Conţinut
- Newtons Legile mișcării
- Cantități conservate în fizică
- Transformări de energie și forme de energie
- Exemple de transfer de energie
- Urmărirea conservării energiei
- Exemplu cinematic: cădere liberă
- Ce zici de Einstein?
- Mașina perpetuă a mișcării?
Deoarece fizica este studiul modului în care curge materia și energia, legea conservării energiei este o idee cheie pentru a explica tot ce studiază fizicianul și modul în care el sau ea se ocupă de studierea acestuia.
Fizica nu este despre memorarea unităților sau ecuațiilor, ci despre un cadru care guvernează modul în care se comportă toate particulele, chiar dacă asemănările nu sunt evidente dintr-o privire.
Prima lege a termodinamicii este o retratare a acestei legi de conservare a energiei din punct de vedere al energiei termice: energie interna a unui sistem trebuie să egaleze totalul lucrărilor efectuate pe sistem, plus sau minus căldura care curge în sau în afara sistemului.
Un alt principiu de conservare bine cunoscut în fizică este legea conservării masei; după cum veți descoperi, aceste două legi de conservare - și veți fi introduse și altor două aici - sunt mai strâns legate decât întâlnesc ochiul (sau creierul).
Newtons Legile mișcării
Orice studiu al principiilor fizice universale ar trebui să fie susținut de o revizuire a celor trei legi fundamentale ale mișcării, în formă de Isaac Newton în urmă cu sute de ani. Acestea sunt:
Cantități conservate în fizică
Legile conservării în fizică se aplică perfecțiunii matematice numai în sisteme cu adevărat izolate. În viața de zi cu zi, astfel de scenarii sunt rare. Patru cantități conservate sunt masa, energie, impuls și impuls unghiular. Ultimele trei dintre acestea intră în viziunea mecanicii.
Masa este doar cantitatea de materie de ceva, iar atunci când este înmulțit cu accelerația locală datorată gravitației, rezultatul este greutatea. Masa nu mai poate fi distrusă sau creată de la zero decât energia.
Impuls este produsul unei mase a obiectelor și viteza lui (m ·v). Într-un sistem format din două sau mai multe particule de coliziune, impulsul total al sistemului (suma momentului individual al obiectelor) nu se schimbă niciodată, atâta timp cât nu există pierderi de fricțiune sau interacțiuni cu corpurile externe.
Impuls unghiular (L) este doar impulsul unei axe a unui obiect rotativ și este egal cu m ·v · r, unde r este distanța de la obiect la axa de rotație.
Energie apare sub multe forme, unele mai utile decât altele. Căldura, forma în care toată energia este destinată să existe în cele din urmă, este cea mai puțin utilă din punct de vedere al utilizării sale și este de obicei un produs.
Legea conservării energiei poate fi scrisă:
KE + PE + IE = E
unde KE = energie kinetică = (1/2) mv2, PE = energie potențială (egal cu mgh când gravitația este singura forță care acționează, dar se vede în alte forme), IE = energie internă, și E = energie totală = o constantă.
Transformări de energie și forme de energie
Toată energia din univers a apărut din Big Bang și acea cantitate totală de energie nu se poate schimba. În schimb, observăm formele care schimbă energia continuu, de la energia cinetică (energia mișcării) la energia termică, de la energia chimică la energia electrică, de la energia potențială gravitațională la energia mecanică ș.a.
Exemple de transfer de energie
Căldura este un tip special de energie (energie termală) în sensul că, după cum sa menționat, este mai puțin util pentru oameni decât alte forme.
Aceasta înseamnă că, odată ce o parte a energiei unui sistem este transformată în căldură, nu poate fi returnată la fel de ușor la o formă mai utilă fără introducerea unei lucrări suplimentare, care necesită energie suplimentară.
Cantitatea feroce de energie radiantă pe care soarele o expiră în fiecare secundă și nu poate în niciun fel să recupereze sau să reutilizeze este un testament permanent al acestei realități, care se desfășoară continuu în toată galaxia și universul în ansamblu. O parte din această energie este „captată” în procesele biologice de pe Pământ, inclusiv fotosinteza în plante, care fac propriile lor alimente, precum și furnizează hrană (energie) pentru animale și bacterii, etc.
Poate fi capturat și de produse de inginerie umană, cum ar fi celulele solare.
Urmărirea conservării energiei
Studenții de fizică din liceu folosesc de obicei grafice sau plăci grafice pentru a arăta energia totală a sistemului studiat și pentru a urmări modificările acestuia.
Deoarece cantitatea totală de energie din plăcintă (sau suma înălțimilor barelor) nu se poate modifica, diferența între felii sau categorii de bare demonstrează cât din energia totală la un moment dat este o formă de energie sau alta.
Într-un scenariu, diagramele diferite pot fi afișate în diferite puncte pentru a urmări aceste modificări. De exemplu, rețineți că cantitatea de energie termică aproape întotdeauna crește, reprezentând deșeurile în majoritatea cazurilor.
De exemplu, dacă aruncați o minge la un unghi de 45 de grade, inițial toată energia ei este cinetică (deoarece h = 0), iar apoi în punctul în care mingea atinge punctul cel mai înalt, energia potențială a acesteia este o pondere de energia totală este cea mai mare.
Atât pe măsură ce crește, cât și pe măsură ce scade ulterior, o parte din energia sa este transformată în căldură ca urmare a forțelor de frecare din aer, deci KE + PE nu rămâne constant pe tot acest scenariu, ci în schimb scade în timp ce energia totală E rămâne constantă .
(Inserați câteva diagrame de exemplu cu diagrame plăcuțe / bare urmărind modificările energetice
Exemplu cinematic: cădere liberă
Dacă țineți o minge de bowling de 1,5 kg de la un acoperiș la 100 m (aproximativ 30 de etaje) deasupra solului, puteți calcula energia potențială a acestuia, având în vedere că valoarea de g = 9,8 m / s2 și PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 Joule (J)
Dacă eliberezi mingea, energia sa cinetică zero crește din ce în ce mai rapid pe măsură ce mingea cade și accelerează. În momentul în care ajunge la sol, KE trebuie să fie egală cu valoarea PE la începutul problemei sau 1.470 J. În acest moment,
KE = 1.470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Presupunând că nu există pierderi de energie din cauza frecării, conservarea energiei mecanice vă permite să calculați v, care se dovedește a fi 44,3 m / s.
Ce zici de Einstein?
Studenții de fizică ar putea fi confundați de celebrul mass-energie ecuaţie (E = mc2), întrebându-se dacă sfidează legea din conservarea Energiei (sau conservarea masei), deoarece implică că masa poate fi transformată în energie și invers.
Nu încalcă de fapt niciuna dintre legi, deoarece demonstrează că masa și energia sunt de fapt diferite forme ale aceluiași lucru. Este asemănător cu măsurarea lor în diferite unități, având în vedere cerințele diferite ale situațiilor mecanicii cuantice și clasice.
În moartea prin căldură a universului, după a treia lege a termodinamicii, toată materia va fi fost transformată în energie termică. Odată ce această conversie a energiei este completă, nu se pot produce mai multe transformări, cel puțin nu fără un alt eveniment ipotetic singular, precum Big Bang.
Mașina perpetuă a mișcării?
O „mașină de mișcare perpetuă” (de exemplu, un pendul care se balansează cu aceeași sincronizare și măturare fără a încetini vreodată) pe Pământ este imposibilă din cauza rezistenței aerului și a pierderilor de energie asociate. Pentru a menține dispozitivul este nevoie de o contribuție externă la un moment dat, înfrângând astfel scopul.