Енергія, загалом
ЗМІСТ1.4. Енергозбереження (d. Енергія, загалом)
Наприклад, обертається монета на малюнку s поступово втрачає свою кінетичну енергію, і ми могли б подумати, що збереження енергії порушено. Але коли між двома поверхнями є тертя, воно виробляє тепло. Тож кінетична енергія монети поступово переходить у тепло.
s/Валюта, яка обертається, але потім сповільнюється. Ви можете подумати, що енергозбереження порушено, але це не так.
Один із способів зробити безліч форм енергії менш страшними - зрозуміти, що багато видів енергії, які на перший погляд здаються різними, насправді є одними і тими ж.
Важливим прикладом є спека, що насправді є кінетичною енергією молекул у випадковому русі. Отже, хоча я думав, що існують дві форми енергії, насправді існує лише одна.
звук це також форма кінетичної енергії: вона представляє вібрацію молекул повітря.
Цей тип злиття різних видів енергії - це процес, який триває протягом тривалого часу у фізиці, і на даний момент ми дійшли до точки, коли, здається, є лише чотири форми енергії:
1. кінетична енергія
2. потенційна енергія
3. електрика
4. ядерна енергетика
Ми навіть не стикаємося з атомною енергією у повсякденному житті (за винятком того, що сонячне світло спочатку є ядерною енергією), тому ми можемо вважати, що список містить лише три пункти. З цих трьох електрика - це єдине, про яке ми ще не говорили. Взаємодія між атомами, як правило, електрична, тому ця форма енергії відповідає за хімію. Енергія в їжі, яку ви їсте, або в балонці з бензином є формою електрики.
Малюнок нижче ілюструє два пандуси, по яких будуть котитися дві кульки. Порівняйте їх кінцеві швидкості, коли вони досягнуть точки B. Вважайте незначне тертя.
т/приклад 6
Кожна куля втрачає однакову потенційну енергію через зменшену відстань від Землі, а збереження енергії говорить про те, що вона повинна отримати рівну кількість кінетичної енергії (мінус трохи тепла, спричиненого тертям). Кулі падають з однакової висоти, тому їх кінцеві швидкості повинні бути однаковими.
Приклад 7: Як з’явились зірки
u/Сузір’я Оріона
Приклад 8: Підняття гирі
У спортзалі підніміть 40-кілограмовий стіл на висоту 0,5 м. Скільки потенційної енергії потрібно? Звідки береться ця енергія?
Потужність гравітаційного прискорення становить 10 джоулів на метр, тому після підняття ваги його потенційна енергія буде на 10 х 40 х 0,5 = на 200 джоулів вище.
Енергія зберігається, тому якщо вага отримує гравітаційну енергію, щось інше у Всесвіті втрачає. Споживається енергія вашого тіла, яка надходила від їжі, яку ви їли. Ми називаємо це "спалюванням калорій", враховуючи, що загалом енергія, що міститься в їжі, виражається в калоріях, а не в джоулях.
Насправді ваше тіло споживає більше 200 Дж енергії з їжею, оскільки це не надто ефективно. Решта енергії перетворюється на тепло, саме тому після тренування вам знадобиться душ. Ми можемо підсумувати це за
харчова енергія -> потенційна енергія + тепло
Приклад 9: Зниження ваги
Після підняття гирі нам потрібно її опустити. Що відбувається енергетично? Ваше тіло не може взяти енергію і відновити її. Потенційна енергія повністю перетворюється на тепло. (У законах фізики немає нічого принципового для запобігання цьому. Електричні машини можуть це зробити - коли ви зупиняєтесь на зупинці, кінетична енергія автомобіля поглинається акумулятором через генератор.)
Приклад 10: Поглинання та випромінювання світла
Світло має енергію. Світло може поглинатися речовиною і перетворюватися в тепло, але можливий і зворотний процес: об'єкт може випромінювати світло, перетворюючи частину свого тепла у світло. Будуть видно дуже гарячі предмети, такі як полум'я свічки або зварювальний пальник, як на малюнку v.
v/зварювання
Об'єкти при більш низьких температурах також будуть випромінювати світло, але в інфрачервоній частині спектру, тобто тій частині веселки, яка має червоний колір, непомітна для людини. Зображення на малюнку w були зроблені за допомогою інфрачервоної камери. Велосипедист раптово натиснув на заднє гальмо і зупинився, ковзаючи. Кінетична енергія велосипеда та його тіла швидко перетворюється в тепло завдяки тертю між колесом та землею. У першій частині ви можете бачити світло нагрітої частини землі, а в другій - світло колеса.
з/приклад 10
Приклад 11: Більш важкі предмети не падають швидше легших
Встаньте, зніміть черевик і опустіть його поруч із набагато менш масивним предметом, таким як монета або кришка ручки.
Ви здивовані? Ви виявили, що вони обидва вдарились об землю одночасно. Арістотель писав, що важчі предмети падають швидше легших. Він помилявся, але європейці вірили йому тисячі років, частково тому, що експерименти не були прийнятим методом визначення, а частково тому, що католицька церква назвала його своїм офіційним філософом.
Важкі і легкі предмети падають однаково, оскільки закони збереження є адитивними - ми виявляємо загальну енергію об’єкта, підсумовуючи енергії всіх його атомів. Якщо одиничний атом падає з висоти одного метра, він втрачає певну кількість потенційної енергії і отримує відповідну кількість кінетичної енергії. Кінетична енергія залежить від швидкості, тому вона визначає, наскільки швидко рухатиметься об'єкт в кінці падіння на 1 метр. (Те саме міркування можна застосувати до будь-якої точки від 0 метрів до однієї).
Що робити, якщо ми склеїмо два атоми? Пара має подвійну масу, тому кількість потенційної енергії, яка перетворюється в кінетичну енергію, подвійна. Але подвійна кінетична енергія - це саме те, що нам потрібно, щоб пара атомів мала таку ж швидкість, яку мав один атом. Продовжуючи це міркування, не має значення, скільки атомів буде у об’єкта; він матиме таку ж швидкість, як і будь-який інший об'єкт, якщо ви впали з тієї ж висоти.