מכיוון שפיזיקה היא המחקר כיצד זורמים חומר ואנרגיהחוק שימור האנרגיההוא רעיון מרכזי להסבר כל מה שפיזיקאי לומד, והאופן בו הוא או היא הולכים ללמוד אותו.
הפיזיקה אינה עוסקת בשינון יחידות או משוואות, אלא במסגרת המסדירה כיצד כל החלקיקים מתנהגים, גם אם הדמיון אינו ניכר במבט אחד.
החוק הראשון של התרמודינמיקההוא חזרה על החוק לחיסכון באנרגיה במונחים של אנרגיית חום:אנרגיה פנימיתשל מערכת חייב להיות שווה לסך כל העבודות שבוצעו במערכת, פלוס מינוס החום הזורם למערכת או מחוצה לה.
עיקרון שימור ידוע נוסף בפיזיקה הוא חוק שימור המסה; כפי שתגלה, שני חוקי השימור הללו - ותוצג לפניך גם שניים אחרים - קשורים זה לזה יותר ממה שנראה לעין (או המוח).
חוקי התנועה של ניוטון
כל לימוד על עקרונות פיזיקליים אוניברסליים צריך להיות מגובה בבדיקה של שלושת חוקי התנועה הבסיסיים, שנוצרו על ידי אייזק ניוטון לפני מאות שנים. אלו הם:
- חוק התנועה הראשון (חוק האינרציה):אובייקט במהירות קבועה (או במנוחה, כאשר v = 0) נשאר במצב זה אלא אם כן כוח חיצוני לא מאוזן פועל להפריע לו.
- חוק התנועה השני:כוח נטו (Fנֶטוֹ) פועל להאצת עצמים עם מסה (מ '). תאוצה (א) היא קצב שינוי המהירות (v).
- חוק התנועה השלישי:לכל כוח בטבע קיים כוח השווה בגודלו ומנוגד לכיוונו.
כמויות משומרות בפיזיקה
חוקי השימור בפיזיקה חלים על השלמות המתמטית רק במערכות מבודדות באמת. בחיי היומיום, תרחישים כאלה הם נדירים. ארבע כמויות משומרות הןמסה, אֵנֶרְגִיָה, תְנוּפָהומומנטום זוויתי. שלושת האחרונים הללו נופלים בתחומי המכניקה.
מסההוא רק כמות החומר של משהו, וכאשר מכפילים אותו בתאוצה המקומית בגלל כוח המשיכה, התוצאה היא משקל. לא ניתן להרוס או ליצור מאסה יותר מאפס מאשר אנרגיה.
תְנוּפָההוא תוצר של מסת האובייקט ומהירותו (m ·v). במערכת של שניים או יותר חלקיקים מתנגשים, סך המומנטום של המערכת (סכום הפרט המומנטה של האובייקטים) לעולם לא משתנה כל עוד אין הפסדי חיכוך או יחסי גומלין עם חיצוניים גופים.
מומנטום זוויתי (ל) הוא רק המומנטום סביב ציר של עצם מסתובב, ושווה ל- m ·v · r, כאשר r הוא המרחק מהאובייקט לציר הסיבוב.
אֵנֶרְגִיָהמופיע בצורות רבות, חלקן שימושיות יותר מאחרות. חום, הצורה שבה כל האנרגיה מיועדת בסופו של דבר להתקיים, הוא הכי פחות שימושי מבחינת העמדתו לעבודה שימושית, ובדרך כלל הוא מוצר.
את חוק שימור האנרגיה ניתן לכתוב:
KE + PE + IE = E
איפה KE =אנרגיה קינטית= (1/2) מ 'v2, PE =אנרגיה פוטנציאלית(שווה ל- mזכאשר כוח המשיכה הוא הכוח היחיד הפועל, אך נראה בצורות אחרות), IE = אנרגיה פנימית ו- E = אנרגיה כוללת = קבוע.
- במערכות מבודדות יכולה להיות אנרגיה מכנית המרה לאנרגיית חום בגבולותיהן; אתה יכול להגדיר "מערכת" להיות כל תוכנית שתבחר, כל עוד אתה יכול להיות בטוח במאפיינים הפיזיים שלה. זה לא מפר את חוק שמירת האנרגיה.
טרנספורמציות אנרגיה וצורות אנרגיה
כל האנרגיה ביקום נבעה מהמפץ הגדול, וכמות האנרגיה הכוללת הזו אינה יכולה להשתנות. במקום זאת אנו צופים באנרגיה המשתנה צורות ללא הרף, מאנרגיה קינטית (אנרגיית תנועה) לאנרגיית חום, מאנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית, מאנרגיה פוטנציאלית כבידתית לאנרגיה מכנית וכן הלאה.
דוגמאות להעברת אנרגיה
חום הוא סוג מיוחד של אנרגיה (אנרגיית תרמית) בכך, כאמור, זה פחות שימושי לבני אדם מאשר צורות אחרות.
