المحتوى
- قوانين نيوتن للحركة
- الكميات المحفوظة في الفيزياء
- تحويلات الطاقة وأشكال الطاقة
- أمثلة على نقل الطاقة
- تتبع الحفاظ على الطاقة
- الحركية مثال: السقوط الحر
- ماذا عن أينشتاين؟
- آلة الحركة الدائمة؟
لأن الفيزياء هي دراسة لكيفية تدفق المواد والطاقة قانون حفظ الطاقة هي فكرة أساسية لشرح كل شيء يدرسه الفيزيائي ، والطريقة التي يتبعها هو أو هي في دراستها.
لا تتعلق الفيزياء بحفظ الوحدات أو المعادلات ، بل تتعلق بإطار عمل يحكم كيفية تصرف جميع الجسيمات ، حتى لو لم تكن أوجه التشابه واضحة في لمحة.
أول قانون للديناميكا الحرارية هو إعادة صياغة لقانون الحفاظ على الطاقة من حيث الطاقة الحرارية: الطاقة الداخلية يجب أن يساوي نظام ما إجمالي العمل المنجز على النظام ، زائد أو ناقص الحرارة المتدفقة داخل أو خارج النظام.
مبدأ الحفظ المعروف الآخر في الفيزياء هو قانون الحفاظ على الكتلة ؛ كما ستكتشف ، فإن قانوني الحفظ هذين - وسيتم تعريفك بقوانين أخرى هنا - يرتبطان ارتباطًا وثيقًا أكثر من التقاء العين (أو الدماغ).
قوانين نيوتن للحركة
يجب دعم أي دراسة للمبادئ الفيزيائية العالمية من خلال مراجعة قوانين الحركة الأساسية الثلاثة ، التي تم التوصل إليها من قبل إسحاق نيوتن منذ مئات السنين. وهذه هي:
الكميات المحفوظة في الفيزياء
تنطبق قوانين الحفظ في الفيزياء على الكمال الرياضي في الأنظمة المعزولة فقط. في الحياة اليومية ، مثل هذه السيناريوهات نادرة. أربع كميات محفوظة كتلة, طاقة, قوة الدفع و الزخم الزاوي. الثلاثة الأخيرة من هذه تندرج تحت اختصاص الميكانيكا.
كتلة هو مجرد مقدار المسألة ، وعندما تضربها التسارع المحلي بسبب الجاذبية ، تكون النتيجة هي الوزن. لا يمكن تدمير أو إنشاء الكتلة من الصفر أكثر من الطاقة.
قوة الدفع هو نتاج كتلة الأجسام وسرعتها (m ·الخامس). في نظام مكون من جسيمين أو أكثر من الاصطدامات ، لا يتغير إجمالي زخم النظام (مجموع الزخم الفردي للكائنات) طالما لا توجد خسائر احتكاكية أو تفاعلات مع أجسام خارجية.
الزخم الزاوي (L) هو مجرد زخم حول محور جسم دوار ، ويساوي m ·ع · صحيث r هي المسافة من الكائن إلى محور الدوران.
طاقة يظهر في أشكال كثيرة ، بعضها أكثر فائدة من غيرها. تعتبر الحرارة ، وهي الشكل الذي يوجد به كل الطاقة في النهاية ، أقل فائدة من حيث وضعها في عمل مفيد ، وعادة ما تكون منتجًا.
يمكن كتابة قانون الحفاظ على الطاقة:
KE + PE + IE = E
حيث KE = الطاقة الحركية = (1/2) مالخامس2، PE = الطاقة الكامنة (يساوي مزh عندما تكون الجاذبية هي القوة الوحيدة المؤثرة ، ولكن تظهر في أشكال أخرى) ، IE = طاقة داخلية ، و E = إجمالي الطاقة = ثابت.
تحويلات الطاقة وأشكال الطاقة
نشأت كل الطاقة في الكون من الانفجار الكبير ، ولا يمكن تغيير إجمالي كمية الطاقة. بدلاً من ذلك ، نلاحظ استمرارًا في تغيير أشكال الطاقة ، من الطاقة الحركية (طاقة الحركة) إلى الطاقة الحرارية ، من الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الكهربائية ، ومن طاقة الجاذبية المحتملة إلى الطاقة الميكانيكية وما إلى ذلك.
أمثلة على نقل الطاقة
الحرارة هي نوع خاص من الطاقة (طاقة حرارية) في ذلك ، كما لوحظ ، فإنه أقل فائدة للبشر من الأشكال الأخرى.
هذا يعني أنه بمجرد تحويل جزء من طاقة النظام إلى حرارة ، لا يمكن إعادته بسهولة إلى شكل أكثر فائدة دون إدخال عمل إضافي ، والذي يستهلك طاقة إضافية.
