Raksts par enerģijas nezūdamības likumu
Enerģijas veidi
Mūsu ikdienas dzīvē ir daudz enerģijas veidu. Runājot par darbu un enerģiju, mēs iepazināmies ar diviem mehāniskās enerģijas veidiem: potenciālo enerģiju un kinētisko enerģiju . Potenciālā enerģija sastāv no vairākiem veidiem, tostarp gravitācijas enerģijas, elastības enerģijas un elektriskās enerģijas . Kinētiskā enerģija sastāv no diviem veidiem: translācijas kinētiskā enerģija un rotācijas kinētiskā enerģija.
Gardam, nogatavojušam mango piemīt gravitācijas potenciālā enerģija, jo tas karājas pie sava kāta. Tas pats notiek, kad atrodaties noteiktā augstumā virs zemes, piemēram, uz jumta. Objektam piemīt gravitācijas potenciālā enerģija tā novietojuma dēļ attiecībā pret Zemi.
Katapultas izstieptajai gumijas lentei piemīt elastīgā potenciālā enerģija. Katapulta var izšaut akmeni, pateicoties izstieptajā gumijā esošajai elastīgajai potenciālajai enerģijai. Līdzīgi loka šāvēja izvilkts loks var izšaut bultu, pateicoties izstieptajā lokā esošajai elastīgajai potenciālajai enerģijai.
Papildus potenciālajai un kinētiskajai enerģijai, kas piemīt liela izmēra matērijai un ko mēs bieži redzam ikdienas dzīvē, pastāv arī citas enerģijas formas. Pastāv elektriskā enerģija, kodolenerģija, ķīmiskā enerģija utt. Pēc kinētiskās teorijas parādīšanās tika teikts, ka enerģija citās formās (elektriskā enerģija, ķīmiskā enerģija utt.) ir kinētiskā enerģija vai potenciālā enerģija atomu vai molekulu līmenī. Ķīmiskā enerģija, kas uzkrāta pārtikā un degvielā, tiek uzskatīta par molekulās uzkrāto potenciālo enerģiju elektrisko spēku dēļ starp atomiem, kas veido molekulas (pazīstami arī kā ķīmiskās saites). Arī elektrisko enerģiju, magnētisko enerģiju un kodolenerģiju var uzskatīt par kinētisko enerģiju vai potenciālo enerģiju atomu līmenī.
Izmaiņas enerģijas formā
Ir svarīgi atzīmēt, ka enerģija var mainīties no vienas formas uz otru. Makroskopiskā līmenī mēs varam atrast neskaitāmus enerģijas pārvērtību piemērus. Mango, kas karājas pie sava kāta, piemīt gravitācijas potenciālā enerģija. Kad mango krīt zemē, tā potenciālā enerģija samazinās, tuvojoties zemei. Kad tas sāk krist, potenciālā enerģija samazinās, jo samazinās mango vertikālais attālums no zemes. Šī enerģija pārvēršas translācijas kinētiskajā enerģijā, jo mango ātrums palielinās pastāvīgā gravitācijas paātrinājuma dēļ. Izstieptā katapultā uzkrātā elastīgā potenciālā enerģija var pārveidoties par akmens translācijas kinētisko enerģiju, kad katapultas vilkme tiek atbrīvota... arī izliektam lokam piemīt elastīgā potenciālā enerģija.
Izliekta loka elastības potenciālo enerģiju var pārveidot par bultas translācijas kinētisko enerģiju. Mikroskopiskā līmenī var atrast arī enerģijas pārveidošanas piemērus. Ieslēdzot neona gaismu, elektriskā enerģija vienlaikus tiek pārveidota par gaismas enerģiju. Vēl viens piemērs ir elektriskās enerģijas pārveidošana par rotācijas kinētisko enerģiju (ventilators) utt. Šo elektriskās enerģijas pārveidošanas procesu faktiski izraisa izmaiņas starp potenciālo enerģiju un kinētisko enerģiju atomu vai molekulu līmenī.
