Содержание
- Ньютоновские законы движения
- Сохраненные количества в физике
- Энергетические преобразования и формы энергии
- Примеры передачи энергии
- Отслеживание энергосбережения
- Пример кинематики: свободное падение
- Как насчет Эйнштейна?
- Машина вечного движения?
Поскольку физика - это изучение того, как материя и поток энергии, закон сохранения энергии является ключевой идеей для объяснения всего, что изучает физик, и того, как он или она изучает его.
Физика не о запоминании единиц или уравнений, а о структуре, которая управляет поведением всех частиц, даже если сходство не очевидно с первого взгляда.
Первый закон термодинамики является повторением этого закона сохранения энергии с точки зрения тепловой энергии: внутренняя энергия системы должна равняться сумме всей работы, выполненной в системе, плюс или минус тепло, поступающее в систему или из нее.
Другим известным в физике принципом сохранения является закон сохранения массы; как вы обнаружите, эти два закона сохранения - и вы познакомитесь с двумя другими здесь - также более тесно связаны, чем кажется на первый взгляд (или мозг).
Ньютоновские законы движения
Любое изучение универсальных физических принципов должно быть подкреплено обзором трех основных законов движения, придуманных Исааком Ньютоном сотни лет назад. Это:
Сохраненные количества в физике
Законы сохранения в физике применимы к математическому совершенству только в действительно изолированных системах. В повседневной жизни такие сценарии встречаются редко. Четыре консервативных количества масса, энергия, импульс а также угловой момент, Последние три из них подпадают под компетенцию механики.
масса это просто количество вещества чего-то, и если умножить на локальное ускорение под действием силы тяжести, то получится вес. Масса не может быть уничтожена или создана с нуля больше, чем энергия.
инерция произведение массы объекта на его скорость (м · сv). В системе из двух или более сталкивающихся частиц суммарный импульс системы (сумма отдельных импульсов объектов) никогда не изменяется, пока нет потерь на трение или взаимодействия с внешними телами.
Угловой момент (L) - это просто импульс вокруг оси вращающегося объекта, равный м ·v · ггде r - расстояние от объекта до оси вращения.
энергии появляется во многих формах, некоторые более полезны, чем другие. Тепло, форма, в которой в конечном итоге суждено существовать всей энергии, наименее полезно с точки зрения ее полезной работы и обычно является продуктом.
Закон сохранения энергии можно записать так:
KE + PE + IE = E
где КЕ = кинетическая энергия = (1/2) мv2, PE = потенциальная энергия (равно мграммh когда сила тяжести является единственной действующей силой, но видна в других формах), IE = внутренняя энергия, а E = полная энергия = постоянная.
Энергетические преобразования и формы энергии
Вся энергия во вселенной возникла из Большого взрыва, и это общее количество энергии не может измениться. Вместо этого мы наблюдаем постоянное изменение форм энергии: от кинетической энергии (энергии движения) до тепловой энергии, от химической энергии до электрической энергии, от потенциальной гравитационной энергии до механической энергии и так далее.
Примеры передачи энергии
Тепло - это особый вид энергии (тепловая энергияв том, что, как отмечалось, он менее полезен для человека, чем другие формы.
Это означает, что, как только часть энергии системы преобразуется в тепло, она не может быть легко возвращена в более полезную форму без дополнительной работы, которая требует дополнительной энергии.
Свирепое количество лучистой энергии, которое солнце излучает каждую секунду и никогда не сможет никоим образом восстановить или повторно использовать, является постоянным свидетельством этой реальности, которая постоянно разворачивается по всей галактике и вселенной в целом. Часть этой энергии «захватывается» в биологических процессах на Земле, включая фотосинтез в растениях, которые производят свою собственную пищу, а также обеспечивают пищу (энергию) для животных и бактерий и так далее.
Это может также быть захвачено продуктами человеческого развития, такими как солнечные элементы.
Отслеживание энергосбережения
Старшеклассники-физики обычно используют круговые диаграммы или гистограммы, чтобы показать полную энергию изучаемой системы и отследить ее изменения.
Поскольку общее количество энергии в круговой диаграмме (или сумма высот столбцов) не может измениться, разница в срезах или категориях столбцов показывает, сколько общей энергии в любой данной точке является той или иной формой энергии.
В сценарии могут отображаться разные диаграммы в разных точках для отслеживания этих изменений. Например, обратите внимание, что количество тепловой энергии почти всегда увеличивается, представляя собой отходы в большинстве случаев.
Например, если вы бросаете мяч под углом 45 градусов, первоначально вся его энергия является кинетической (потому что h = 0), а затем в точке, в которой шар достигает своей наивысшей точки, его потенциальная энергия как доля общая энергия самая высокая.
Как при повышении, так и при последующем падении часть его энергии превращается в тепло в результате действия сил трения от воздуха, поэтому KE + PE не остается постоянным на протяжении всего этого сценария, а вместо этого уменьшается, в то время как общая энергия E все еще остается постоянной ,
(Вставьте несколько примеров диаграмм с круговыми / гистограммами, отслеживающими изменения энергии
Пример кинематики: свободное падение
Если вы держите шар для боулинга весом 1,5 кг с крыши на высоте 100 м (около 30 этажей) над землей, вы можете рассчитать его потенциальную энергию, учитывая, что значение г = 9,8 м / с2 и PE = мграммчас:
(1,5 кг) (100 м) (9,8 м / с2) = 1,470 джоулей (J),
Если вы отпустите шар, его нулевая кинетическая энергия увеличивается все быстрее и быстрее, когда шар падает и ускоряется. В тот момент, когда он достигает земли, KE должно быть равно значению PE в начале проблемы или 1470 Дж. В этот момент
КЕ = 1470 = (1/2) мv2 = (1/2) (1,5 кг)v2
При условии отсутствия потерь энергии из-за трения, сохранение механической энергии позволяет рассчитать v, который оказывается 44,3 м / с.
Как насчет Эйнштейна?
Студенты-физики могут быть смущены знаменитыми масса-энергия уравнение (E = mc2) интересно, не противоречит ли это закону сохранение энергии (или же сохранение массы), поскольку это означает, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.
На самом деле он не нарушает ни один из законов, потому что демонстрирует, что масса и энергия на самом деле являются разными формами одного и того же. Это все равно, что измерять их в разных единицах, учитывая разные требования ситуаций классической и квантовой механики.
В тепловой смерти вселенной, согласно третьему закону термодинамики, вся материя будет преобразована в тепловую энергию. Как только это преобразование энергии завершено, больше не может происходить никаких преобразований, по крайней мере, без другого гипотетического единичного события, такого как Большой взрыв.
Машина вечного движения?
«Вечный двигатель» (например, маятник, который качается с одинаковыми сроками и колебаниями без замедления) на Земле невозможен из-за сопротивления воздуха и связанных с этим потерь энергии. Чтобы поддерживать работу штуковины, в какой-то момент потребовалось бы заняться внешней работой, что нанесло бы ущерб цели.