Енергија и заштеда на енергија - форми на енергија и енергетски конверзии
Енергија - една од најважните величини во физиката
Работата и енергијата се основни параметри за опишување на физичките процеси. Енергијата е количина на зачувување. Тоа значи дека не може да се создаде ниту уништи.
Енергијата доаѓа во различни форми кои можат да се трансформираат една во друга.
Работа и енергија
За да забрзаме тело, потребна ни е сила. Односот помеѓу силата и забрзувањето е опишан во основната равенка на механиката:
Силата што го движи телото на растојание s ја извршува работата
Пример:
Телото со маса од m = 5kg се подигнува до висина од h = 2m.
Потребна е работа за подигнување за ова
каде F е тежината [] и растојанието s одговара на висината h:
Ако ги користите горенаведените вредности, добивате за извршената работа за подигнување
Бидејќи работата на кревање е направена на телото, неговата енергија се зголемува. Енергијата што ја поседува телото поради својата позиција (или висина) се нарекува Енергија на позицијата или потенцијална енергија.
Следното се применува: Примената енергетска енергија одговара на употребената работа за подигнување.
Ако телото падне потоа, работата на забрзувањето се прави на телото. Енергијата на позицијата се претвора во кинетичка енергија. Кога ќе ја погоди земјата, телото се деформира/загрева. Кинетичката енергија се претвора во топлинска енергија.
Дефиниција и својства на енергијата
Работата направена на тело ја зголемува енергијата на телото. Работата што телото ја прави ја намалува неговата енергија. Работата предизвикува промена во состојбата во која се наоѓа телото (поместување, забрзување, деформација, греење, итн.).
Енергијата е мерка за тоа колку труд е вложен или сработен од телото.
Работата и енергијата ја имаат истата единица, имено џул (J).
Се применува следново: 1 J = 1 Nm
Механички форми на енергија
Постојат различни форми на механичка енергија.
Сега сакаме да ги дефинираме најважните механички форми на енергија и потоа да испитаме примери на конверзии помеѓу овие форми на енергија.
1. Потенцијална енергија (позициона енергија)
Ако некое тело е подигнато, на него се изведува работа за подигнување. Ова ја зголемува нејзината потенцијална енергија (позиција на енергија).
Потенцијална енергија
Работниот капацитет што го поседува секое тело поради својата позиција (висина) се нарекува Енергија на позицијата или потенцијална енергија Епот.
Потенцијалната енергија на телото е
Висината се мери од нула точка што може да се избере слободно. На крајот, енергетските разлики се секогаш одлучувачки во физичките процеси.
Работниот капацитет или енергијата што ја поседува телото по подигнувањето е исто толку голема колку и вклучената работа за подигнување. Така можете да кажете:
Позиционата енергија е зачувана работа за подигнување.
Работата и енергијата се исти единица, имено тоа Ouул (Ј).
Следното се применува: 1 J = 1 Nm
2. Кинетичка енергија
Енергијата што се снабдува со движењето преку работа за забрзување се означува како Кинетичка енергија или кинетичка енергија Екин. Колку е поголема брзината и поголема е масата на телото, толку е поголема неговата кинетичка енергија.
Формула за пресметување на кинетичката енергија
Ако постојана сила F дејствува врз тело по линија s, таа се забрзува подеднакво. Работата за забрзување е направена на телото.
Кинетичката енергија одговара на сработеното, затоа:
Силата произлегува од производот на масата и забрзувањето []. Следното се применува:
Законот за време-далечина важи за рамномерно забрзани движења .
Ова се однесува на кинетичката енергија
Производот на забрзување и време одговара на брзината: .
Ова резултира во кинетичка енергија
Кинетичка енергија (кинетичка енергија)
Енергијата што ја снабдува работата за забрзување што ја поседува едно тело поради неговата брзина се нарекува Кинетичка енергија или кинетичка енергија Екин.
Кинетичката енергија на телото е
Пример за пресметување на кинетичката енергија:
Автомобил со маса од m = 950kg се движи со брзина од v = 120km/h.
За пресметка, брзината прво мора да се претвори во единица m/s. Ова резултира во: v = 33,33m/s.
Ова ја дава кинетичката енергија:
Конверзии на енергија и заштеда на енергија
Ако некое тело падне од висина h, неговата потенцијална енергија се намалува. Но, енергијата не исчезнува, таа се претвора во кинетичка енергија.
Непосредно пред да удриме во земјата (при h = 0), потенцијалната енергија е целосно претворена во кинетичка енергија.
За време на падот, потенцијалната енергија се намалува и кинетичката енергија се зголемува.
На вкупно обете форми на енергија остануваат постојани. Заедно тие ја даваат вкупната енергија на системот.
Ова се однесува не само на овој пример, туку и на сите процеси. Ова е основен принцип и може да се формулира како што следува:
Закон за зачувување на енергијата
На Вкупна енергија затворен систем останува со сите процеси постојана.
Енергијата може да се конвертира само, но не се губи.
Кога некој зборува за „производство на енергија“ или „загуба на енергија“, секогаш се мисли на претворање во други форми на енергија.