Enerģijas formas izmaiņas parasti ietver enerģijas pārnesi no viena objekta uz citu.
Enerģijas pārvērtības parasti ietver enerģijas pārnesi no viena objekta uz citu. Izliektam lokam piemīt elastīgā potenciālā enerģija. Kad loks tiek pavilkts, loka elastīgā potenciālā enerģija pārvēršas bultas translācijas kinētiskajā enerģijā. Vienlaikus enerģija tiek pārnesta no loka uz bultu. Kad jūs stumjat apstājušos motociklu, jūsu ķermeņa ķīmiskā potenciālā enerģija pārvēršas motocikla translācijas kinētiskajā enerģijā. Vienlaikus enerģija tiek pārnesta no jums uz motociklu. Ūdenim dambja augšpusē piemīt gravitācijas potenciālā enerģija. Kad ūdens krīt, tā gravitācijas potenciālā enerģija pārvēršas tā translācijas kinētiskajā enerģijā. Krītošais ūdens tad darbina turbīnu. Kad ūdens darbina turbīnu, tā translācijas kinētiskā enerģija pārvēršas tā rotācijas kinētiskajā enerģijā. Vienlaikus enerģija tiek pārnesta no ūdens uz turbīnu.
Darbs vienmēr tiek veikts, kad tiek pārnesta enerģija.
Katrā no iepriekš apspriestajiem piemēriem enerģijas pārnešanu vienmēr pavada piepūle. Kad enerģija pārvietojas no loka uz bultu, loks veic darbu ar bultu. Kad enerģija pārvietojas no jums uz motociklu, jūs veicat darbu ar motociklu. Kad enerģija pārvietojas no ūdens uz turbīnu, ūdens veic darbu ar turbīnu. Ja darbs netiktu veikts, bulta nevarētu kustēties, kad loks tiek atlaists, un arī salūzis motocikls nevarētu kustēties, kad to stumtu. Tas pats attiecas uz turbīnu. Bet patiesībā bulta, salūzis motocikls un turbīna pārvietojas . Var secināt, ka piepūle (W) vienmēr tiek pielikta, kad enerģija pārvietojas no viena objekta uz citu.
Lai gan zinātnieki zina, ka enerģija vienmēr maina formu no viena objekta uz otru, viņi nav spējuši secināt, ka enerģija saglabājas . Zinātniekus mulsina siltuma esamība. Siltums vienmēr rodas berzes dēļ. Piemēram, jūs pastumjat bloku, kas atrodas uz grīdas. Kad jūs pastumjat bloku, jūsu ķermeņa ķīmiskā potenciālā enerģija maina formu par bloka translācijas kinētisko enerģiju. Tajā pašā laikā enerģija tiek pārnesta no jums uz bloku. Kad enerģija tiek pārnesta no jums uz bloku, jūs veicat darbu uz bloku (W = Fs). Protams, bloks pārvietojas.
Pēc pārvietošanās bloks parasti apstājas. Bloks apstājas berzes dēļ. Kur ir berze, tur ir siltums. Pamēģiniet berzēt plaukstas kopā. Jūsu plaukstas jūtas siltas, vai ne ? Tas pats notiek ar bloku. Grīdas virsma un bloka pamatne sasilst berzes dēļ. Berzi sauc arī par disipatīvu spēku, jo tā samazina vai novērš kopējo mehānisko enerģiju (mehāniskā enerģija = potenciālā enerģija + kinētiskā enerģija). Šajā gadījumā berzes spēks novērš bloka translācijas kinētisko enerģiju. Bloka translācijas kinētiskā enerģija rodas no ķīmiskās potenciālās enerģijas.
Kaloriju
SPirms deviņpadsmitā gadsimta neviens zinātnieks nezināja apa itu karstums vai siltums. Radās teorija, ka siltums ir noteikta veida viela (šo vielu sauc par kaloriju). Bet vielu klātbūtne bernama kaloriju daudzumu nevar pierādīt tā eksistence. Kopš 19. gadsimta 30. gadu beigās Džeimss Džouls (1818.–1889.)) veica eksperimentu un atklāja, ka zaudētā kinētiskā enerģija vienmēr ir tāda pati kā tad, jar kas izriet no.
