NộI Dung
- Định luật chuyển động của Newton
- Số lượng bảo tồn trong vật lý
- Biến đổi năng lượng và các dạng năng lượng
- Ví dụ về truyền năng lượng
- Theo dõi bảo tồn năng lượng
- Ví dụ động học: Rơi tự do
- Einstein thì sao?
- Máy chuyển động vĩnh viễn?
Bởi vì vật lý là nghiên cứu về cách vật chất và năng lượng chảy, định luật bảo toàn năng lượng là một ý tưởng quan trọng để giải thích tất cả mọi thứ mà một nhà vật lý nghiên cứu, và cách mà anh ta hoặc cô ta nghiên cứu về nó.
Vật lý không phải là để ghi nhớ các đơn vị hoặc phương trình, mà là về một khung chi phối cách tất cả các hạt hoạt động, ngay cả khi những điểm tương đồng không rõ ràng trong nháy mắt.
Định luật đầu tiên của nhiệt động lực học là một sự phục hồi của luật bảo tồn năng lượng này về mặt năng lượng nhiệt: nội lực của một hệ thống phải bằng tổng tất cả các công việc được thực hiện trên hệ thống, cộng hoặc trừ nhiệt lượng truyền vào hoặc ra khỏi hệ thống.
Một nguyên tắc bảo tồn nổi tiếng khác trong vật lý là định luật bảo toàn khối lượng; như bạn phát hiện ra, hai luật bảo tồn này - và bạn cũng sẽ được giới thiệu với hai luật khác ở đây - có liên quan chặt chẽ hơn so với gặp mắt (hoặc não).
Định luật chuyển động của Newton
Bất kỳ nghiên cứu nào về các nguyên tắc vật lý phổ quát đều cần được hỗ trợ bằng cách xem xét ba định luật cơ bản của chuyển động, được Isaac Newton đưa vào hình thức hàng trăm năm trước. Đó là:
Số lượng bảo tồn trong vật lý
Các định luật bảo tồn trong vật lý áp dụng cho sự hoàn hảo toán học chỉ trong các hệ thống thực sự bị cô lập. Trong cuộc sống hàng ngày, những kịch bản như vậy là rất hiếm. Bốn số lượng được bảo tồn là khối lượng, năng lượng, Quán tính và động lượng góc. Ba trong số cuối cùng thuộc về cơ học.
Khối lượng chỉ là lượng vật chất của một thứ gì đó, và khi nhân với gia tốc cục bộ do trọng lực, kết quả là trọng lượng. Khối lượng không thể bị phá hủy hoặc tạo ra từ đầu nhiều hơn năng lượng có thể.
Quán tính là tích của một vật thể và vận tốc của nó (m ·v). Trong một hệ thống gồm hai hoặc nhiều hạt va chạm, tổng động lượng của hệ (tổng mô men riêng của các vật thể) không bao giờ thay đổi miễn là không có tổn thất ma sát hoặc tương tác với các vật thể bên ngoài.
Động lượng góc (L) chỉ là động lượng về một trục của một vật đang quay và bằng m ·v · r, trong đó r là khoảng cách từ vật đến trục quay.
Năng lượng xuất hiện dưới nhiều hình thức, một số hữu ích hơn những hình thức khác. Nhiệt, hình thức trong đó tất cả năng lượng cuối cùng được định sẵn để tồn tại, là ít hữu ích nhất trong việc đưa nó vào công việc hữu ích, và thường là một sản phẩm.
Định luật bảo toàn năng lượng có thể được viết:
KE + PE + IE = E
trong đó KE = động năng = (1/2) mv2, PE = năng lượng tiềm năng (bằng mgh khi trọng lực là lực duy nhất tác dụng, nhưng được thấy ở các dạng khác), IE = năng lượng bên trong và E = tổng năng lượng = một hằng số.
Biến đổi năng lượng và các dạng năng lượng
Tất cả năng lượng trong vũ trụ phát sinh từ Vụ nổ lớn, và tổng lượng năng lượng đó không thể thay đổi. Thay vào đó, chúng ta quan sát các dạng thay đổi năng lượng liên tục, từ động năng (năng lượng chuyển động) sang năng lượng nhiệt, từ năng lượng hóa học sang năng lượng điện, từ năng lượng hấp dẫn đến năng lượng cơ học, v.v.
Ví dụ về truyền năng lượng
Nhiệt là một loại năng lượng đặc biệt (năng lượng nhiệt) trong đó, như đã lưu ý, nó ít hữu ích hơn cho con người so với các hình thức khác.
Điều này có nghĩa là một khi năng lượng của một hệ thống được chuyển thành nhiệt, nó không thể dễ dàng trở lại dạng hữu ích hơn mà không cần đầu vào của công việc bổ sung, cần thêm năng lượng.
