Hvað er hugmyndin um orkuvöru?
Orkunnaðar eðlisfræðilokareglunnar
Orkunnaðar eðlisfræðilokareglan er grunnvalltar skilgreining í eðlisfræði sem segir að heildarorka á einangraðri kerfi sé óbreytt. Í öðrum orðum, orka getur ekki verið búnin eða eytt; hún má aðeins verða brottfærð frá einni gerð til annarar eða flutt frá einu hlutverki til annars.
1. Skilgreining
Orkunnaðar eðlisfræðilokareglan má skilgreina svona:
Í einangraðri kerfi er heildarorkan óbreytt allan veg á gegnum hvaða ferli sem er.
Orka getur breyst frá einni gerð til annarar, en heildarorka kerfisins er óbreytt.
2. Stærðfræðileg framsetning
Orkunnaðar eðlisfræðilokareglan má framsetja stærðfræðilega svona:
E upphaf=E lok
þar sem:
E upphaf er heildarorka kerfisins í upphaflegu stöðu.
E lok er heildarorka kerfisins í lokastöðu.
Ef vinni er meðferð, má jöfnuna skrifa svona:
E upphaf +W=E lok
þar sem W stendur fyrir vinnu sem gert er af eða á kerfinu.
3. Orkuform
Orka er til í ýmsum formum, þar með talið:
Hreyfanorða: Orkan sem hlutur hefur vegna sínar hreyfingar, gefin með formúlunni K= 1/2 mv², þar sem m er massa hlutarins og v er hraði hans.
Stöðunorða: Orkan sem hlutur hefur vegna staðar eða stöðu síns, eins og þyngdaraflsorða U=mgh, þar sem m er massa, g er skyndan vegna þyngdarvegis og h er hæð; eða spenniorða U= 1/2 kx², þar sem k er fjölgervisspróntustuðull og x er fjarlægð.
Hitisorða: Orkan sem tengist slembilegri hreyfingu partikla.
Efnaverksorða: Orkan sem geymd er í efnaverkaböndum, freistað í efnaverksgerð (t.d. brennun).
Rafbunarorða: Orkan sem mynduð er af rafstraumi.
Kjarnorka: Orkan sem geymd er í kjarna, freistað í kjarnasprengingu eða samrunu.
4. Dæmi um orkunnað
Fri fall: Þegar hlutur fallur frjálst úr hæð, þá breytist hans þyngdaraflsorða stolt í hreyfanorða. Ef loftmótstaðan er óbeitt, þá er hreyfanorða hlutarins þegar hann slær á jarðarborð jafnt hans upphaflegu þyngdaraflsorða.
Sprungur: Í fullkomnu sprungur-massa kerfi er spenniorða hámark í endastöðum, en all orka er hreyfanorða í jafnvægisstöðu. Á meðan við sprungu er heildarverkorkan óbreytt.
Rif og hiti: Þegar tvö hlutir rifja við hvort annað, þá er verkorka brottfærð í hitisorða. Ef þó verkorkan minnkar, er heildarorkan (verkorka + hitisorða) varnar.
5. Notkun orkunnaðar eðlisfræðilokareglunnar
Verkfræði: Við hönnun málmamanna, rafbundna kerfa, hitavélar o.s.frv., er notuð orkunnaðar eðlisfræðilokareglan til að greina orku innleiðslu, úttekt og umbreytingarhagveldi.
Eðlisfræðirannsókn: Í sviðum eins og partikeleðlisfræði og stjörnufræði er orkunnaðar eðlisfræðilokareglan mikilvæg til að skilja ýmis atburði í alheiminu.
Daglegt líf: Orkunnaðar eðlisfræðilokareglan lýsir mörgum daglegum atburðum, eins og hvernig bílbúnaðarverk virka, hvernig rafbirnur eru hlaðnar og aflaðnar o.s.frv.
6. Orkunnaður og Fyrsta Lög Þermaldýnamíks
Orkunnaðar eðlisfræðilokareglan er grunnur Fyrsta Laga Þermaldýnamíks, sem segir að breyting í inngerðarorku kerfis sé jöfn hita sem bætt er við kerfinu mínus vinnu sem gert er af kerfinu:
ΔU=Q−W
þar sem:
ΔU er breyting í inngerðarorku kerfisins.
Q er hiti sem bætt er við kerfinu.
W er vinnu sem gert er af kerfinu.
Fyrsta Lag Þermaldýnamíks er í raun notkun orkunnaðar eðlisfræðilokareglunnar í þermaldýnamíkskerfum.
7. Takmarkanir orkunnaðar eðlisfræðilokareglunnar
Þó orkunnaðar eðlisfræðilokareglan sé almengt notað í klassískri eðlisfræði, í ákveðnum yfirborðalegum skilyrðum—líkt og hraða hreyfing, sterkr þyngdarvegur eða á kvantmælingar—gefa relativity og kvantamekaníkur nákvæmari lýsingu á orkunnað. Til dæmis, í sérstökri relativity mun massa og orka skiptast á milli, eins og lýst er í ofurmótiðra jöfnunni
Samantekt
Orkunnaðar eðlisfræðilokareglan er ein af grunnvalltar lögum í náttúrunni, sem segir að heildarorka í einangraðri kerfi sé óbreytt, jafnvel þó hún geti tiltekin mismunandi form og brottfært á milli þeirra. Þetta lag er mikilvægt ekki aðeins í eðlisfræði heldur einnig í verkfræði, daglegt líf og öðrum vísindasviðum.