إن الكمية الشرسة من الطاقة الإشعاعية التي تطلقها الشمس كل ثانية ولا يمكن أبدًا أن تستعيدها أو تعيد استخدامها هي شهادة دائمة على هذا الواقع ، الذي يتكشف باستمرار في جميع أنحاء المجرة والكون ككل. يتم "الاستيلاء" على بعض هذه الطاقة في العمليات البيولوجية على الأرض ، بما في ذلك التمثيل الضوئي في النباتات ، التي تصنع غذائها وكذلك توفير الغذاء (الطاقة) للحيوانات والبكتيريا ، وما إلى ذلك.
يمكن أيضًا التقاطها بواسطة منتجات الهندسة البشرية ، مثل الخلايا الشمسية.
تتبع الحفاظ على الطاقة
يستخدم طلاب الفيزياء في المدارس الثانوية عادةً المخططات الدائرية أو الرسوم البيانية الشريطية لإظهار الطاقة الكلية للنظام قيد الدراسة ولتتبع التغييرات التي تطرأ عليها.
نظرًا لأنه لا يمكن تغيير إجمالي كمية الطاقة في الفطيرة (أو مجموع ارتفاعات القضبان) ، فإن الفرق في الشرائح أو فئات الأعمدة يوضح مقدار الطاقة الكلية في أي نقطة معينة شكل من أشكال الطاقة أو آخر.
في سيناريو ، قد تظهر مخططات مختلفة في نقاط مختلفة لتتبع هذه التغييرات. على سبيل المثال ، لاحظ أن كمية الطاقة الحرارية تزداد دائمًا تقريبًا ، مما يمثل هدرًا في معظم الحالات.
على سبيل المثال ، إذا قمت برمي كرة بزاوية 45 درجة ، تكون كل طاقتها مبدئيًا (لأن h = 0) ، ثم عند النقطة التي تصل فيها الكرة إلى أعلى نقطة ، تكون طاقتها المحتملة كحصة من إجمالي الطاقة هي الأعلى.
عند ارتفاعها وهبوطها لاحقًا ، تتحول بعض طاقتها إلى حرارة نتيجة لقوى الاحتكاك من الهواء ، لذلك لا تظل KE + PE ثابتة طوال هذا السيناريو ، ولكنها تنخفض بدلاً من ذلك بينما تظل الطاقة الكلية E ثابتة .
(أدرج بعض الأمثلة على المخططات البيانية مع المخططات الدائرية / الشريطية لتتبع تغييرات الطاقة
الحركية مثال: السقوط الحر
إذا كنت تحمل كرة بولينج 1.5 كجم من سطح 100 متر (حوالي 30 طابقًا) فوق سطح الأرض ، فيمكنك حساب طاقتها المحتملة نظرًا لأن قيمة جم = 9.8 م / ث2 و PE = مزهيدروجين:
(1.5 كجم) (100 م) (9.8 م / ث2) = 1470 جول (J)
إذا قمت بتحرير الكرة ، تزداد طاقتها الحركية الصفرية بسرعة أكبر مع سقوط الكرة وتسارعها. في اللحظة التي تصل فيها إلى الأرض ، يجب أن تكون KE مساوية لقيمة PE في بداية المشكلة ، أو 1470 J. في هذه اللحظة ،
KE = 1470 = (1/2) مالخامس2 = (1/2) (1.5 كجم)الخامس2
إذا افترضنا عدم فقد الطاقة بسبب الاحتكاك ، فإن الحفاظ على الطاقة الميكانيكية يسمح لك بالحساب الخامس، الذي اتضح أن يكون 44.3 م / ث.
ماذا عن أينشتاين؟
قد يكون الخلط بين طلاب الفيزياء من قبل الشهير كتلة الطاقة معادلة (E = مولودية2) ، أتساءل عما إذا كان يتحدى قانون حفظ الطاقة (أو حفظ الكتلة) ، لأنه يشير إلى أن الكتلة يمكن تحويلها إلى طاقة والعكس صحيح.
إنه لا ينتهك أيًا من القانونين لأنه يوضح أن الكتلة والطاقة هما في الواقع أشكال مختلفة لنفس الشيء. يشبه قياسها في وحدات مختلفة بالنظر إلى المتطلبات المختلفة لمواقف ميكانيكا الكم والكم.
في حالة وفاة الكون بالحرارة ، وفقًا لقانون الديناميكا الحرارية الثالث ، سيتم تحويل كل المادة إلى طاقة حرارية. بمجرد اكتمال تحويل الطاقة هذا ، لا يمكن إجراء المزيد من التحويلات ، على الأقل ليس بدون حدث فردي مفرد مثل Big Bang.
آلة الحركة الدائمة؟
من المستحيل وجود "آلة حركة دائمة" (على سبيل المثال ، بندول يتأرجح بنفس التوقيت والكتساح دون إبطاء) على الأرض بسبب مقاومة الهواء وفقدان الطاقة المرتبط به. للحفاظ على استمرار العمل سوف يتطلب مدخلات من العمل الخارجي في مرحلة ما ، وبالتالي هزيمة الغرض.