Inhoud
- Newtons bewegingswetten
- Geconserveerde hoeveelheden in de natuurkunde
- Energietransformaties en vormen van energie
- Voorbeelden van energieoverdracht
- Volgen van energiebesparing
- Kinematica Voorbeeld: vrije val
- Hoe zit het met Einstein?
- De Perpetual Motion Machine?
Omdat natuurkunde de studie is van hoe materie en energie stromen, de wet van behoud van energie is een belangrijk idee om alles uit te leggen wat een natuurkundige bestudeert, en de manier waarop hij of zij dit onderzoek doet.
Natuurkunde gaat niet over het onthouden van eenheden of vergelijkingen, maar over een raamwerk dat bepaalt hoe alle deeltjes zich gedragen, zelfs als de overeenkomsten in één oogopslag niet duidelijk zijn.
De eerste wet van de thermodynamica is een herformulering van deze energiebesparingwet in termen van warmte-energie: de interne energie van een systeem moet gelijk zijn aan het totaal van al het werk dat op het systeem is uitgevoerd, plus of min de warmte die in of uit het systeem stroomt.
Een ander bekend behoudsprincipe in de natuurkunde is de wet van behoud van massa; zoals u zult ontdekken, zijn deze twee behoudswetten - en u zult hier ook aan twee anderen worden voorgesteld - nauwer verwant dan op het oog (of de hersenen) lijkt.
Newtons bewegingswetten
Elke studie van universele fysische principes moet worden ondersteund door een herziening van de drie fundamentele bewegingswetten, honderden jaren geleden in vorm gehamerd door Isaac Newton. Dit zijn:
Geconserveerde hoeveelheden in de natuurkunde
De natuurbeschermingswetten zijn van toepassing op wiskundige perfectie in alleen echt geïsoleerde systemen. In het dagelijks leven zijn dergelijke scenario's zeldzaam. Vier geconserveerde hoeveelheden zijn massa, energie, stuwkracht en impulsmoment. De laatste drie hiervan vallen onder de bevoegdheid van monteurs.
Massa is gewoon de hoeveelheid materie van iets, en wanneer vermenigvuldigd met de lokale versnelling vanwege de zwaartekracht, is het resultaat gewicht. Massa kan niet meer worden vernietigd of vanuit het niets worden gecreëerd dan energie.
stuwkracht is het product van een objectenmassa en zijn snelheid (m ·v). In een systeem van twee of meer botsende deeltjes verandert het totale momentum van het systeem (de som van de individuele momenta van de objecten) nooit zolang er geen wrijvingsverliezen of interacties met externe lichamen zijn.
Hoekig momentum (L) is gewoon het momentum rond een as van een roterend object en is gelijk aan m ·v • r, waarbij r de afstand is van het object tot de rotatieas.
Energie verschijnt in vele vormen, sommige nuttiger dan andere. Warmte, de vorm waarin uiteindelijk alle energie is bestemd om te bestaan, is het minst nuttig om het nuttig te maken en is meestal een product.
De wet van behoud van energie kan worden geschreven:
KE + PE + IE = E
waar KE = kinetische energie = (1/2) mv2, PE = potentiële energie (gelijk aan mgh wanneer zwaartekracht de enige werkende kracht is, maar in andere vormen wordt gezien), IE = interne energie en E = totale energie = een constante.
Energietransformaties en vormen van energie
Alle energie in het universum kwam voort uit de oerknal en die totale hoeveelheid energie kan niet veranderen. In plaats daarvan observeren we continu veranderende vormen van energie, van kinetische energie (bewegingsenergie) tot warmte-energie, van chemische energie tot elektrische energie, van potentiële zwaartekrachtenergie tot mechanische energie enzovoort.
Voorbeelden van energieoverdracht
Warmte is een speciaal soort energie (thermische energie) dat het, zoals opgemerkt, minder nuttig is voor mensen dan andere vormen.
Dit betekent dat wanneer een deel van de energie van een systeem wordt omgezet in warmte, het niet zo gemakkelijk kan worden teruggebracht naar een nuttiger vorm zonder de invoer van extra werk, dat extra energie kost.
