Budući da je fizika proučavanje protoka materije i energije,zakon očuvanja energijeje ključna ideja za objašnjenje svega što fizičar proučava i način na koji on to proučava.
Fizika nije u pamćenju jedinica ili jednadžbi, već u okviru koji upravlja ponašanjem svih čestica, čak iako sličnosti nisu vidljive na prvi pogled.
Prvi zakon termodinamikeje ponovni prikaz ovog zakona o očuvanju energije u smislu toplinske energije:unutarnja energijasustava mora biti jednak ukupnom cijelom radu na sustavu, plus ili minus topline koja teče u sustav ili iz njega.
Sljedeće dobro poznato načelo očuvanja u fizici je zakon očuvanja mase; kao što ćete otkriti, ova dva zakona očuvanja - a ovdje ćete se upoznati i s dva druga - bliskiji su odnosi nego što to izgleda naoko (ili mozgu).
Newtonovi zakoni pokreta
Svako proučavanje univerzalnih fizičkih principa trebalo bi biti potkrijepljeno pregledom tri osnovna zakona gibanja, koje je oblikovao Isaac Newton prije stotina godina. Ovi su:
- Prvi zakon gibanja (zakon tromosti):Objekt s konstantnom brzinom (ili u stanju mirovanja, gdje je v = 0) ostaje u ovom stanju, osim ako ga neuravnotežena vanjska sila ne uznemirava.
- Drugi zakon kretanja:Neto sila (Fneto) djeluje ubrzavanjem objekata s masom (m). Ubrzanje (a) je brzina promjene brzine (v).
- Treći zakon gibanja:Za svaku silu u prirodi postoji sila jednaka po veličini i suprotna u smjeru.
Očuvane veličine u fizici
Zakoni očuvanja u fizici primjenjuju se na matematičko savršenstvo samo u istinski izoliranim sustavima. U svakodnevnom su životu takvi scenariji rijetki. Četiri konzervirane količine sumasa, energije, zamahikutni moment. Posljednja tri spadaju u djelokrug mehanike.
Masaje samo količina materije nečega, a kada se pomnoži s lokalnim ubrzanjem uslijed gravitacije, rezultat je težina. Masa se više ne može uništiti ili stvoriti od nule nego što to može energija.
Zamahumnožak mase predmeta i njegove brzine (m ·v). U sustavu od dvije ili više sudarajućih čestica, ukupni zamah sustava (zbroj pojedinca momenti predmeta) nikada se ne mijenjaju sve dok ne postoje gubici trenja ili interakcije s vanjskim tijela.
Kutni zamah (L) je samo zamah oko osi rotirajućeg objekta i jednak je m ·v · r, gdje je r udaljenost od objekta do osi rotacije.
Energijapojavljuje se u mnogim oblicima, neki korisniji od drugih. Toplina, u kojem je obliku na kraju suđeno da postoji sva energija, najmanje je korisna u smislu njezinog korisnog rada i obično je proizvod.
Zakon o očuvanju energije može se napisati:
KE + PE + IE = E
gdje je KE =kinetička energija= (1/2) mv2, PE =potencijalna energija(jednako mgh kad je gravitacija jedina sila koja djeluje, ali koja se vidi u drugim oblicima), IE = unutarnja energija i E = ukupna energija = konstanta.
- Izolirani sustavi mogu imati mehaničku energiju pretvorenu u toplinsku energiju unutar svojih granica; možete definirati "sustav" kao bilo koju postavku koju odaberete, sve dok možete biti sigurni u njegove fizičke karakteristike. To ne krši zakon o očuvanju energije.
Energetske transformacije i oblici energije
Sva energija u svemiru nastala je od Velikog praska i ta se ukupna količina energije ne može promijeniti. Umjesto toga, kontinuirano promatramo oblike koji se mijenjaju, od kinetičke energije (energije kretanja) do toplinske energije, od kemijske energije do električne energije, od gravitacijske potencijalne energije do mehaničke energije i tako dalje.
Primjeri prijenosa energije
Toplina je posebna vrsta energije (Termalna energija) jer je, kao što je napomenuto, manje korisno za ljude od ostalih oblika.