המשמעות היא שברגע שחלק מהאנרגיה של המערכת הופכת לחום, לא ניתן להחזיר אותה באותה קלות לצורה שימושית יותר ללא קלט של עבודה נוספת, שלוקחת אנרגיה נוספת.
הכמות האכזרית של האנרגיה הקורנת שהשמש מוציאה בכל שנייה ולעולם אינה יכולה להחזיר או לעשות שימוש חוזר עדות עומדת למציאות זו, המתפתחת ללא הרף בכל רחבי הגלקסיה והיקום כ- כֹּל. חלק מאנרגיה זו "נלכדת" בתהליכים ביולוגיים על פני כדור הארץ, כולל פוטוסינתזה ב צמחים, שמייצרים מזון משלהם וכן מספקים מזון (אנרגיה) לבעלי חיים וחיידקים, וכן בקרוב.
ניתן ללכוד אותו גם על ידי מוצרים של הנדסת אנוש, כמו תאים סולאריים.
מעקב אחר שימור אנרגיה
תלמידי פיסיקה בתיכון משתמשים בדרך כלל בתרשימי עוגה או בתרשימי עמודות כדי להציג את האנרגיה הכוללת של המערכת הנחקרת וכדי לעקוב אחר השינויים בה.
מכיוון שכמות האנרגיה הכוללת בעוגה (או סכום הגבהים של הסורגים) אינה יכולה להשתנות, ההבדל ב פרוסות או קטגוריות ברים מדגימות כמה מהאנרגיה הכוללת בנקודה מסוימת היא סוג כזה של אנרגיה.
בתרחיש, ניתן להציג תרשימים שונים בנקודות שונות כדי לעקוב אחר שינויים אלה. לדוגמא, שים לב שכמות האנרגיה התרמית כמעט תמיד עולה, מה שמייצג פסולת ברוב המקרים.
לדוגמא, אם אתה זורק כדור בזווית של 45 מעלות, בתחילה כל האנרגיה שלו היא קינטית (כי h = 0), ו ואז בנקודה בה הכדור מגיע לנקודה הגבוהה ביותר שלו, האנרגיה הפוטנציאלית שלו כחלק מכלל האנרגיה היא הֲכִי גָבוֹהַ.
גם כאשר הוא עולה וגם לאחר מכן הוא נופל, חלק מהאנרגיה שלו הופכת לחום כתוצאה מכוחות חיכוך מה אוויר, כך KE + PE אינו נשאר קבוע לאורך כל התרחיש הזה, אלא יורד בעוד האנרגיה הכוללת E עדיין נשארת קבועה.
(הוסף כמה תרשימים לדוגמה עם תרשימי עוגה / עמודות שעוקבים אחר שינויים באנרגיה
דוגמה לקינמטיקה: נפילה חופשית
אם אתה מחזיק כדור באולינג של 1.5 ק"ג מגג 100 מ '(כ 30 קומות) מעל הקרקע, אתה יכול לחשב את האנרגיה הפוטנציאלית שלו בהתחשב בערך שלg = 9.8 m / s2ו- PE = mזh:
(1.5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9.8 \ text {m / s} ^ 2) = 1,470 \ text {Joules (J)}
אם אתה משחרר את הכדור, האנרגיה הקינטית האפסית שלו גדלה יותר ויותר מהר ככל שהכדור נופל ומאיץ. ברגע שהוא מגיע לקרקע, KE חייב להיות שווה לערך PE בתחילת הבעיה, או 1,470 J. ברגע זה,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1.5) v ^ 2
בהנחה שאין אובדן אנרגיה עקב חיכוך, שימור האנרגיה המכנית מאפשר לך לחשבv, שמתברר שכן44.3 מ '/ ש'.
מה עם איינשטיין?
תלמידי פיזיקה עשויים להיות מבולבלים מהמפורסמיםאנרגיה המונית משוואה (E = mc2), תוהה אם הוא מתנגד לחוקשימור אנרגיה(אוֹשימור מסה) מכיוון שזה מרמז שניתן להמיר מסה לאנרגיה ולהיפך.
זה למעשה לא מפר את אף החוק משום שהוא מוכיח שמסה ואנרגיה הם למעשה צורות שונות של אותו דבר. זה בערך כמו למדוד אותם ביחידות שונות לאור הדרישות השונות של מצבים מכניים קלאסיים וקוונטים.
במוות החום של היקום, לפי החוק השלישי של התרמודינמיקה, כל החומר יומר לאנרגיה תרמית. לאחר שהמרת אנרגיה זו הושלמה, לא יכולות להתרחש טרנספורמציות נוספות, לפחות לא ללא אירוע יחיד היפותטי אחר כמו המפץ הגדול.
מכונת התנועה התמידית?
"מכונת תנועה תמידית" (למשל, מטוטלת שמתנדנדת באותה תזמון וטאטא מבלי להאט אי פעם) על כדור הארץ היא בלתי אפשרית בגלל התנגדות אוויר ואובדן אנרגיה נלווים. כדי לשמור על התנהלות הגיזמו תידרש קלט של עבודה חיצונית בשלב כלשהו, ובכך תביס את המטרה.
