteessä on jonkinlainen energiamuoto.
Skenaariossa eri kaavioita voidaan näyttää eri pisteissä näiden muutosten seuraamiseksi. Esimerkiksi, huomaa, että lämpöenergian määrä kasvaa melkein aina, mikä on jätettä useimmissa tapauksissa.
Esimerkiksi, jos heität pallon 45 asteen kulmaan, kaikki sen energia on aluksi kineettistä (koska h = 0), ja sitten siinä kohdassa, jossa pallo saavuttaa korkeimman pisteen, sen potentiaalienergia kokonaisenergian osuutena on korkein.
Sekä noustessaan että laskiessaan myöhemmin osa sen energiasta muuttuu lämmöksi ilmaa, joten KE + PE ei pysy vakiona koko skenaariossa, vaan pienenee, kun taas kokonaisenergia E pysyy vakiona.
(Lisää joitain esimerkkikaavioita ympyrä- / pylväskaavioilla, jotka seuraavat energiamuutoksia
Kinematiikkaesimerkki: Vapaa putoaminen
Jos pidät 1,5 kg: n keilapalloa katolta 100 m (noin 30 kerrosta) maanpinnan yläpuolelta, voit laskea sen potentiaalisen energian, kun otetaan huomioon, ettäg = 9,8 m / s2ja PE = mgh:
(1,5 \ teksti {kg}) (100 \ teksti {m}) (9,8 \ teksti {m / s} ^ 2) = 1 470 \ teksti {joulea (J)}
Jos vapautat pallon, sen nolla kineettinen energia kasvaa yhä nopeammin, kun pallo putoaa ja kiihtyy. Heti kun se saavuttaa maan, KE: n on oltava yhtä suuri kuin PE: n arvo ongelman alussa, tai 1470 J. Tällä hetkellä,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1.5) v ^ 2
Olettaen, että kitkasta ei aiheudu energiahäviötä, mekaanisen energian säästö antaa sinun laskeav, joka osoittautuu44,3 m / s.
Entä Einstein?
Kuuluisa voi hämmentää fysiikan opiskelijoitamassa-energia yhtälö (E = mc2), ihmettelen, onko se ristiriidassaenergiansäästö(taimassan säilyminen), koska se tarkoittaa, että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin.
Se ei todellakaan riko kumpaakaan lakia, koska se osoittaa, että massa ja energia ovat oikeastaan saman asian eri muotoja. Se on eräänlainen kuin niiden mittaaminen eri yksiköissä, kun otetaan huomioon klassisen ja kvanttimekaniikan erilaiset vaatimukset.
Maailmankaikkeuden lämpökuolemassa termodynamiikan kolmannen lain mukaan kaikki aineet on muutettu lämpöenergiaksi. Kun tämä energianmuunnos on saatu päätökseen, enempää muunnoksia ei voi tapahtua, ainakaan ilman toista hypoteettista yksittäistä tapahtumaa, kuten Big Bang.
Perpetual Motion Machine?
"Jatkuva liikkeentekijä" (esim. Heiluri, joka heiluu samalla ajoituksella ja lakaisee koskaan hidastamatta) maapallolla on mahdotonta ilmanvastuksen ja siihen liittyvien energiahäviöiden takia. Gizmo-toiminnan ylläpitäminen edellyttäisi jossain vaiheessa ulkoista työtä, mikä kumoaisi tarkoituksen.