Artikkel energia jäävuse seaduse kohta
Energia vormid
Meie igapäevaelus on palju energiavorme. Töö ja energia teemas tutvustati meile kahte mehaanilise energia vormi: potentsiaalset energiat ja kineetilist energiat . Potentsiaalne energia koosneb mitmest tüübist, sealhulgas gravitatsioonienergiast, elastsusenergiast ja elektrienergiast . Kineetiline energia koosneb kahest tüübist: translatsioonikineetilisest energiast ja pöörlemiskineetilisest energiast.
Maitsval ja küpsel mangol on varre küljes riputades gravitatsiooniline potentsiaalne energia. Sama juhtub ka siis, kui olete maapinnast teatud kõrgusel, näiteks katusel. Objektil on gravitatsiooniline potentsiaalne energia oma asukoha tõttu Maa suhtes.
Kingapaela venitatud kummipael omab elastset potentsiaalset energiat. Kingapall võib kivi lennata tänu venitatud kummis sisalduvale elastsele potentsiaalsele energiale. Samamoodi võib vibulaskja tõmmatud vibu noolt edasi lennutada tänu venitatud vibus sisalduvale elastsele potentsiaalsele energiale.
Lisaks suurte ainete potentsiaalsele ja kineetilisele energiale, mida me igapäevaelus sageli näeme, on ka teisi energiavorme. On olemas elektrienergia, tuumaenergia, keemiline energia jne. Pärast kineetilise teooria tekkimist öeldi, et energia muudes vormides (elektrienergia, keemiline energia jne) on kineetiline energia või potentsiaalne energia aatomi- või molekulaartasandil. Toidus ja kütuses salvestunud keemilist energiat peetakse molekulides salvestunud potentsiaalseks energiaks, mis on tingitud molekule moodustavate aatomite vahelistest elektrilistest jõududest (tuntud ka kui keemilised sidemed). Elektrienergiat, magnetilist energiat ja tuumaenergiat võib samuti pidada kineetiliseks energiaks või potentsiaalseks energiaks aatomitasandil.
Energiavormi muutused
Oluline on märkida, et energia võib muutuda ühest vormist teise. Makroskoopilisel tasandil võime leida lugematuid näiteid energia muundumistest. Varre küljes rippuv mango omab gravitatsioonilist potentsiaalset energiat. Kui mango maapinnale kukub, väheneb selle potentsiaalne energia teel maapinna poole. Kukkumisel potentsiaalne energia väheneb, kuna mango vertikaalne kaugus maapinnast väheneb. See energia muundub translatsioonikineetiliseks energiaks, kuna mango kiirus suureneb pideva gravitatsioonikiirenduse tõttu. Pingutatud lingus talletatud elastne potentsiaalne energia võib muutuda kivi translatsioonikineetiliseks energiaks, kui lingu tõmbejõud vabastatakse... ka kõverdatud vibul on elastne potentsiaalne energia.
Kumera vibu elastset potentsiaalset energiat saab muuta noole translatsiooni kineetiliseks energiaks. Mikroskoopilisel tasandil võime leida ka energiamuundumiste näiteid. Neoonlambi sisselülitamisel muundub elektrienergia samaaegselt valgusenergiaks. Teine näide on elektrienergia muundumine pöörlemiskineetiliseks energiaks (ventilaator) jne. See elektrienergia muundamise protsess on tegelikult põhjustatud potentsiaalse energia ja kineetilise energia muutusest aatomi- või molekulaartasandil.
Energiavormi muutused hõlmavad tavaliselt energia ülekandumist ühelt objektilt teisele.
Energiamuundumised hõlmavad tavaliselt energia ülekandumist ühelt objektilt teisele. Kumeral vibul on elastne potentsiaalne energia. Kui vibu tõmmatakse, muutub vibu elastne potentsiaalne energia noole translatsioonikineetiliseks energiaks. Samal ajal kandub energia vibult noolele. Seisva mootorratta lükkamisel muutub teie keha keemiline potentsiaalne energia mootorratta translatsioonikineetiliseks energiaks. Samal ajal kandub energia teilt mootorrattale. Tammi tipus oleval veel on gravitatsioonipotentsiaalne energia. Kui vesi langeb, muutub selle gravitatsioonipotentsiaalne energia translatsioonikineetiliseks energiaks. Langev vesi paneb seejärel turbiini käima. Kui vesi paneb turbiini käima, muutub selle translatsioonikineetiline energia pöörlemiskineetiliseks energiaks. Samal ajal kandub energia veest turbiini.
Energia ülekandmisel tehakse alati tööd.
Kõikides eelnevalt käsitletud näidetes kaasneb energia ülekandega alati pingutus. Kui energia liigub vibust noolele, teeb vibu noole kallal tööd. Kui energia liigub sinult mootorrattale, teed sina mootorratta kallal tööd. Kui energia liigub veest turbiini, teeb vesi turbiini kallal tööd. Kui tööd ei tehtaks, ei saaks nool vibu vabastamisel liikuda ega liiguks katkine mootorratas lükkamisel. Sama kehtib ka turbiini kohta. Tegelikkuses aga liiguvad nool, katkine mootorratas ja turbiin . Võib järeldada, et pingutust (W) tehakse alati siis, kui energia liigub ühelt objektilt teisele.
