Kadangi fizika yra tyrimas, kaip materija ir energija teka,energijos išsaugojimo dėsnisyra pagrindinė mintis paaiškinti viską, ko studijuoja fizikas, ir būdą, kuriuo jis pats mokosi.
Fizikoje kalbama ne apie vienetų ar lygčių įsiminimą, bet apie sistemą, kuri valdo visų dalelių elgesį, net jei panašumai nėra akivaizdūs iš pirmo žvilgsnio.
Pirmasis termodinamikos dėsnisyra šio energijos taupymo įstatymo pakartojimas, kalbant apie šilumos energiją:vidinė energijasistemos vertė turi būti lygi viso atlikto darbo sistemai sumai, pridėjus arba atėmus į sistemą ar iš jos tekančią šilumą.
Kitas gerai žinomas fizikos išsaugojimo principas yra masės išsaugojimo dėsnis; kaip atrasite, šie du gamtosaugos dėsniai - ir čia pat supažindinsite su dviem kitais - yra glaudžiau susiję nei atrodo akimis (ar smegenimis).
Niutono judesio dėsniai
Bet koks visuotinių fizinių principų tyrimas turėtų būti paremtas trijų pagrindinių judesio dėsnių apžvalga, kurią prieš šimtus metų įformino Isaacas Newtonas. Šitie yra:
- Pirmasis judesio dėsnis (inercijos dėsnis):Objektas su pastoviu greičiu (arba ramybės būsenoje, kur v = 0) išlieka šioje būsenoje, nebent nesubalansuota išorinė jėga jį sutrikdytų.
- Antrasis judesio dėsnis:Grynoji jėga (Fneto) veikia pagreitinti objektus, kurių masė (m). Pagreitis (a) yra greičio (v) pokyčio greitis.
- Trečiasis judėjimo dėsnis:Kiekvienai gamtoje esančiai jėgai yra jėga, vienodo dydžio ir priešinga krypčiai.
Konservuoti fizikos kiekiai
Fizikos išsaugojimo dėsniai taikomi matematiniam tobulumui tik iš tikrųjų izoliuotose sistemose. Kasdieniniame gyvenime tokie scenarijai yra reti. Keturi konservuoti kiekiai yramasės, energijos, pagreitįirkampinis pagreitis. Paskutiniai trys iš jų priklauso mechanikos kompetencijai.
Mišiosyra tik kažko materijos kiekis, o padauginus iš vietinio pagreičio dėl gravitacijos, rezultatas yra svoris. Mišios negali būti sunaikintos ar sukurtos nuo nulio daugiau nei energija.
Pagreitisyra objekto masės ir jo greičio sandauga (m ·v). Dviejų ar daugiau susiduriančių dalelių sistemoje bendras sistemos impulsas (individo suma) objektų momentai) niekada nesikeičia tol, kol nėra trinties nuostolių ar sąveikos su išoriniais kūnai.
Kampinis pagreitis (L) yra tik impulsas aplink besisukančio objekto ašį ir yra lygus m ·v · r, kur r yra atstumas nuo objekto iki sukimosi ašies.
Energijapasirodo įvairiais pavidalais, vieni naudingesni už kitus. Šiluma, tokia forma, kurioje galiausiai yra numatyta visa energija, yra mažiausiai naudinga, norint ją panaudoti, ir paprastai yra produktas.
Energijos išsaugojimo įstatymas gali būti parašytas:
KE + PE + IE = E
kur KE =kinetinė energija= (1/2) mv2, PE =potencinė energija(lygus mgh kai gravitacija yra vienintelė veikianti jėga, bet matoma kitomis formomis), IE = vidinė energija ir E = bendra energija = konstanta.
- Izoliuotose sistemose mechaninė energija gali būti paversta šilumos energija jų ribose; „sistemą“ galite apibrėžti kaip bet kurią pasirinktą sąranką, jei tik galite būti tikri dėl jos fizinių savybių. Tai nepažeidžia energijos įstatymų išsaugojimo.
Energijos transformacijos ir energijos formos
Visa visatos energija atsirado iš Didžiojo sprogimo, ir tas bendras energijos kiekis negali pasikeisti. Vietoj to, mes nuolat stebime besikeičiančias energijos formas - nuo kinetinės energijos (judesio energijos) iki šilumos energijos, nuo cheminės energijos iki elektros energijos, nuo gravitacinės potencialios energijos iki mechaninės energijos ir pan.
Energijos perdavimo pavyzdžiai
Šiluma yra ypatinga energijos rūšis (šiluminė energija) tuo, kad, kaip pažymėta, jis yra mažiau naudingas žmonėms nei kitos formos.