De woeste hoeveelheid stralende energie die de zon elke seconde uitstraalt en die op geen enkele manier kan worden teruggevorderd of hergebruikt, is een blijvend bewijs van deze realiteit, die zich voortdurend in het hele universum en het universum ontvouwt. Een deel van deze energie wordt "gevangen" in biologische processen op aarde, waaronder fotosynthese in planten, die hun eigen voedsel maken en voedsel (energie) leveren voor dieren en bacteriën, enzovoort.
Het kan ook worden vastgelegd door producten van menselijke engineering, zoals zonnecellen.
Volgen van energiebesparing
Studenten natuurkunde op de middelbare school gebruiken meestal cirkeldiagrammen of staafdiagrammen om de totale energie van het te bestuderen systeem weer te geven en de veranderingen bij te houden.
Omdat de totale hoeveelheid energie in de taart (of de som van de hoogten van de staven) niet kan veranderen, laat het verschil in segmenten of reepcategorieën zien hoeveel van de totale energie op een bepaald punt een of andere vorm van energie is.
In een scenario kunnen verschillende grafieken op verschillende punten worden getoond om deze veranderingen te volgen. Merk bijvoorbeeld op dat de hoeveelheid thermische energie bijna altijd toeneemt, wat in de meeste gevallen afval betekent.
Als u bijvoorbeeld een bal in een hoek van 45 graden gooit, is in eerste instantie alle energie kinetisch (omdat h = 0) en vervolgens op het punt waarop de bal het hoogste punt bereikt, de potentiële energie als een aandeel van totale energie is het hoogst.
Zowel als het stijgt en als het vervolgens daalt, wordt een deel van zijn energie omgezet in warmte als gevolg van wrijvingskrachten uit de lucht, dus KE + PE blijft niet constant in dit scenario, maar neemt in plaats daarvan af terwijl de totale energie E nog steeds constant blijft .
(Voeg enkele voorbeelddiagrammen in met taart- / staafdiagrammen die energieveranderingen volgen
Kinematica Voorbeeld: vrije val
Als je een bowlingbal van 1,5 kg vanaf een dak op 100 m (ongeveer 30 verdiepingen) boven de grond houdt, kun je de potentiële energie ervan berekenen, gegeven de waarde van g = 9,8 m / s2 en PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 joules (J)
Als je de bal loslaat, neemt zijn nul-kinetische energie steeds sneller toe naarmate de bal valt en versnelt. Op het moment dat het de grond bereikt, moet KE gelijk zijn aan de waarde van PE aan het begin van het probleem, of 1.470 J. Op dit moment,
KE = 1.470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Ervan uitgaande dat er geen energieverlies door wrijving is, kunt u met het behoud van mechanische energie berekenen v, wat blijkt te zijn 44,3 m / s.
Hoe zit het met Einstein?
Studenten natuurkunde kunnen in de war raken door de beroemdheden massa-energie vergelijking (E = mc2), zich afvragend of het de wet van tart behoud van energie (of behoud van massa), omdat het inhoudt dat massa kan worden omgezet in energie en vice versa.
Het schendt eigenlijk geen van beide wet omdat het aantoont dat massa en energie eigenlijk verschillende vormen van hetzelfde zijn. Het is alsof je ze in verschillende eenheden meet, gezien de verschillende eisen van klassieke en kwantummechanische situaties.
In de warmtedood van het universum zal volgens de derde wet van de thermodynamica alle materie zijn omgezet in thermische energie. Zodra deze energieconversie is voltooid, kunnen er geen transformaties meer plaatsvinden, althans niet zonder een andere hypothetische enkelvoudige gebeurtenis zoals de oerknal.
De Perpetual Motion Machine?
Een "eeuwigdurende bewegingsmachine" (bijvoorbeeld een slinger die met dezelfde timing en zwaai zwaait zonder ooit te vertragen) op aarde is onmogelijk vanwege luchtweerstand en bijbehorende energieverliezen. Om het gizmo in stand te houden, zou op een bepaald moment input van extern werk nodig zijn, wat het doel zou verslaan.