Kuigi teadlased teavad, et energia muudab alati vormi ühelt objektilt teisele, ei ole nad suutnud järeldada, et energia jääb alles. Teadlasi ajab segadusse soojuse olemasolu. Soojus tekib alati hõõrdumise tõttu. Näiteks lükkate põrandal olevat klotsi. Klotsi lükkamisel muudab teie keha keemiline potentsiaalne energia vormi ploki translatsiooni kineetiliseks energiaks. Samal ajal kandub energia teilt plokile. Kui energia kandub teilt plokile, teete ploki kallal tööd (W = Fs). Loomulikult plokk liigub.
Pärast liikumist plokk tavaliselt peatub. Plokk peatub hõõrdumise tõttu. Kus on hõõrdumine, seal on kuumus. Proovige peopesasid kokku hõõruda. Teie peopesad tunduvad soojad, eks ? Sama juhtub plokiga. Põranda pind ja ploki alus soojenevad hõõrdumise tõttu. Hõõrdumist nimetatakse ka dissipatiivseks jõuks, kuna see vähendab või kõrvaldab kogu mehaanilise energia (mehaaniline energia = potentsiaalne energia + kineetiline energia). Sel juhul kõrvaldab hõõrdejõud ploki translatsioonilise kineetilise energia. Klotsi translatsiooniline kineetiline energia tuleb keemilisest potentsiaalsest energiast.
Kalorid
SEnne üheksateistkümnendat sajandit ei teadnud ükski teadlane apa itu kuumus või soojus. Tekkis teooria, et soojus on teatud tüüpi aine (seda ainet nimetatakse kaloriliseks). Aga ainete olemasolu bernama kalorite sisaldust ei saa tõestada selle olemasolu. Alates 1830. aastate lõpus James Joule (1818–1889) viis läbi katse ja leidis, et Kaotatud kineetiline energia on alati sama, mis siis, kuir tulenevalt.
Ei soojus- ega kineetiline energiak on igavesed eraldi. Alati on igavene kineetilise energia ja soojuse summa. Oma katsete tulemuste põhjal tegi Joule võrdluse soojusülekandega dari kõrge temperatuuriga objektid (kuumad objektid) ke madala temperatuuriga objektid (külmad objektid). JOule jõudis järeldusele, et kuir onn energia, misg liikumine temperatuurierinevuste tõttu. See on soojuse definitsioon makroskoopilisest vaatenurgast. Mikroskoopilisest vaatenurgast kuumust saab seletada kineetilise teooria abil.
Gaaside kineetilise teooria teemas õppisime, et objekti temperatuur on seda moodustavate molekulide kineetilise energia mõõt. Mida kõrgem on objekti temperatuur, seda suurem on seda moodustavate molekulide kineetiline energia. Kineetiline energia on seotud liikumiskiirusega. Mida suurem on molekulide kineetiline energia (kõrgem EK), seda suurem on molekulide liikumiskiirus (kõrgem v). Kui puudutame kõrge temperatuuriga objekti (kuuma objekti) madala temperatuuriga objektiga (külma objektiga), voolab soojus automaatselt kõrge temperatuuriga objektilt madala temperatuuriga objektile . Kui objekti temperatuur tõuseb, suureneb seda moodustavate molekulide kineetiline energia (molekulide liikumise kiirus suureneb). Võib järeldada , et soojus on kiiresti liikuvate molekulide kineetiline energia.
Pärast seda, kui teadlased said teada, et soojus on energia, mis liigub temperatuuride erinevuste tõttu (makroskoopiline definitsioon) või et soojus on kiiresti liikuvate molekulide kineetiline energia (mikroskoopiline definitsioon), sõnastasid nad lõpuks energia jäävuse seaduse:
Energia võib muutuda ühest olekust teise, liikuda ühelt objektilt teisele, kuid koguenergia ei vähene ega suurene kunagi.
Energiavormi muutused hõlmavad energia ülekandumist ühelt objektilt teisele. Iga energiaülekandega kaasneb alati pingutus või töö. Teadlaste tehtud katsete ja analüüside tulemuste põhjal on teada, et soojus on tegelikult energia, mis kandub üle temperatuurierinevuste tõttu (makroskoopiline arusaam) või soojus on kiiresti liikuvate molekulide kineetiline energia (mikroskoopiline arusaam). Võime öelda, et energiaülekandes osalevad töö (W) ja soojus (Q). Termodünaamika esimene seadus on seadus, mis selgitab energiaülekannet, mis hõlmab soojust ja tööd. Soojus ja töö ei ole energiavormid , vaid osalevad ainult energiaülekandes objektide vahel, objektide ja elusolendite vahel või elusolendite vahel.
Termodünaamika esimeses seaduses tutvume ka uue suurusega: siseenergiaga (U). Siseenergia on molekulide kogu kineetiline energia ja potentsiaalne energia, mis tekib molekuli moodustavate aatomite omavahelistest vastastikmõjudest või objekti või elusolendi moodustavate molekulide omavahelistest vastastikmõjudest. Iga objekt koosneb aatomitest või molekulidest. Seega peab igal universumi objektil olema siseenergia. Iga energiaülekande protsess, mis hõlmab soojust ja tööd, põhjustab siseenergia muutuse.
