Albert Einsteinin vuonna 1905 löytämässä vallankumouksellisessa tieteellisessä työssä E = mc2 jossa: E on energia, m on massa ja c on valon nopeus tyhjiössä. Siitä lähtien E = mc2 siitä on tullut yksi tunnetuimmista yhtälöistä maailmassa. Itse asiassa ihmiset, joilla ei ole fysiikan taustaa, ovat ainakin kuulleet tästä yhtälöstä ja ovat tietoisia sen valtavasta vaikutuksesta maailmaan. Useimmat ihmiset eivät kuitenkaan tiedä, mitä yhtälö tarkoittaa. Yksinkertaisesti sanottuna tämä yhtälö edustaa energian korrelaatiota aineeseen: pohjimmiltaan energia ja materia ovat saman asian kaksi muotoa. Tämä yksinkertainen yhtälö on muuttanut tapaamme ajatella energiaa ja synnyttänyt erilaisia teknologisia edistysaskeleita.
Vaihe
Osa 1/2: Yhtälöiden ymmärtäminen
Vaihe 1. Määritä yhtälömuuttujat
Ensimmäinen askel ymmärtää yhtälö on tietää kunkin muuttujan merkitys. Tässä tapauksessa E on paikallaan olevan kohteen energia, m on kohteen massa ja c on valon nopeus tyhjiössä.
Valon nopeus (c) on vakio, joka on yhtä suuri jokaisessa yhtälössä ja on suunnilleen yhtä suuri kuin 3,00x108 metriä sekunnissa. Einsteinin suhteellisuusteorian yhteydessä n2 toimii enemmän yksikkömuunnoskertoimena kuin vakiona. Siksi c neliöidään mitta -analyysin tuloksena (energia mitataan jouleina tai kg m2 s-2) niin, että lisätään c2 varmistaa, että energian ja massan välinen suhde on ulottuvuuksiltaan johdonmukainen.
Vaihe 2. Ymmärrä, mitä energia on
Energiaa on monia, mukaan lukien lämpö, sähkö, kemikaalit, ydinvoima ja muut. Energia siirretään eri järjestelmien välillä (antaa virtaa yhdelle järjestelmälle samalla kun ottaa energiaa toiselta).
Energiaa ei voida luoda tai tuhota, vain muuttaa eri muotoihin. Esimerkiksi kivihiilellä on paljon potentiaalista energiaa, joka muuttuu lämpöenergiaksi poltettaessa
Vaihe 3. Määrittele massan käsite
Massa määritellään yleensä esineen materiaalimääränä.
- Massalla on myös toinen määritelmä. On olemassa termejä "lepoenergia" ja "relativistinen massa". Lepoenergia on massa, joka on vakio eikä muutu riippumatta käyttämästäsi viitekehyksestä. Toisaalta. suhteellinen massa riippuu kohteen nopeudesta. Yhtälössä E = mc2, m viittaa lepoenergiaan. Tämä on erittäin tärkeää, koska se tarkoittaa massaasi ei kasvaa, vaikka vauhti kiihtyy, vastoin yleistä käsitystä.
- On ymmärrettävä, että massa ja paino ovat kaksi eri asiaa. Paino on kohteen tuntema painovoima, kun taas massa on esineessä olevan aineen määrä. Massa muuttuu vain, jos kohdetta muutetaan fyysisesti, kun taas paino muuttuu kohteen ympäristön painovoiman mukaan. Massa mitataan kilogrammoina (kg) ja paino newtonina (N).
- Energian tavoin massaa ei voi luoda tai tuhota, mutta se voi muuttaa muotoaan. Esimerkiksi jääpalat sulavat nesteiksi, mutta niiden massa on silti sama molemmissa muodoissa.
Vaihe 4. Ymmärrä, että massa ja energia ovat vastaavia
Tämä yhtälö toteaa, että massa ja energia ovat vastaavia, ja kertoo kuinka paljon energiaa on tietyssä massamäärässä. Pohjimmiltaan tämä yhtälö selittää, että pieni massa on itse asiassa täynnä suurta energiaa.
Osa 2/2: Yhtälöiden soveltaminen todellisessa maailmassa
Vaihe 1. Ymmärrä, mistä käytetty energia tulee
Suurin osa kulutuksestamme tulee hiilen ja maakaasun polttamisesta. Näiden aineiden polttamisessa käytetään valenssielektroneja (parittomia elektroneja atomien uloimmassa kuorissa) ja muiden alkuaineiden kanssa tehtyjä sidoksia. Kun lämpöä lisätään, nämä sidokset katkeavat ja vapautunut energia käytetään virtalähteenä.
Energian saaminen tällä menetelmällä on erittäin tehotonta ja vahingoittaa ympäristöä
Vaihe 2. Käytä Einsteinin yhtälöitä tehostaaksesi energian muuntamista
E = mc2kertoo, että atomin ytimeen on tallennettu enemmän energiaa kuin valenssielektroneihin. Atomifissioista vapautunut energia on paljon korkeampaa kuin elektronisidosten katkeaminen.
Ydinvoima perustuu tähän periaatteeseen. Ydinreaktorit aiheuttavat atomin halkeamista ja sieppaavat suuria määriä vapautuvaa energiaa
Vaihe 3. Tutustu E = mc: n luomaan tekniikkaan2.
E = mc2 on mahdollistanut monia uusia ja jännittäviä tekniikoita, joista meistä on tullut ensisijaisia tarpeitamme:
- PET -skannaus käyttää radioaktiivisuutta nähdäkseen, mitä kehon sisällä on.
- Tämä yhtälö mahdollistaa televiestinnän kehittämisen satelliittien ja roverin kanssa.
- Radiohiilen dating käyttää tämän yhtälön perusteella radioaktiivista hajoamista muinaisten esineiden iän määrittämiseen.
- Ydinenergia tarjoaa puhtaamman ja tehokkaamman energialähteen yhteiskunnallemme.
