Physics

by admin Leave Comment

Learning Objectives

Bay the end of this section, you will be able to:

  • Explain the law of the conservation of energy.
  • Describe some of the many forms of energy.
  • Zdefiniuj wydajność procesu konwersji energii jako ułamek pozostawiony jako energia użyteczna lub praca, a nie przekształcony, na przykład, w energię cieplną.

Prawo zachowania energii

Energia, jak zauważyliśmy, jest zachowana, co czyni ją jedną z najważniejszych wielkości fizycznych w przyrodzie. Prawo zachowania energii można przedstawić w następujący sposób:

Totalna energia jest stała w każdym procesie. Może ona zmieniać formę lub być przenoszona z jednego systemu do drugiego, ale całkowita pozostaje taka sama.

Badaliśmy niektóre formy energii i niektóre sposoby, w jakie może ona być przenoszona z jednego systemu do drugiego. Eksploracja ta doprowadziła do zdefiniowania dwóch głównych rodzajów energii – energii mechanicznej (KE + PE) oraz energii przenoszonej poprzez pracę wykonaną przez siły niekonserwatywne (Wnc). Ale energia przyjmuje wiele innych form, manifestując się na wiele różnych sposobów, i musimy być w stanie poradzić sobie z nimi wszystkimi zanim będziemy mogli napisać równanie dla powyższego ogólnego stwierdzenia o zachowaniu energii.

Inne formy energii niż energia mechaniczna

W tym momencie zajmujemy się wszystkimi innymi formami energii, łącząc je w jedną grupę zwaną inną energią (OE). Następnie możemy określić zachowanie energii w formie równania jako KEi + PEi +Wnc +OEi = KEf + PEf + OEf.

Wszystkie rodzaje energii i pracy mogą być zawarte w tym bardzo ogólnym stwierdzeniu zachowania energii. Energia kinetyczna to KE, praca wykonana przez siły konserwatywne jest reprezentowana przez PE, praca wykonana przez siły niekonserwatywne to Wnc, a wszystkie inne energie są uwzględnione jako OE. Równanie to stosuje się do wszystkich poprzednich przykładów; w tych sytuacjach OE była stała, więc została odjęta i nie była bezpośrednio brana pod uwagę.

Making Connections: Usefulness of the Energy Conservation Principle

Fakt, że energia jest zachowana i ma wiele form czyni ją bardzo ważną. Zobaczysz, że energia jest omawiana w wielu kontekstach, ponieważ jest zaangażowana we wszystkie procesy. Stanie się również oczywiste, że wiele sytuacji jest najlepiej rozumianych w kategoriach energii i że problemy są często najłatwiej konceptualizowane i rozwiązywane przez rozważenie energii.

Kiedy OE odgrywa rolę? Jeden przykład występuje, gdy osoba je. Żywność jest utleniana z uwolnieniem dwutlenku węgla, wody i energii. Część tej energii chemicznej jest przekształcana w energię kinetyczną, kiedy osoba się porusza, w energię potencjalną, kiedy osoba zmienia wysokość, i w energię cieplną (inna forma OE).

Kilka z wielu form energii

Jakie są inne formy energii? Prawdopodobnie możesz wymienić wiele form energii, które nie zostały jeszcze omówione. Wiele z nich zostanie omówionych w późniejszych rozdziałach, ale pozwól nam szczegółowo opisać kilka z nich. Energia elektryczna jest powszechną formą, która jest przekształcana w wiele innych form i działa w szerokim zakresie sytuacji praktycznych. Paliwa, takie jak benzyna i żywność, niosą ze sobą energię chemiczną, która może być przeniesiona do systemu poprzez utlenianie. Paliwo chemiczne może również wytwarzać energię elektryczną, na przykład w akumulatorach. Baterie mogą z kolei wytwarzać światło, które jest bardzo czystą formą energii. Większość źródeł energii na Ziemi to w rzeczywistości zmagazynowana energia pochodząca z energii, którą otrzymujemy od Słońca. Czasami nazywamy to energią promienistą lub promieniowaniem elektromagnetycznym, które obejmuje światło widzialne, podczerwień i promieniowanie ultrafioletowe. Energia jądrowa pochodzi z procesów, które przekształcają mierzalne ilości masy w energię. Energia jądrowa jest przekształcana w energię światła słonecznego, w energię elektryczną w elektrowniach oraz w energię wymiany ciepła i wybuchu w broni. Atomy i molekuły wewnątrz wszystkich obiektów są w przypadkowym ruchu. Ta wewnętrzna energia mechaniczna pochodząca z przypadkowych ruchów nazywana jest energią cieplną, ponieważ jest związana z temperaturą obiektu. Te i wszystkie inne formy energii mogą być przekształcane w siebie nawzajem i mogą wykonywać pracę.