Lượng năng lượng tỏa ra dữ dội mà mặt trời phát ra mỗi giây và không bao giờ có thể lấy lại hoặc tái sử dụng là một minh chứng rõ ràng cho thực tế này, nó liên tục xuất hiện trên toàn bộ thiên hà và toàn vũ trụ. Một phần năng lượng này được "thu giữ" trong các quá trình sinh học trên Trái đất, bao gồm quá trình quang hợp ở thực vật, chúng tự tạo thức ăn cũng như cung cấp thức ăn (năng lượng) cho động vật và vi khuẩn, v.v.
Nó cũng có thể bị bắt bởi các sản phẩm kỹ thuật của con người, như pin mặt trời.
Theo dõi bảo tồn năng lượng
Học sinh vật lý trường trung học thường sử dụng biểu đồ hình tròn hoặc biểu đồ thanh để hiển thị tổng năng lượng của hệ thống đang nghiên cứu và để theo dõi các thay đổi của nó.
Bởi vì tổng lượng năng lượng trong chiếc bánh (hoặc tổng chiều cao của các thanh) không thể thay đổi, sự khác biệt về các lát hoặc loại thanh cho thấy tổng năng lượng tại bất kỳ điểm nào là một dạng năng lượng này.
Trong một kịch bản, các biểu đồ khác nhau có thể được hiển thị tại các điểm khác nhau để theo dõi những thay đổi này. Ví dụ, lưu ý rằng lượng năng lượng nhiệt hầu như luôn tăng, đại diện cho chất thải trong hầu hết các trường hợp.
Ví dụ: nếu bạn ném một quả bóng ở góc 45 độ, ban đầu tất cả năng lượng của nó là động năng (vì h = 0), và sau đó tại điểm mà quả bóng đạt đến điểm cao nhất, năng lượng tiềm năng của nó là một phần của tổng năng lượng là cao nhất.
Cả khi nó tăng và sau đó rơi xuống, một phần năng lượng của nó bị biến thành nhiệt do lực ma sát từ không khí, do đó KE + PE không đổi trong suốt kịch bản này, mà thay vào đó giảm trong khi tổng năng lượng E vẫn không đổi .
(Chèn một số sơ đồ ví dụ với biểu đồ hình tròn / thanh theo dõi thay đổi năng lượng
Ví dụ động học: Rơi tự do
Nếu bạn cầm một quả bóng bowling nặng 1,5 kg từ trên sân thượng 100 m (khoảng 30 tầng) trên mặt đất, bạn có thể tính được năng lượng tiềm năng của nó với giá trị là g = 9,8 m / s2 và PE = mgh:
(1,5 kg) (100 m) (9,8 m / s2) = 1.470 Joules (J)
Nếu bạn thả quả bóng, động năng bằng không của nó tăng lên ngày càng nhanh hơn khi quả bóng rơi xuống và tăng tốc. Tại thời điểm nó chạm đất, KE phải bằng giá trị của PE khi bắt đầu sự cố, hoặc 1.470 J. Tại thời điểm này,
KE = 1,470 = (1/2) mv2 = (1/2) (1,5 kg)v2
Giả sử không mất năng lượng do ma sát, bảo toàn năng lượng cơ học cho phép bạn tính toán v, hóa ra là 44,3 m / s.
Einstein thì sao?
Sinh viên vật lý có thể bị nhầm lẫn bởi sự nổi tiếng năng lượng khối phương trình (E = mc2), tự hỏi nếu nó bất chấp luật pháp của bảo toan năng lượng (hoặc là bảo tồn khối lượng), vì nó ngụ ý khối lượng có thể được chuyển đổi thành năng lượng và ngược lại.
Nó không thực sự vi phạm một trong hai luật bởi vì nó chứng minh rằng khối lượng và năng lượng thực sự là những dạng khác nhau của cùng một thứ. Nó giống như đo chúng trong các đơn vị khác nhau do các nhu cầu khác nhau của các tình huống cơ học cổ điển và lượng tử.
Trong cái chết nhiệt của vũ trụ, theo định luật nhiệt động thứ ba, mọi vật chất sẽ được chuyển thành năng lượng nhiệt. Khi quá trình chuyển đổi năng lượng này hoàn tất, không có nhiều biến đổi có thể xảy ra, ít nhất là không có sự kiện đơn lẻ giả định nào khác như Vụ nổ lớn.
Máy chuyển động vĩnh viễn?
Một "cỗ máy chuyển động vĩnh cửu" (ví dụ, một con lắc dao động cùng thời gian và quét mà không bao giờ chậm lại) trên Trái đất là không thể vì sức cản của không khí và tổn thất năng lượng liên quan. Để giữ gizmo tiếp tục sẽ cần một đầu vào của công việc bên ngoài tại một số điểm, do đó đánh bại mục đích.