Ne siltuma, ne kinētiskās enerģijask ir mūžīgi atsevišķi. Vienmēr mūžīgs ir kinētiskās enerģijas un siltuma kopējais daudzums. Pamatojoties uz savu eksperimentu rezultātiem, Džouls veica salīdzinājumu ar siltuma pārnesi no augstas temperatūras objekti (karsti objekti) ke zemas temperatūras objekti (auksti objekti). JOule secināja, ka, jar irn enerģija, kasg pārvietojas temperatūras atšķirību dēļ. Šī ir siltuma definīcija no makroskopiskā viedokļa. No mikroskopiskā viedokļa, karstumu var izskaidrot izmantojot kinētisko teoriju.
Gāzu kinētiskās teorijas tēmā mēs uzzinājām, ka objekta temperatūra ir objektu veidojošo molekulu kinētiskās enerģijas mērs. Jo augstāka ir objekta temperatūra, jo lielāka ir to veidojošo molekulu kinētiskā enerģija. Kinētiskā enerģija ir saistīta ar kustības ātrumu. Jo lielāka ir molekulu kinētiskā enerģija (augstāka EK), jo lielāks ir molekulu kustības ātrums (augstāks v). Ja mēs pieskaramies augstas temperatūras objektam (karstam objektam) ar zemas temperatūras objektu (aukstu objektu), siltums automātiski plūst no augstas temperatūras objekta uz zemas temperatūras objektu . Kad objekta temperatūra paaugstinās, objektu veidojošo molekulu kinētiskā enerģija palielinās (molekulu kustības ātrums palielinās). Var secināt , ka siltums ir ātri kustīgu molekulu kinētiskā enerģija.
Pēc tam, kad zinātnieki uzzināja, ka siltums ir enerģija, kas pārvietojas temperatūras atšķirību dēļ (makroskopiskā definīcija), vai ka siltums ir ātri kustīgu molekulu kinētiskā enerģija (mikroskopiskā definīcija), viņi beidzot formulēja enerģijas nezūdamības likumu:
Enerģija var mainīties no vienas formas uz otru, pārvietoties no viena objekta uz otru, bet kopējā enerģija nekad nesamazinās un nepalielinās.
Enerģijas veida izmaiņas ietver enerģijas pārnesi no viena objekta uz citu. Katru enerģijas pārnesi vienmēr pavada piepūle vai darbs. Pamatojoties uz zinātnieku veikto eksperimentu rezultātiem un analīzi, ir zināms, ka siltums patiesībā ir enerģija, kas tiek pārnesta temperatūras atšķirību dēļ (makroskopiskā izpratne), vai arī siltums ir ātri kustīgu molekulu kinētiskā enerģija (mikroskopiskā izpratne). Var teikt, ka enerģijas pārnesē ir iesaistīts darbs (W) un siltums (Q). Termodinamikas pirmais likums ir likums, kas izskaidro enerģijas pārnesi, kurā iesaistīts siltums un darbs. Siltums un darbs nav enerģijas veids , bet ir iesaistīti tikai enerģijas pārnesē starp objektiem, starp objektiem un dzīvām būtnēm vai starp dzīvām būtnēm.
Termodinamikas pirmajā likumā mēs iepazīstam arī jaunu lielumu: iekšējo enerģiju (U). Iekšējā enerģija ir molekulu kopējā kinētiskā enerģija un potenciālā enerģija, kas rodas no mijiedarbības starp atomiem, kas veido molekulu, vai no mijiedarbības starp molekulām, kas veido objektu vai dzīvu būtni. Katrs objekts sastāv no atomiem vai molekulām. Tāpēc katram objektam Visumā ir jābūt iekšējai enerģijai. Katrs enerģijas pārneses process, kas ietver siltumu un darbu, izraisīs iekšējās enerģijas izmaiņas.