Tabela 1 podaje ilość energii przechowywanej, używanej lub uwalnianej z różnych obiektów i w różnych zjawiskach. Zakres energii oraz różnorodność typów i sytuacji jest imponująca.

Strategie rozwiązywania problemów z energią

Znajdziesz następujące strategie rozwiązywania problemów przydatne za każdym razem gdy masz do czynienia z energią. Strategie te pomagają w organizowaniu i wzmacnianiu pojęć związanych z energią. W rzeczywistości, są one używane w przykładach przedstawionych w tym rozdziale. Znane ogólne strategie rozwiązywania problemów, przedstawione wcześniej – dotyczące identyfikacji zasad fizycznych, znanych i nieznanych, sprawdzania jednostek, i tak dalej – nadal są tutaj istotne.

Krok 1. Określ system zainteresowania i zidentyfikuj, jaka informacja jest podana i jaka wielkość ma być obliczona. Pomocny będzie szkic.

Krok 2. Zbadaj wszystkie zaangażowane siły i określ, czy znasz lub czy podano Ci energię potencjalną z pracy wykonanej przez siły. Następnie zastosuj krok 3 lub krok 4.

Krok 3. Jeśli znasz energie potencjalne dla sił, które wchodzą do problemu, wtedy wszystkie siły są konserwatywne i możesz zastosować zachowanie energii mechanicznej po prostu w kategoriach energii potencjalnej i kinetycznej. Równanie wyrażające zachowanie energii to KEi + PEi = KEf + PEf.

Krok 4. Jeśli znasz energię potencjalną tylko dla niektórych sił, być może dlatego, że niektóre z nich są niekonserwatywne i nie mają energii potencjalnej, lub jeśli istnieją inne energie, które nie są łatwo traktowane w kategoriach siły i pracy, wówczas należy zastosować prawo zachowania energii w jego najbardziej ogólnej postaci.

KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf +OEf.

W większości problemów jeden lub więcej z terminów wynosi zero, co upraszcza rozwiązanie. Nie obliczaj Wc, pracy wykonanej przez siły zachowawcze; jest ona już uwzględniona w terminach PE.

Krok 5. Zidentyfikowałeś już rodzaje pracy i energii (w kroku 2). Przed rozwiązaniem dla niewiadomej, wyeliminuj wyrażenia wszędzie tam, gdzie to możliwe, aby uprościć algebrę. Na przykład, wybierz h=0 w punkcie początkowym lub końcowym, tak aby PEg wynosiło tam zero. Następnie rozwiązać dla niewiadomej w zwyczajowy sposób.

Krok 6. Sprawdź, czy odpowiedź jest sensowna. Po rozwiązaniu zadania ponownie przeanalizuj formy pracy i energii, aby sprawdzić, czy poprawnie ułożyłeś równanie zachowania energii. Na przykład praca wykonana wbrew tarciu powinna być ujemna, energia potencjalna na dole wzgórza powinna być mniejsza niż na górze itd. Sprawdźcie również, czy otrzymana wartość liczbowa jest rozsądna. Na przykład, prędkość końcowa deskorolkarza, który zjeżdża z rampy o wysokości 3 m może wynosić 20 km/h, ale nie 80 km/h.

Transformacja energii

Rysunek 1. Energia słoneczna jest przekształcana w energię elektryczną przez ogniwa słoneczne, która jest wykorzystywana do napędzania silnika w tym samolocie zasilanym energią słoneczną. (kredyt: NASA)

Przekształcanie energii z jednej formy w inną odbywa się cały czas. Energia chemiczna w żywności jest przekształcana w energię cieplną poprzez metabolizm; energia świetlna jest przekształcana w energię chemiczną poprzez fotosyntezę. W szerszym przykładzie, energia chemiczna zawarta w węglu jest przekształcana w energię cieplną, gdy spala się on, by zamienić wodę w parę w kotle. Ta energia cieplna w parze jest z kolei zamieniana na energię mechaniczną, ponieważ obraca turbinę, która jest połączona z generatorem w celu wytworzenia energii elektrycznej. (We wszystkich tych przykładach nie cała energia początkowa jest przekształcana we wspomniane formy. Ten ważny punkt jest omówiony później w tej sekcji.)

Inny przykład konwersji energii występuje w ogniwie słonecznym. Światło słoneczne padające na ogniwo słoneczne (patrz rysunek 1) wytwarza energię elektryczną, która z kolei może być użyta do uruchomienia silnika elektrycznego. Energia jest przekształcana z pierwotnego źródła energii słonecznej w energię elektryczną, a następnie w energię mechaniczną.

.