Tai reiškia, kad kai dalis sistemos energijos paverčiama šiluma, jos negalima taip lengvai grąžinti į naudingesnę formą be papildomo darbo, kuris užima papildomą energiją.
Įnirtingas spinduliuojančios energijos kiekis, kurį saulė praleidžia kiekvieną sekundę ir niekada negali jo panaudoti ar pakartotinai naudoti nuolatinis šios realybės, kuri nuolat atsiskleidžia visoje galaktikoje ir visatoje, liudijimas kaip a visas. Dalis šios energijos yra „pagauta“ biologiniuose procesuose Žemėje, įskaitant fotosintezę augalai, kurie patys gamina maistą, taip pat teikia maistą (energiją) gyvūnams ir bakterijoms, ir taip toliau.
Jį taip pat gali užfiksuoti žmogaus inžinerijos produktai, pavyzdžiui, saulės elementai.
Energijos taupymo stebėjimas
Vidurinių mokyklų fizikos studentai dažniausiai naudoja skritulines diagramas arba juostines diagramas, kad parodytų bendrą tiriamos sistemos energiją ir stebėtų jos pokyčius.
Kadangi bendras pyrago energijos kiekis (arba juostų aukščių suma) negali pasikeisti, skirtumas griežinėliais arba juostų kategorijomis parodoma, kiek visos energijos bet kuriuo momentu sudaro viena ar kita energijos forma.
Pagal scenarijų gali būti rodomos skirtingos diagramos skirtinguose taškuose, kad būtų galima stebėti šiuos pokyčius. Pavyzdžiui, atkreipkite dėmesį, kad šiluminės energijos kiekis beveik visada didėja, daugeliu atvejų tai yra atliekos.
Pvz., Jei mesiate kamuolį 45 laipsnių kampu, iš pradžių visa jo energija yra kinetinė (nes h = 0) ir tada taške, kuriame rutulys pasiekia aukščiausią tašką, jo potenciali energija, kaip visos energijos dalis, yra aukščiausias.
Tiek kylant, tiek vėliau krintant, dalis energijos virsta šiluma dėl trinties jėgų iš oro, taigi KE + PE šiame scenarijuje nelieka pastovus, o sumažėja, o bendra energija E vis tiek išlieka pastovi.
(Įterpkite keletą diagramų pavyzdžių su pyragų / juostų diagramomis, stebinčiomis energijos pokyčius
Kinematikos pavyzdys: laisvas kritimas
Jei laikote 1,5 kg boulingo kamuolį nuo 100 m (apie 30 aukštų) stogo virš žemės, galite apskaičiuoti jo potencialią energiją, atsižvelgdami į tai, kadg = 9,8 m / s2ir PE = mgh:
(1,5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9,8 \ text {m / s} ^ 2) = 1 470 \ text {Džauliai (J)}
Jei atleisite kamuolį, jo nulinė kinetinė energija didėja vis greičiau, kamuoliukui krentant ir greitėjant. Tuo metu, kai jis pasiekia žemę, KE turi būti lygus PE vertei problemos pradžioje arba 1470 J. Šiuo momentu,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1,5) v ^ 2
Darant prielaidą, kad nėra energijos nuostolių dėl trinties, mechaninės energijos išsaugojimas leidžia apskaičiuotiv, kuris pasirodo esąs44,3 m / s.
O kaip su Einšteinu?
Fizikos studentus garsusis gali supainiotimasė-energija lygtis (E = mc2), norėdamas sužinoti, ar tai nepaisoenergijos taupymas(arbamasės išsaugojimas), nes tai reiškia, kad masė gali būti paversta energija ir atvirkščiai.
Tai iš tikrųjų nepažeidžia nė vieno įstatymo, nes parodo, kad masė ir energija iš tikrųjų yra skirtingos to paties dalyko formos. Tai tarsi panašu į jų matavimą skirtingais vienetais, atsižvelgiant į skirtingus klasikinės ir kvantinės mechanikos situacijų reikalavimus.
Visatos mirties mirties metu pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį visos materijos bus paverstos šilumine energija. Kai ši energijos konversija bus baigta, daugiau transformacijų nebegali įvykti, bent jau be kito hipotetinio pavienio įvykio, pavyzdžiui, Didžiojo sprogimo.
Amžinasis judesio aparatas?
„Amžinasis judesio aparatas“ (pvz., Švytuoklė, siūbuojanti tuo pačiu laiku ir šluojanti niekada nesulėtindama greičio) Žemėje neįmanoma dėl oro pasipriešinimo ir su tuo susijusių energijos nuostolių. Norint išlaikyti gizmo judėjimą, tam tikru momentu reikės įdėti išorinį darbą ir taip sugriauti tikslą.