Пример за енергетски конверзии
Во едно електрана со јаглен хемиската енергија од јагленот се претвора во топлинска енергија преку согорување. Како резултат, водата испарува, а водената пареа ги движи турбините. Топлинската енергија се претвора во механичка енергија (кинетичка енергија). Турбините се споени со генератор кој ја претвора кинетичката енергија во електрична енергија со индукција.
Конверзија на енергија во термоелектраните:
Хемиска енергија → топлинска енергија → кинетичка енергија → електрична енергија
Значи, во електричните централи не се создава енергија, туку само се претвора.
За жал, не целата хемиска енергија може да се претвори во електрична енергија. Според законите на термодинамиката, во принцип не е можно да се изгради машина што може континуирано и целосно да ја претвора топлинската енергија во механичка енергија. Дел од енергијата секогаш се дава како топлина за околината, па се чини дека е „изгубена“.
При претворање на механичките форми на енергија (на пр. Потенцијална енергија во кинетичка енергија или обратно), обично само многу мал дел од енергијата се претвора во топлина (преку триење). Ако триењето е занемарливо, односно „загубата на енергија“ е минимална, во пракса може да се претпостави целосна конверзија помеѓу механичките форми на енергија.
Што можете да направите со законот за зачувување на енергијата?
Со помош на законот за зачувување на енергијата, многу физички проблеми можат да се решат на многу едноставен начин.
Ако некој го занемари триењето и со тоа пропорцијата на енергијата претворена во топлина при конверзија помеѓу механичките форми на енергија, сите вклучени количини може лесно да се пресметаат со изедначување на двете форми на енергија.
Плус едноставен пример:
Пресметка на брзината на паѓање на топката со користење на пристапот за зачувување на енергијата
Ние веќе ја изведовме врската помеѓу брзината на падот и висината на падот со помош на законите на движење.
За брзината во функција на висината на падот резултатот беше: .
Ние сакаме оваа врска со енергичен пристап изведе:
За време на слободниот пад, потенцијалната енергија целосно се претвора во кинетичка енергија. Вкупната енергија останува постојана.
Така, можете да ги изедначите двете енергии:
Сега ги вметнуваме големини и добиваме
Префрлување на v дава
или.
Значи, ја добивате истата формула како и со помош на законите за движење. Сепак, изведувањето е малку полесно.
На сличен начин, многу други проблеми можат да се решат на релативно едноставен начин.
Друг пример:
Ние сакаме да ја пресметаме висината достигната од топката фрлена вертикално нагоре со брзина од v = 15m/s.
Наместо да ги бараме збирките формули за формулите за вертикално фрлање, повторно го избираме енергетскиот пристап и ја изедначуваме кинетичката и потенцијалната енергија:
Сега ја решаваме оваа равенка за висината h што ја бараме и добиваме:
Оваа формула, исто така, одговара на формулата што веќе е добиена со помош на законите за движење за висината на искачувањето во вертикално фрлање.
Ако ги вметнеме вредностите, добиваме за висината
3. Енергија на стегање
Друга форма на механичка енергија е енергијата на затегнатоста.
На пример, ако спиралната пружина е растегната или компресирана од својата позиција за одмор, потребна е сила. Силата предизвикува издолжување или скратување на пролетта за одредено растојание, така што работата за затегнување треба да се заврши.
Ова дело е тогаш во пенкало како Енергија на напнатост Еспан зачувани.
Пресметка на енергијата на напнатоста
Енергијата на затегнатоста произлегува од производот на силата и продолжувањето на пружината:
Сепак, мора да се напомене дека силата не е константна за време на продолжувањето, но се зголемува со зголемување на продолжувањето.
Законот на Хук се применува на односот помеѓу силата и издолжувањето на пружината на серпентина: силата и издолжувањето се пропорционални едни на други.
Закон на Хук: или.
Оваа константа е т.н. Стапка на пролет или Цврстина на пролетта Д..
Ова е закон на Хук
Знакот минус изразува дека тоа е сила насочена против продолжувањето. Ова е причината зошто се нарекува и сила за враќање.
Пример:
Доколку се прошири спирална пружина со пролетна константа од 0,1 m, за ова е неопходна сила од.
Со цел да се утврди извршената работа за затегнување, а со тоа и енергијата на затегнување испорачана до изворот, ние ја прикажуваме извршената работа на дијаграм.
Ако силата F и патеката s, во чија насока дејствува силата, се применат едни на други, завршената работа одговара на областа под дијаграмот.
Ова се однесува и на случајот кога силата е постојана (лев дијаграм) и исто така за случајот таа сила и патека се пропорционални едни на други, како во примерот на спиралната пружина (десен дијаграм):
Направената работа одговара на областа под дијаграмот
На дијаграмот десно, сработеното, а со тоа и испорачаната енергија е само половина од производот на продолжението s и силата F што ја предизвикува.
За Напорна работа се применува следново:
Потребната сила F зависи од продолжувањето s и пролетната константа Д.
Следното се однесува на количината на сила: (види погоре)
Ако ја замените силата со овој израз, конечно ќе добиете: