Mivel a fizika annak vizsgálata, hogy az anyag és az energia hogyan áramlik, aaz energiatakarékosság törvényekulcsfontosságú gondolat annak elmagyarázására, amit egy fizikus tanulmányoz, és annak módját, ahogyan tanulmányozza.
A fizika nem az egységek vagy egyenletek memorizálásáról szól, hanem egy keretrendszerről, amely az összes részecske viselkedését szabályozza, még akkor is, ha a hasonlóságok egy pillanat alatt nem nyilvánvalóak.
A termodinamika első törvényeennek az energiatakarékossági törvénynek a hőenergia szempontjából történő átdolgozása:belső energiaa rendszer teljes értékének meg kell egyeznie a rendszeren elvégzett összes munkával, plusz vagy mínusz a rendszerbe beáramló vagy onnan kifolyó hővel.
A fizikában egy másik jól ismert megőrzési elv a tömeg megőrzésének törvénye; amint felfedezed, ez a két természetvédelmi törvény - és itt két másik emberrel is megismerkedsz - szorosabban kapcsolódnak egymáshoz, mint amennyire a szem (vagy agy) látni fogja.
Newton mozgás törvényei
Az egyetemes fizikai alapelvek bármely tanulmányát a mozgás három alaptörvényének felülvizsgálatával kell alátámasztani, amelyet Isaac Newton több száz évvel ezelőtt formába ölt. Ezek:
- Az első mozgástörvény (tehetetlenségi törvény):Egy állandó sebességű (vagy nyugalmi helyzetben lévő, ahol v = 0) objektum ebben az állapotban marad, hacsak nem kiegyensúlyozatlan külső erő hat a zavarására.
- A mozgás második törvénye:Nettó erő (Fháló) az objektumok tömegével (m) gyorsul fel. A gyorsulás (a) a sebesség változásának sebessége (v).
- A mozgás harmadik törvénye:A természet minden erejéhez létezik egy nagyságrendű és irányban ellentétes erő.
Megőrzött mennyiségek a fizikában
A fizika megőrzésének törvényei a matematikai tökéletességre csak igazán elszigetelt rendszerekben vonatkoznak. A mindennapi életben ritka az ilyen forgatókönyv. Négy konzervált mennyiség vantömeg, energia, lendületésperdület. Ezek közül az utolsó három a mechanika hatáskörébe tartozik.
Tömegcsak valaminek az anyagmennyisége, és ha a gravitáció miatt szorozzuk a helyi gyorsulással, az eredmény súly. A tömeg nem pusztulhat el többé, vagy nem hozható létre semmiből, mint az energia.
Lendületegy tárgy tömegének és sebességének (m · szorzata)v). Két vagy több ütköző részecske rendszerében a rendszer teljes lendülete (az egyén összege) az objektumok momentuma) soha nem változik, amíg nincsenek súrlódási veszteségek vagy kölcsönhatások a külsővel testek.
Perdület (L) csak egy lendület egy forgó tárgy tengelye körül, és egyenlő m ·v · r, ahol r az objektum és a forgástengely távolsága.
Energiasokféle formában jelenik meg, némelyik hasznosabb, mint a többi. A hő, az a forma, amelyben az összes energia végső soron létezik, a legkevésbé hasznos a hasznos munka szempontjából, és általában termék.
Az energiamegmaradás törvénye írható:
KE + PE + IE = E
ahol KE =kinetikus energia= (1/2) mv2, PE =helyzeti energia(egyenlő mgh amikor a gravitáció az egyetlen ható erő, de más formában látható), IE = belső energia és E = teljes energia = állandó.
- Az elszigetelt rendszerek határaikon belül mechanikai energiát alakíthatnak hőenergiává; definiálhat egy "rendszert" bármilyen választott beállításnak, mindaddig, amíg biztos lehet benne a fizikai jellemzői. Ez nem sérti az energiatörvény megőrzését.
Energiaátalakulások és energiaformák
Az univerzum összes energiája az ősrobbanásból származik, és ez a teljes energiamennyiség nem változhat. Ehelyett folyamatosan figyeljük az energiaváltozó formákat, a mozgási energiától (a mozgás energiájától) a hőenergiáig, a kémiai energiától az elektromos energiáig, a gravitációs potenciális energiától a mechanikai energiáig és így tovább.
Példák az energiaátadásra
A hő egy különleges típusú energia (hőenergia) annyiban, hogy - amint megjegyezték - kevésbé hasznos az emberek számára, mint más formák.
Ez azt jelenti, hogy ha egy rendszer energiájának egy része hővé alakul, akkor nem lehet olyan egyszerűen visszaállítani egy hasznosabb formába további munka nélkül, amely további energiát igényel.
Az a hatalmas mennyiségű sugárzó energia, amelyet a nap másodpercenként kibocsát, és soha semmilyen módon nem igényelhető vissza és nem használható fel újra állandó bizonyítéka ennek a valóságnak, amely folyamatosan kibontakozik az egész galaxisban és az univerzumban, mint a egész. Ennek az energiának egy részét a Föld biológiai folyamatai "ragadják meg", ideértve a fotoszintézist is - növények, amelyek maguk készítik el az ételüket, valamint táplálékot (energiát) biztosítanak az állatok és baktériumok számára, és - hamar.
Az emberi mérnöki termékek, például a napelemek is megragadhatják.
Az energiatakarékosság követése
A középiskolás fizikus hallgatók általában kördiagramokkal vagy oszlopdiagramokkal mutatják be a vizsgált rendszer teljes energiáját és nyomon követik annak változását.
Mivel a pite teljes energiamennyisége (vagy a rudak magasságának összege) nem változhat, a különbség szeletek vagy oszlopkategóriák azt mutatják, hogy az adott pontban a teljes energia mekkora része az egyik vagy másik energiaforma.
Egy forgatókönyv esetén különböző diagramok jelenhetnek meg különböző pontokon, hogy nyomon kövessék ezeket a változásokat. Például vegye figyelembe, hogy a hőenergia mennyisége szinte mindig nő, ami a legtöbb esetben hulladékot jelent.
Például, ha egy labdát 45 fokos szögben dobunk, kezdetben teljes energiája kinetikus (mert h = 0), és akkor azon a ponton, ahol a gömb eléri a legmagasabb pontját, potenciális energiája a teljes energia részarányaként az legmagasabb.
Amint emelkedik és csökken, energiájának egy része hővé alakul át a levegő, tehát a KE + PE nem marad állandó ebben a forgatókönyvben, hanem csökken, miközben az E teljes energia továbbra is állandó marad.
(Helyezzen be néhány példa diagramot kördiagramokkal / oszlopdiagramokkal, amelyek nyomon követik az energia változását
Kinematikai példa: Szabad esés
Ha egy 1,5 kg-os bowlinglabdát tartasz a talaj felett 100 m-es (kb. 30 emelet) tetőről, kiszámolhatod annak potenciális energiáját, tekintettel arra, hogy ag = 9,8 m / s2és PE = mgh:
(1,5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9,8 \ text {m / s} ^ 2) = 1 470 \ text {Joule (J)}
Ha elengedi a labdát, annak nulla mozgási energiája egyre gyorsabban növekszik, ahogy a labda leesik és gyorsul. Abban a pillanatban, amikor a földre ér, a KE-nek meg kell egyeznie a probléma kezdetén a PE értékével, vagy 1470 J-vel. Ebben a pillanatban,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1.5) v ^ 2
Ha feltételezzük, hogy a súrlódás miatt nincs energiaveszteség, a mechanikai energia megőrzése lehetővé teszi számításokatv, amelyről kiderül44,3 m / s.
Mi van Einsteinnel?
A fizikus hallgatókat megzavarhatja a hírestömeg-energia egyenlet (E = mc2), vajon ellentmond-e aenergiamegmaradás(vagya tömeg megőrzése), mivel ez azt jelenti, hogy a tömeg energiává alakítható és fordítva.
Valójában nem sérti egyik törvényt sem, mert bizonyítja, hogy a tömeg és az energia valójában ugyanazon dolog különböző formái. Ez olyan, mintha különböző egységekben mérnénk őket, tekintettel a klasszikus és a kvantummechanikai szituációk eltérő igényeire.
A világegyetem hőhalálában a termodinamika harmadik törvénye szerint minden anyag átalakul hőenergiává. Miután ez az energiaátalakítás befejeződött, többé nem alakulhat ki transzformáció, legalábbis nem egy másik hipotetikus egyedi esemény, például az ősrobbanás nélkül.
Az örökmozgó gép?
A Földön egy "örökmozgó gép" (például egy inga, amely ugyanolyan időzítéssel lendül és söpör anélkül, hogy valaha is lelassulna) lehetetlen a légellenállás és az ezzel járó energiaveszteségek miatt. A gizmo fenntartásához egy bizonyos ponton külső munka szükséges, ezáltal a cél elérése.