To znači da se jednom dio energije sustava transformira u toplinu, ne može se tako lako vratiti u korisniji oblik bez unosa dodatnog rada, koji uzima dodatnu energiju.
Surova količina zračeće energije koju Sunce izbacuje svake sekunde i nikada je ni na koji način ne može povratiti ili ponovno upotrijebiti trajni dokaz ove stvarnosti, koja se neprestano odvija po cijeloj galaksiji i svemiru kao cijela. Dio ove energije "zahvaća" se u biološkim procesima na Zemlji, uključujući fotosintezu u biljke, koje same proizvode hranu, osiguravajući hranu (energiju) za životinje i bakterije, i tako dalje.
Također ga mogu uhvatiti proizvodi ljudskog inženjerstva, poput solarnih ćelija.
Praćenje uštede energije
Studenti fizike u srednjoj školi obično koriste tortne grafikone ili trakaste grafikone kako bi prikazali ukupnu energiju sustava koji se proučava i kako bi pratili njegove promjene.
Budući da se ukupna količina energije u piti (ili zbroj visina šipki) ne može promijeniti, razlika u kriške ili kategorije šipki pokazuju koliko je ukupne energije u bilo kojem trenutku jedan ili drugi oblik energije.
U scenariju se na različitim točkama mogu prikazati različite karte za praćenje tih promjena. Na primjer, imajte na umu da se količina toplinske energije gotovo uvijek povećava, što u većini slučajeva predstavlja otpad.
Na primjer, ako loptu bacite pod kutom od 45 stupnjeva, u početku je sva njezina energija kinetička (jer je h = 0), i tada je u točki u kojoj lopta doseže najvišu točku njena potencijalna energija kao udio u ukupnoj energiji najviši.
Kako se diže i kako kasnije pada, dio njegove energije pretvara se u toplinu kao rezultat sila trenja iz zraka, tako da KE + PE tijekom ovog scenarija ne ostaje konstantan, već se smanjuje dok ukupna energija E i dalje ostaje konstantna.
(Umetnite neke primjere dijagrama s tortnim / stupčastim grafikonima koji prate promjene energije
Primjer kinematike: Slobodni pad
Ako kuglu za kuglanje od 1,5 kg držite na krovu 100 m (oko 30 katova) iznad tla, možete izračunati njezinu potencijalnu energiju s obzirom na to da vrijednostg = 9,8 m / s2i PE = mgh:
(1,5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9,8 \ text {m / s} ^ 2) = 1,470 \ text {Joules (J)}
Ako pustite kuglu, njena nulta kinetička energija povećava se sve brže kako lopta pada i ubrzava. U trenutku kad dosegne tlo, KE mora biti jednak vrijednosti PE na početku problema, odnosno 1.470 J. U ovom trenutku,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1,5) v ^ 2
Pod pretpostavkom da nema gubitka energije uslijed trenja, očuvanje mehaničke energije omogućuje vam izračunavanjev, što se ispostavlja44,3 m / s.
Što je s Einsteinom?
Studente fizike mogao bi zbuniti poznatimasa-energija jednadžba (E = mc2), pitajući se da li prkosi zakonučuvanje energije(iliočuvanje mase), jer podrazumijeva da se masa može pretvoriti u energiju i obrnuto.
Zapravo ne krši nijedan zakon jer pokazuje da su masa i energija zapravo različiti oblici iste stvari. To je nekako poput njihova mjerenja u različitim jedinicama s obzirom na različite zahtjeve klasične i kvantne mehaničke situacije.
U toplinskoj smrti svemira, prema trećem zakonu termodinamike, sva će se materija pretvoriti u toplinsku energiju. Jednom kada se ova pretvorba energije dovrši, više se neće moći dogoditi nikakve transformacije, barem ne bez još jednog hipotetskog pojedinačnog događaja kao što je Veliki prasak.
Perpetual Motion Machine?
"Vječni stroj za kretanje" (npr. Njihalo koje se njiše s istim vremenom i zamahne, a da nikada ne uspori) na Zemlji je nemoguće zbog otpora zraka i povezanih gubitaka energije. Da bi se gizmo održao, u nekom trenutku bio bi potreban vanjski rad, čime bi se porazila svrha.