Tabela 1. Energia różnych obiektów i zjawisk
Przedmiot/zjawisko Energia w dżulach
Wielki Wybuch 1068
Energia wyzwolona w supernowej 1044
Fuzja całego wodoru w ziemskich oceanach 1034
Roczne światowe zużycie energii 4 × 1020
Duża bomba termojądrowa (9 megaton) 3.8 × 1016
1 kg wodoru (synteza do helu) 6,4 × 1014
1 kg uranu (rozszczepienie jądrowe) 8,0 × 1013
Bomba rozszczepieniowa wielkości Hiroszimy (10 kiloton) 4.2 × 1013
90 000-tonowy lotniskowiec z prędkością 30 węzłów 1.1 × 1010
1 baryłka ropy naftowej 5.9 × 109
1 tona trotylu 4.2 × 109
1 galon benzyny 1.2 × 108
Codzienne zużycie energii elektrycznej w domu (kraje rozwinięte) 7 × 107
Codzienne spożycie żywności przez osobę dorosłą (zalecane) 1.2 × 107
1000-kg samochód przy prędkości 90 km/h 3.1 × 105
1 g tłuszczu (9,3 kcal) 3,9 × 104
reakcja hydrolizy ATP 3.2 × 104
1 g węglowodanów (4,1 kcal) 1,7 × 104
1 g białka (4.1 kcal) 1,7 × 104
Piłka tenisowa przy prędkości 100 km/h 22
Mosquito (10-2 g przy 0,5 m/s) 1,3 × 10-6
Jeden elektron w wiązce lampy telewizyjnej 4.0 × 10-15
Energia potrzebna do zerwania jednej nici DNA 10-19

Wydajność

Nawet jeśli energia jest zachowana w procesie konwersji energii, produkcja użytecznej energii lub pracy będzie mniejsza niż wkład energii. Sprawność Eff procesu konwersji energii definiuje się jako

Tabela 2 zawiera listę niektórych sprawności urządzeń mechanicznych i działalności człowieka. W elektrowni węglowej, na przykład, około 40% energii chemicznej zawartej w węglu staje się użyteczną energią elektryczną. Pozostałe 60% przekształca się w inne (być może mniej użyteczne) formy energii, takie jak energia cieplna, która jest następnie uwalniana do środowiska poprzez gazy spalinowe i wieże chłodnicze.

Tabela 2. Sprawność ciała ludzkiego i urządzeń mechanicznych
Działanie/urządzenie Sprawność (%)
Rower i wspinaczka 20
Pływanie, powierzchniowe 2
Pływanie, zanurzone 4
Płukanie 3
Podnoszenie ciężarów 9
Silnik parowy 17
Silnik benzynowy 30
Silnik Diesla 35
Elektrownia jądrowa 35
Elektrownia węglowa 42
Silnik elektryczny 98
Współczynnik świetlny 20
Grzejnik gazowy (mieszkalny) 90
Ogniwo słoneczne 10

PhET Explorations: Masses and Springs

Realistyczne laboratorium mas i sprężyn. Zawieś masy na sprężynach i dostosuj sztywność i tłumienie sprężyn. Możesz nawet spowolnić czas. Przenieś laboratorium na różne planety. Wykres pokazuje energię kinetyczną, potencjalną i cieplną dla każdej sprężyny.

Kliknij, aby uruchomić symulację.

Spis treści

  • Prawo zachowania energii stwierdza, że całkowita energia jest stała w każdym procesie. Energia może zmienić formę lub zostać przeniesiona z jednego systemu do drugiego, ale całkowita pozostaje taka sama.
  • Gdy wszystkie formy energii są brane pod uwagę, zachowanie energii jest zapisane w formie równania jako KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf + OEf, gdzie OE jest wszystkimi innymi formami energii oprócz energii mechanicznej.
  • Często spotykane formy energii obejmują energię elektryczną, energię chemiczną, energię promieniowania, energię jądrową i energię cieplną.
  • Energia jest często wykorzystywana do wykonywania pracy, ale nie jest możliwe przekształcenie całej energii systemu w pracę.
  • Wydajność Eff maszyny lub człowieka jest zdefiniowana jako \tekst{Eff}= \frac{{W}_{tekst{out}}}{{E}_{tekst{in}}}, gdzie Wout jest użyteczną pracą wyjściową, a Ein jest zużytą energią.

Pytania koncepcyjne

  1. Rozważmy następujący scenariusz. Samochód, w którym tarcie nie jest pomijalnie małe, przyspiesza z miejsca w dół wzgórza i po krótkim czasie kończy mu się benzyna. Kierowca pozwala samochodowi jechać dalej w dół wzgórza, a następnie w górę i przez niewielki grzbiet. Następnie zjeżdża z tego wzgórza do stacji benzynowej, gdzie zatrzymuje się i napełnia bak benzyną. Określ, jakimi formami energii dysponuje samochód oraz jak są one zmieniane i przekazywane w tej serii zdarzeń. (Patrz rysunek 2.)

