W rewolucyjnej pracy naukowej odkrytej przez Alberta Einsteina w 1905 r. E = mc2 wprowadzono, gdzie: E to energia, m to masa, a c to prędkość światła w próżni. Od tego czasu E = mc2 stało się jednym z najbardziej rozpoznawalnych równań na świecie. W rzeczywistości ludzie bez wykształcenia fizycznego przynajmniej słyszeli o tym równaniu i są świadomi jego ogromnego wpływu na świat. Jednak większość ludzi nie wie, co oznacza równanie. Mówiąc najprościej, to równanie reprezentuje korelację energii z materią: w istocie energia i materia są dwiema formami tej samej rzeczy. To proste równanie zmieniło sposób, w jaki myślimy o energii i dało początek różnym postępom technologicznym.
Krok
Część 1 z 2: Zrozumienie równań
Krok 1. Zdefiniuj zmienne równania
Pierwszym krokiem do zrozumienia równania jest poznanie znaczenia każdej ze zmiennych. W tym przypadku E to energia obiektu nieruchomego, m to masa obiektu, a c to prędkość światła w próżni.
Prędkość światła (c) jest stałą, która jest równa w każdym równaniu i jest w przybliżeniu równa 3,00x108 metrów na sekundę. W kontekście względności Einsteina c2 działa bardziej jako współczynnik konwersji jednostek niż stała. Dlatego c jest podnoszone do kwadratu w wyniku analizy wymiarowej (energia jest mierzona w dżulach lub kg m2 s-2) tak, że dodanie c2 aby zapewnić, że związek między energią i masą jest spójny wymiarowo.
Krok 2. Zrozum, czym jest energia
Istnieje wiele form energii, w tym ciepło, elektryczność, chemikalia, energia jądrowa i inne. Energia jest przekazywana pomiędzy różnymi systemami (zasilając jeden system, jednocześnie czerpiąc energię z innego).
Energii nie można tworzyć ani niszczyć, a jedynie przekształcać w różne formy. Na przykład węgiel ma dużo energii potencjalnej, która po spaleniu zamienia się w energię cieplną
Krok 3. Zdefiniuj pojęcie masy
Masę ogólnie definiuje się jako ilość materii w obiekcie.
- Jest też inna definicja masy. Istnieją terminy „energia spoczynkowa” i „masa relatywistyczna”. Energia spoczynkowa to masa, która jest stała i nie zmienia się, bez względu na to, jakiego układu odniesienia używasz. Z drugiej strony. masa relatywistyczna zależy od prędkości obiektu. W równaniu E = mc2, m odnosi się do energii spoczynkowej. To bardzo ważne, bo to oznacza twoją masę nie wzrasta, nawet jeśli nabierasz prędkości, wbrew powszechnemu przekonaniu.
- Należy rozumieć, że masa i waga to dwie różne rzeczy. Waga to siła grawitacyjna odczuwana przez obiekt, podczas gdy masa to ilość materii w obiekcie. Masa zmienia się tylko wtedy, gdy obiekt jest fizycznie zmieniony, podczas gdy waga zmienia się w zależności od grawitacji otoczenia obiektu. Masę mierzy się w kilogramach (kg), podczas gdy wagę w Newtonach (N).
- Podobnie jak energia, masa nie może zostać stworzona ani zniszczona, ale może zmienić formę. Na przykład kostki lodu topią się w płyn, ale nadal mają tę samą masę w obu rodzajach form.
Krok 4. Zrozum, że masa i energia są równoważne
To równanie stwierdza, że masa i energia są równoważne i mówi, ile energii zawiera dana ilość masy. Zasadniczo to równanie wyjaśnia, że mała masa jest w rzeczywistości pełna wielkiej energii.
Część 2 z 2: Stosowanie równań w świecie rzeczywistym
Krok 1. Zrozum, skąd pochodzi zużyta energia
Większość zużywanej przez nas energii pochodzi ze spalania węgla i gazu ziemnego. Spalanie tych substancji wykorzystuje elektrony walencyjne (niesparowane elektrony w zewnętrznej powłoce atomów) oraz wiązania utworzone z innymi pierwiastkami. Po dodaniu ciepła wiązania te zostają zerwane, a uwolniona energia jest wykorzystywana jako źródło zasilania.
Pozyskiwanie energii tą metodą jest bardzo nieefektywne i szkodliwe dla środowiska
Krok 2. Zastosuj równania Einsteina, aby konwersja energii była bardziej wydajna
E = mc2mówi nam, że w jądrze atomu jest więcej energii niż w elektronach walencyjnych. Energia uwalniana z rozszczepienia atomów jest znacznie wyższa niż energia zerwania wiązań elektronowych.
Na tej zasadzie opiera się energetyka jądrowa. Reaktory jądrowe powodują rozszczepienie atomów i wychwytują duże ilości uwolnionej energii
Krok 3. Odkryj technologie stworzone przez E = mc2.
E = mc2 pozwoliło na stworzenie wielu nowych i ekscytujących technologii, wśród których staliśmy się naszymi podstawowymi potrzebami:
- Skan PET wykorzystuje radioaktywność, aby zobaczyć, co znajduje się w ciele.
- Równanie to pozwala na rozwój telekomunikacji z satelitami i łazikiem.
- Datowanie radiowęglowe wykorzystuje radioaktywny rozkład w oparciu o to równanie do określenia wieku starożytnych obiektów.
- Energia jądrowa zapewnia czystsze i wydajniejsze źródło energii dla naszego społeczeństwa.
