Poiché la fisica è lo studio di come fluisce la materia e l'energia, la legge di conservazione dell'energia è un'idea chiave per spiegare tutto ciò che un fisico studia e il modo in cui lui o lei lo studiano.
La fisica non riguarda la memorizzazione di unità o equazioni, ma una struttura che regola il comportamento di tutte le particelle, anche se le somiglianze non sono evidenti a colpo d'occhio.
La prima legge della termodinamica è una riaffermazione di questa legge di conservazione dell'energia in termini di energia termica: l'energia interna di un sistema deve essere uguale al totale di tutto il lavoro svolto sul sistema, più o meno il calore che scorre in o fuori dal sistema.
Un altro noto principio di conservazione in fisica è la legge di conservazione della massa; come scoprirai, queste due leggi sulla conservazione - e ne verrai introdotta anche altre due qui - sono più strettamente correlate di quanto non sembri l'occhio (o il cervello).
Newton's Laws of Motion
Qualsiasi studio dei principi fisici universali dovrebbe essere supportato da una revisione delle tre leggi fondamentali del movimento, martellate nella forma da Isaac Newton centinaia di anni fa. Questi sono:
Le leggi di conservazione in fisica si applicano alla perfezione matematica solo in sistemi veramente isolati. Nella vita di tutti i giorni, tali scenari sono rari. Quattro quantità conservate sono massa La massa è solo la quantità di materia di qualcosa e, quando moltiplicata per l'accelerazione locale dovuta alla gravità, il risultato è il peso. La massa non può più essere distrutta o creata da zero come l'energia può. Il momento è il prodotto della massa di un oggetto e della sua velocità (m · v). In un sistema di due o più particelle in collisione, il momento del sistema (la somma dei singoli momenti degli oggetti) non cambia mai finché non ci sono perdite per attrito o interazioni con corpi esterni. Il momento angolare (L) è solo il momento attorno a un asse di un oggetto rotante ed è uguale a m · v · r, dove r è la distanza dall'oggetto all'asse di rotazione. L'energia appare in molte forme, alcune più utili di altre. Il calore, la forma in cui è alla fine destinata a esistere tutta l'energia, è il meno utile in termini di metterla al lavoro utile ed è generalmente un prodotto. La legge di conservazione dell'energia può essere scritta : KE + PE + IE \u003d E dove KE \u003d energia cinetica \u003d (1/2) mv 2, PE \u003d energia potenziale (uguale a mgh quando la gravità è l'unica azione forzata, ma vista in altre forme), IE \u003d energia interna ed E \u003d energia totale \u003d una costante. Tutta l'energia nell'universo è nata dal Big Bang e quella quantità totale di energia non può cambiare. Invece, osserviamo continuamente forme che cambiano energia, dall'energia cinetica (energia del movimento) all'energia termica, dall'energia chimica all'energia elettrica, dall'energia potenziale gravitazionale all'energia meccanica e così via. Il calore è un tipo speciale di energia ( energia termica Ciò significa che una volta parte dell'energia di un sistema si trasforma in calore, non può essere facilmente riportato in una forma più utile senza l'input di un lavoro aggiuntivo, che richiede energia aggiuntiva. La feroce quantità di energia radiante che il sole emette ogni secondo e può mai rivendicare o riutilizzare in alcun modo è una testimonianza permanente di questa realtà, che si sta svolgendo continuamente in tutta la galassia e l'universo nel suo insieme. Parte di questa energia viene "catturata" nei processi biologici sulla Terra, inclusa la fotosintesi nelle piante, che producono il proprio cibo e forniscono cibo (energia) per animali e batteri, e così via. Può anche essere catturati da prodotti dell'ingegneria umana, come le celle solari. Gli studenti di fisica delle scuole superiori in genere usano grafici a torta o grafici a barre per mostrare l'energia totale del sistema in studio e per tracciare i suoi cambiamenti. Poiché la quantità totale di energia nella torta (o la somma delle altezze delle barre) non può cambiare, la differenza nelle sezioni o nelle categorie di barre dimostra la quantità di energia totale in un dato punto è una forma di energia o un'altra. In uno scenario, grafici diversi possono essere mostrati in punti diversi per tenere traccia di questi cambiamenti. Ad esempio, nota che la quantità di energia termica aumenta quasi sempre, rappresentando gli scarti nella maggior parte dei casi. Ad esempio, se lanci una palla con un angolo di 45 gradi, inizialmente tutta la sua energia è cinetica (perché h \u003d 0), e quindi nel punto in cui la palla raggiunge il suo punto più alto, la sua energia potenziale in percentuale dell'energia totale è massima. Sia mentre sale che quando cade, alcune delle sue l'energia viene trasformata in calore a causa delle forze di attrito dall'aria, quindi KE + PE non rimane costante in questo scenario, ma diminuisce mentre l'energia totale E rimane costante. (Inserire alcuni diagrammi di esempio con grafici a torta /a barre che tracciano i cambiamenti di energia Se si tiene una palla da bowling da 1,5 kg da un tetto a 100 m (circa 30 piani) dal suolo, è possibile calcolare la sua energia potenziale dato che il valore di g \u003d 9,8 m /s 2 e PE \u003d mgh: (1,5 kg) (100 m) (9,8 m /s 2) \u003d 1.470 Joule s (J) Se rilasci la palla, la sua energia cinetica zero aumenta sempre più rapidamente quando la palla cade e accelera. Nel momento in cui raggiunge il suolo, KE deve essere uguale al valore di PE all'inizio del problema, ovvero 1.470 J. In questo momento, KE \u003d 1.470 \u003d (1/2) mv 2 \u003d (1/2) (1,5 kg) v 2 Supponendo che non vi siano perdite di energia dovute all'attrito, la conservazione dell'energia meccanica consente di calcolare v Gli studenti di fisica potrebbero essere confusi dalla famosa equazione di energia di massa (E \u003d mc 2), chiedendosi se sfidasse la legge della conservazione di energia (o conservazione della massa), poiché implica che la massa può essere convertita in energia e viceversa. In realtà non viola nessuna delle due leggi perché dimostra che la massa e l'energia sono in realtà forme diverse della stessa cosa. È un po 'come misurarli in unità diverse date le diverse esigenze delle situazioni della meccanica classica e quantistica. Nella morte di calore dell'universo, secondo la terza legge della termodinamica, tutta la materia sarà stata convertita in termica energia. Una volta completata questa conversione di energia, non possono verificarsi più trasformazioni, almeno non senza un altro ipotetico evento singolare come il Big Bang. Una "macchina del moto perpetuo" (ad es. un pendolo che oscilla con la stessa tempistica e spazzare senza mai rallentare) sulla Terra è impossibile a causa della resistenza dell'aria e delle perdite di energia associate. Per far funzionare il gizmo sarebbe necessario un input di lavoro esterno ad un certo punto, vanificando così lo scopo.
, energia
, momento
e momento angolare
. Gli ultimi tre rientrano nell'ambito della meccanica.
Trasformazioni energetiche e forme di energia
Esempi di trasferimento di energia
) in quanto, come notato, è meno utile per l'uomo rispetto ad altre forme.
Monitoraggio del risparmio energetico
Cinematica Esempio: caduta libera
, che risulta 44,3 m /s.
Che dire di Einstein?
La macchina del moto perpetuo?
