Fordi fysikk er studiet av hvordan materie og energi flyter, blirlov om energibesparelseer en nøkkelide for å forklare alt en fysiker studerer, og måten han eller hun går for å studere det på.
Fysikk handler ikke om å huske enheter eller ligninger, men om et rammeverk som styrer hvordan alle partikler oppfører seg, selv om likhetene ikke er tydelige med et øyeblikk.
Den første loven om termodynamikker en omtale av denne energibesparelsesloven når det gjelder varmeenergi: Theindre energiav et system må tilsvare totalen av alt arbeidet som er utført på systemet, pluss eller minus varmen som strømmer inn eller ut av systemet.
Et annet kjent konserveringsprinsipp i fysikk er loven om bevaring av masse; som du vil oppdage, er disse to bevaringslovene - og du vil bli introdusert for to andre også her - nærere beslektet enn det som kommer til syne (eller hjernen).
Newtons lov om bevegelse
Enhver studie av universelle fysiske prinsipper bør støttes av en gjennomgang av de tre grunnleggende bevegelseslover, hamret i form av Isaac Newton for hundrevis av år siden. Disse er:
- Første bevegelseslov (treghetslov):Et objekt med konstant hastighet (eller i ro, hvor v = 0) forblir i denne tilstanden med mindre en ubalansert ekstern kraft virker for å forstyrre den.
- Andre bevegelseslov:En nettokraft (Fnett) virker for å akselerere objekter med masse (m). Akselerasjon (a) er hastigheten på hastighetsendring (v).
- Tredje lov om bevegelse:For hver kraft i naturen eksisterer det en kraft som er lik i størrelse og motsatt i retning.
Konserverte mengder i fysikk
Lovene om bevaring i fysikk gjelder matematisk perfeksjon i bare virkelig isolerte systemer. I hverdagen er slike scenarier sjeldne. Fire konserverte mengder ermasse, energi, momentumogvinkelmoment. De tre siste av disse faller under mekanikkens virkeområde.
Masseer bare mengden materie av noe, og når det multipliseres med lokal akselerasjon på grunn av tyngdekraften, er resultatet vekt. Masse kan ikke mer ødelegges eller opprettes fra bunnen av enn energi kan.
Momentumer produktet av et objekts masse og dets hastighet (m ·v). I et system med to eller flere partikler som kolliderer, blir systemets momentum (summen av individet) gjenstandens momenta) endres aldri så lenge det ikke er friksjonstap eller interaksjoner med ytre kropper.
Vinkelmoment (L) er bare momentum rundt en akse til et roterende objekt, og er lik m ·v · r, hvor r er avstanden fra objektet til rotasjonsaksen.
Energivises i mange former, noen mer nyttige enn andre. Varme, i hvilken form all energi til slutt er bestemt til å eksistere, er minst nyttig når det gjelder å bruke den til nyttig arbeid, og er vanligvis et produkt.
Loven om bevaring av energi kan skrives:
KE + PE + IE = E
hvor KE =kinetisk energi= (1/2) mv2, PE =potensiell energi(lik mgh når tyngdekraften er den eneste kraften som virker, men sett i andre former), IE = indre energi, og E = total energi = en konstant.
- Isolerte systemer kan ha mekanisk energi konvertert til varmeenergi innenfor sine grenser; du kan definere et "system" til å være hvilket som helst oppsett du velger, så lenge du kan være sikker på dets fysiske egenskaper. Dette bryter ikke loven om bevaring av energi.
Energitransformasjoner og energiformer
All energien i universet oppsto fra Big Bang, og den totale energimengden kan ikke endres. I stedet observerer vi energiskiftende former kontinuerlig, fra kinetisk energi (bevegelsesenergi) til varmeenergi, fra kjemisk energi til elektrisk energi, fra gravitasjonspotensial energi til mekanisk energi og så videre.
Eksempler på energioverføring
Varme er en spesiell type energi (Termisk energi) ved at det som nevnt er mindre nyttig for mennesker enn andre former.