    Rysunek 2. Samochód doświadczający nieistotnego tarcia zjeżdża ze wzgórza, pokonuje niewielki grzbiet, potem znów zjeżdża w dół i zatrzymuje się na stacji benzynowej.

  2. Samochód doświadczający nieistotnego tarcia zjeżdża ze wzgórza, pokonuje niewielki grzbiet, potem znów zjeżdża w dół i zatrzymuje się na stacji benzynowej. Każde z tych położeń jest oznaczone strzałką skierowaną w dół.
  3. Opisz transfery i przemiany energii dla oszczepu, zaczynając od punktu, w którym sportowiec podnosi oszczep i kończąc, gdy oszczep jest wbity w ziemię po rzucie.
  4. Czy urządzenia o sprawności mniejszej niż jeden naruszają prawo zachowania energii? Explain.
  5. List cztery różne formy lub rodzaje energii. Podaj jeden przykład przemiany każdej z tych form w inną formę.
  6. Wymień przemiany energii, które zachodzą podczas jazdy na rowerze.

Problemy &Ćwiczenia

  1. Używając wartości z tabeli 1, ile cząsteczek DNA mogłoby zostać rozbitych przez energię niesioną przez pojedynczy elektron w wiązce staromodnej lampy telewizyjnej? (Te elektrony nie były niebezpieczne same w sobie, ale tworzyły niebezpieczne promienie x. Późniejsze modele telewizorów lampowych miały osłony, które pochłaniały promienie x zanim uciekły i naraziły widzów.)
  2. Używając rozważań energetycznych i zakładając pomijalny opór powietrza, pokaż, że kamień rzucony z mostu 20,0 m nad wodą z prędkością początkową 15.0 m/s uderza w wodę z prędkością 24.8 m/s niezależnie od kierunku rzutu.
  3. Jeśli energia zawarta w bombach termojądrowych zostałaby użyta do zaspokojenia potrzeb energetycznych świata, ile z 9-megatonowej odmiany byłoby potrzebnych na roczny zapas energii (używając danych z Tabeli 1)? Nie jest to tak odległe jak może się wydawać – istnieją tysiące bomb jądrowych, a ich energia może być uwięziona w podziemnych eksplozjach i przetworzona na elektryczność, tak jak naturalna energia geotermalna.
  4. (a) Wykorzystanie fuzji wodorowej do dostarczania energii jest marzeniem, które może zostać zrealizowane w następnym stuleciu. Fuzja byłaby stosunkowo czystym i prawie nieograniczonym źródłem energii, jak wynika z tabeli 1. Dla zilustrowania tego faktu oblicz, przez ile lat obecne potrzeby energetyczne świata mogłyby być zaspokajane przez jedną milionową część energii fuzji wodorowej oceanów. (b) Jak ten czas ma się do historycznie znaczących wydarzeń, takich jak czas trwania stabilnych systemów gospodarczych?

Słowniczek

prawo zachowania energii: ogólne prawo mówiące, że całkowita energia jest stała w każdym procesie; energia może zmieniać formę lub być przekazywana z jednego systemu do drugiego, ale całkowita pozostaje taka sama

energia elektryczna: energia przenoszona przez przepływ ładunków

energia chemiczna: energia w substancji przechowywana w wiązaniach między atomami i cząsteczkami, która może być uwolniona w reakcji chemicznej

energia promieniowania: energia przenoszona przez fale elektromagnetyczne

energia jądrowa: energia uwalniana przez zmiany zachodzące w jądrach atomowych, takie jak fuzja dwóch lekkich jąder lub rozszczepienie ciężkiego jądra

energia termiczna: energia wewnątrz obiektu spowodowana przypadkowym ruchem jego atomów i cząsteczek, która odpowiada za temperaturę obiektu

efektywność: miara efektywności wkładu energii do wykonania pracy; energia użyteczna lub praca podzielona przez całkowity wkład energii

Wybrane rozwiązania problemów &Ćwiczenia

1. 4 × 104 molekuły

2. Równoważąc ΔPEg i ΔKE otrzymujemy v=sqrt{2gh+v_0^2}=sqrt{2}left(9,80\text{ m/s}^2}prawa)\left(20,0\text{ m/s}}prawa)+\left(15,0\text{ m/s}}prawa)^2}=24.(a) 25 × 106 lat; (b) To znacznie, znacznie dłużej niż ludzka skala czasu.

  1. Wartości reprezentatywne ↵

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.