A hosszú évszázadok alatt az egyik biztos dolog, amit a tudósok felfedeztek, az, hogy a természet bonyolultabb, mint hinnénk. 😉 A fizika törvényeit alapvetőknek tekintjük, bár sokszor olyan idealizált vagy elméleti rendszereket írnak le, amelyek a való világban nehezen megtalálhatók. A fizikában az az elképesztő, hogy olyan hétköznapi dolgokkal foglalkozik, mint a fény, a mozgás, az idő, a tömeg, és olyan láthatatlan erőkig jut, mint a mágnesesség vagy a gravitáció.
Más tudományterületekhez hasonlóan a fizika új törvényei is egymásra épülnek, vagy módosíthatják a meglévő törvényeket és elméleti kutatásokat. Albert Einstein relativitáselmélete, amelyet az 1900-as évek elején fejlesztett ki, azokra az elméletekre épít, amelyeket Sir Isaac Newton több mint 200 évvel korábban dolgozott ki.
Az általános tömegvonzás törvénye
Sir Isaac Newton úttörő munkája először 1687-ben jelent meg a „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” (A természet-filozófia matematikai alapelvei) című könyvében.
A fizika három mozgástörvénye
Newton három mozgástörvénye, amely szintén megtalálható a „The Principia” -ben, szabályozza, hogyan változik a fizikai tárgyak mozgása. Meghatározzák az objektum gyorsulása és a rá ható erők közötti alapvető kapcsolatot.
Ez a három alapelv együttesen a klasszikus mechanika alapját képezi, amely leírja, hogyan viselkednek testileg a külső erők befolyása alatt.
A tömeg és az energia megmarad
Albert Einstein A mozgó testek elektrodinamikájáról című cikkét „Zur Elektrodynamik bewegter Körper” címmel publikálta 1905 szeptemberében az Annalen der Physik folyóirat. A tanulmány bemutatta a speciális relativitáselméletet, amely két posztulátumon alapul:
- A relativitás elve: A fizika törvényei ugyanolyanok minden inerciális referenciarendszerben.
- A fénysebesség állandósága: A fény a vákuumban mindig egy meghatározott sebességgel terjed, ami független a kibocsátó test mozgási állapotától.
Az első elv egyszerűen azt mondja, hogy a fizika törvényei minden helyzetben mindenkire vonatkoznak. A második alapelv a legfontosabb. Megállapítja, hogy a vákuumban a fénysebesség állandó. A mozgás minden más formájától eltérően nem különbözik a megfigyelőktől különböző inerciális referenciakereteknél.
A termodinamika törvényei
A termodinamika törvényei valójában a tömegenergia energia megőrzésének törvényének sajátos megnyilvánulásai, mivel termodinamikai folyamatokra utalnak. A hőhatásokat az 1650-es években először Otto von Guericke németországi, Robert Boyle és Robert Hooke Nagy-Britanniában kutatták. Mindhárom tudós használt vákuumszivattyúkat, amelyek von Guericke esetében úttörő szerepet játszottak a nyomás, a hőmérséklet és a térfogat elvének tanulmányozásában.
- A termodinamika nulladik törvénye
A nulladik főtétel tulajdonképpen nem egyetlen „törvényt”, hanem több posztulátumot jelent, amelyek a termodinamikai rendszer egyensúlyával kapcsolatosak. Ezek:- bármely magára hagyott termodinamikai rendszer egy idő után egyensúlyi állapotba kerül, amelyből önmagától nem mozdulhat ki;
- egy egyensúlyban levő termodinamikai rendszer szabadságfokainak száma a környezetével megvalósítható kölcsönhatások számával egyenlő;
- a két testből álló magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van, ha a testek között fellépő kölcsönhatásokat jellemző intenzív állapothatározóik egyenlők;
- az egyensúly tranzitív (ha A rendszer termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van C rendszerrel, akkor ebből következik, hogy A és B rendszer is termodinamikai egyensúlyban van egymással).
- A termodinamika első törvénye az energiamegmaradás törvénye
A termodinamika első főtétele mennyiségi összefüggést állapít meg a mechanikai munka, a cserélt hő és a belső energia változása között. Egy nyugvó és zárt termodinamikai rendszer belső energiáját, amennyiben annak belsejében nem zajlik le fázisátalakulás vagy kémiai reakció, kétféleképpen lehet megváltoztatni: munkavégzéssel és hőközléssel. - A második főtétel a spontán folyamatok irányát szabja meg. Több, látszólag lényegesen különböző megfogalmazása van.
A termodinamika második törvénye a természetes hőáramlásra vonatkozik egy zárt rendszeren belül.
Clausius-féle megfogalmazás (1850): A természetben nincs olyan folyamat, amelyben a hő önként, külső munkavégzés nélkül hidegebb testről melegebbre menne át. Csakis fordított irányú folyamatok lehetségesek.
Kelvin–Planck-féle megfogalmazás (1851, 1903): A természetben nincs olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít, és ez a hő munkává alakulna át. Szemléletesen egy hajó lehetne ilyen, amelyik a tenger vizéből hőenergiát von el, és a kivont hőenergiával hajtja magát. Ez nem mond ellent az energiamegmaradásnak, mégsem kivitelezhető.
Az ilyen gépet másodfajú perpetuum mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum mobile. - A termodinamika harmadik törvénye szerint lehetetlen termodinamikai folyamatot létrehozni, amely tökéletesen hatékony. Kimondja, hogy tökéletes kristályos anyag entrópiája abszolút nulla fok hőmérsékleten zérus. A tétel egyik legfontosabb következménye, hogy az abszolút zérus hőmérséklet (0 K) véges sok lépésben nem érhető el.
Elektrosztatika törvényei
A fizika két törvénye szabályozza az elektromosan töltött részecskék és az elektrosztatikus erő és az elektrosztatikus terek létrehozásának képességét.
- Coulomb törvényét Charles-Augustin Coulomb, az 1700-as években dolgozó francia kutatóról nevezték el. „Két elektromos töltés vonzási vagy taszító ereje egyenesen arányos a szorzatukkal és fordítottan arányos a köztük lévő távolsággal.” Ha az objektumok ugyanolyan töltéssel rendelkeznek, pozitívak vagy negatívak, akkor taszítják egymást. Ha ellentétes töltésük van, akkor vonzzák egymást.
- Gauss törvényét Carl Friedrich Gauss német matematikusról nevezték el, aki a 19. század elején tevékenykedett. Integrált formában azt állítja, hogy az elektromos tér tetszőleges zárt felületről kilépő fluxusa arányos a felület által körülvett elektromos töltéssel, függetlenül attól, hogy ez a töltés hogyan oszlik el.Annak ellenére, hogy a törvény önmagában nem elegendő egy bármilyen töltéseloszlást körülvevő felület elektromos mezőjének meghatározásához, ez lehetséges lehet olyan esetekben, amikor a szimmetria megköveteli a tér egyenletességét. Ahol nincs ilyen szimmetria, ott a Gauss-törvény differenciális alakjában használható, amely kimondja, hogy az elektromos tér divergenciája arányos a helyi töltéssűrűséggel.