Dette betyr at når en del av energien i et system er transformert til varme, kan det ikke like lett returneres til en mer nyttig form uten innspill av tilleggsarbeid, noe som tar ekstra energi.
Den voldsomme mengden strålende energi solen legger ut hvert sekund og kan aldri på noen måte gjenvinne eller gjenbruke et stående testamente til denne virkeligheten, som kontinuerlig utfolder seg over hele galaksen og universet som en hel. Noe av denne energien er "fanget" i biologiske prosesser på jorden, inkludert fotosyntese i planter, som lager sin egen mat i tillegg til å gi mat (energi) til dyr og bakterier, og så videre.
Den kan også fanges opp av produkter fra human engineering, for eksempel solceller.
Sporing av energibesparelse
Fysikkstudenter på videregående skoler bruker vanligvis sektordiagrammer eller søylediagrammer for å vise den totale energien til systemet som studeres og for å spore endringene.
Fordi den totale energimengden i kaken (eller summen av stolpenes høyder) ikke kan endres, er forskjellen i skiver eller stavkategorier viser hvor mye av den totale energien på et gitt punkt er en eller annen form for energi.
I et scenario kan forskjellige diagrammer vises på forskjellige punkter for å spore disse endringene. Vær for eksempel oppmerksom på at mengden termisk energi nesten alltid øker, noe som representerer avfall i de fleste tilfeller.
Hvis du for eksempel kaster en ball i en 45-graders vinkel, er opprinnelig all energien dens kinetisk (fordi h = 0), og så på det punktet hvor ballen når sitt høyeste punkt, er dens potensielle energi som en andel av total energi høyest.
Både når den stiger og etter hvert som den faller, transformeres noe av energien til varme som et resultat av friksjonskrefter fra luft, så KE + PE forblir ikke konstant gjennom hele dette scenariet, men avtar i stedet mens total energi E fortsatt forblir konstant.
(Sett inn noen eksempler på diagrammer med kake- / søylediagrammer som sporer energiforandringer
Kinematikk Eksempel: Fritt fall
Hvis du holder en 1,5 kg bowlingkule fra et tak 100 m (ca. 30 etasjer) over bakken, kan du beregne den potensielle energien gitt at verdien avg = 9,8 m / s2og PE = mgh:
(1.5 \ text {kg}) (100 \ text {m}) (9.8 \ text {m / s} ^ 2) = 1.470 \ text {Joules (J)}
Hvis du slipper ballen, øker dens kinetiske energi raskere og raskere når ballen faller og akselererer. I det øyeblikket den når bakken, må KE være lik verdien av PE i begynnelsen av problemet, eller 1470 J. I dette øyeblikk,
KE = 1470 = \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} (1.5) v ^ 2
Antar du ikke noe energitap på grunn av friksjon, kan bevaring av mekanisk energi gjøre det mulig å beregnev, som viser seg å være44,3 m / s.
Hva med Einstein?
Fysikkstudenter kan være forvirret av den berømtemasse-energi ligning (E = mc2), lurer på om det trosser loven ombevaring av energi(ellerbevaring av masse), siden det innebærer at masse kan konverteres til energi og omvendt.
Det bryter faktisk ikke med noen av lovene fordi det demonstrerer at masse og energi faktisk er forskjellige former for det samme. Det er som å måle dem i forskjellige enheter gitt forskjellige krav til klassiske og kvantemekaniske situasjoner.
I løpet av universets varmedød, ifølge termodynamikkens tredje lov, vil all materie ha blitt omgjort til termisk energi. Når denne energiomdannelsen er fullført, kan det ikke forekomme flere transformasjoner, i det minste ikke uten en annen hypotetisk entallshendelse som Big Bang.
Den evige bevegelsesmaskinen?
En "evighetsmaskin" (f.eks. En pendel som svinger med samme timing og feie uten å bremse noen gang) på jorden er umulig på grunn av luftmotstand og tilhørende energitap. For å holde gizmo i gang vil det kreve innspill fra eksternt arbeid på et tidspunkt, og dermed beseire formålet.