Albert Einsteini poolt 1905. aastal avastatud revolutsioonilises teaduslikus töös E = mc2 sisse viidud, kus: E on energia, m on mass ja c on valguse kiirus vaakumis. Sellest ajast alates on E = mc2 on saanud üheks tunnustatumaks võrrandiks maailmas. Tegelikult on füüsikataustaga inimesed sellest võrrandist vähemalt kuulnud ja on teadlikud selle tohutust mõjust maailmale. Kuid enamik inimesi ei tea, mida võrrand tähendab. Lihtsamalt öeldes tähistab see võrrand energia korrelatsiooni ainega: sisuliselt on energia ja mateeria sama asja kaks vormi. See lihtne võrrand on muutnud seda, kuidas me mõtleme energiast, ja on toonud kaasa erinevaid tehnoloogilisi edusamme.
Samm
Osa 1 /2: Võrrandite mõistmine
Samm 1. Määratlege võrrandi muutujad
Esimene samm võrrandi mõistmiseks on iga muutuja tähenduse tundmine. Sel juhul on E statsionaarse objekti energia, m on objekti mass ja c on valguse kiirus vaakumis.
Valguse kiirus (c) on konstant, mis on igas võrrandis võrdne ja ligikaudu 3,00x108 meetrit sekundis. Einsteini relatiivsusteooria kontekstis c2 toimib pigem ühiku teisendustegurina kui konstandina. Seetõttu on c mõõtmete analüüsi tulemusel ruudus (energiat mõõdetakse džaulides või kg m2 s-2), nii et lisades c2 tagamaks, et energia ja massi suhe on mõõtmetelt järjepidev.
Samm 2. Mõista, mis on energia
Energiavorme on palju, sealhulgas soojus, elekter, kemikaalid, tuumaenergia ja teised. Energia kantakse üle erinevate süsteemide vahel (ühele süsteemile antakse energiat, samal ajal kui energiat võetakse teisest).
Energiat ei saa luua ega hävitada, vaid muuta seda erinevatesse vormidesse. Näiteks söel on palju potentsiaalset energiat, mis muutub põletamisel soojusenergiaks
Samm 3. Määratlege massi mõiste
Mass on üldiselt määratletud kui aine kogus objektis.
- Massil on ka teine määratlus. On termineid "puhkeenergia" ja "relativistlik mass". Puhkeenergia on mass, mis on konstantne ja ei muutu, olenemata sellest, millist võrdlusraamistikku te kasutate. Teiselt poolt. relativistlik mass sõltub objekti kiirusest. Võrrandis E = mc2, m viitab ülejäänud energiale. See on väga oluline, sest see tähendab teie massi ei suureneb isegi siis, kui kiirendate kiirust, vastupidiselt levinud arvamusele.
- Tuleb mõista, et mass ja kaal on kaks erinevat asja. Kaal on gravitatsioonijõud, mida objekt tunneb, mass aga objekti ainehulk. Mass muutub ainult siis, kui objekti füüsiliselt muudetakse, samas kui kaal muutub sõltuvalt objekti ümbruse raskusastmest. Massi mõõdetakse kilogrammides (kg), kaalu aga njuutonites (N).
- Nagu energiat, ei saa ka massi luua ega hävitada, kuid see võib vormi muuta. Näiteks jääkuubikud sulavad vedelaks, kuid neil on mõlemat tüüpi vormides siiski sama mass.
Samm 4. Mõista, et mass ja energia on samaväärsed
See võrrand väidab, et mass ja energia on samaväärsed ning ütleb, kui palju energiat on antud massikoguses. Põhimõtteliselt selgitab see võrrand, et väike mass on tegelikult täis suurt energiat.
Osa 2: Võrrandite rakendamine reaalses maailmas
Samm 1. Mõista, kust kasutatud energia pärineb
Suurem osa tarbitavast energiast tuleb söe ja maagaasi põletamisel. Nende ainete põletamisel kasutatakse valentselektroneid (paaritamata elektronid aatomite väliskestaga) ja teiste elementidega loodud sidemeid. Soojuse lisamisel need sidemed purunevad ja vabanev energia kasutatakse jõuallikana.
Selle meetodi abil energia hankimine on väga ebaefektiivne ja kahjustab keskkonda
Samm 2. Rakendage Einsteini võrrandid, et muuta energia muundamine tõhusamaks
E = mc2ütleb meile, et aatomi tuumas on rohkem energiat kui valentselektronites. Aatomilõhustumisel vabanev energia on palju suurem kui elektronide sidemete purunemisel.
Tuumaenergia põhineb sellel põhimõttel. Tuumareaktorid põhjustavad aatomilõhustumist ja koguvad suurel hulgal vabanenud energiat
Samm 3. Avastage E = mc loodud tehnoloogiad2.
E = mc2 on võimaldanud luua palju uusi ja põnevaid tehnoloogiaid, mille hulgas oleme saanud meie esmaseks vajaduseks:
- PET -skaneerimine kasutab radioaktiivsust, et näha, mis kehas on.
- See võrrand võimaldab arendada telekommunikatsiooni satelliitide ja roveriga.
- Raadiosüsiniku dateerimine kasutab selle võrrandi põhjal radioaktiivset lagunemist, et määrata kindlaks iidsete esemete vanus.
- Tuumaenergia on meie ühiskonna jaoks puhtam ja tõhusam energiaallikas.
