Energia a úspora energie - formy energie a premeny energie
Energia - jedna z najdôležitejších veličín vo fyzike
Práca a energia sú základné veličiny pre opis fyzikálnych procesov. Energia je konzervačné množstvo. To znamená, že ho nemožno vytvoriť ani zničiť.
Energia sa vyskytuje v rôznych formách, ktoré sa dajú navzájom premeniť.
Práca a energia
Na urýchlenie tela potrebujeme silu. Vzťah medzi silou a zrýchlením je opísaný v základnej rovnici mechaniky:
Sila, ktorá pohybuje telesom na vzdialenosť s, robí prácu
Príklad:
Telo s hmotnosťou m = 5 kg sa zdvihne do výšky h = 2m.
Potrebné sú zdvíhacie práce
kde F je hmotnosť [] a vzdialenosť s zodpovedá výške h:
Ak použijete vyššie uvedené hodnoty, dostanete za vykonané zdvíhacie práce
Pretože sa na tele vykonali zdvíhacie práce, zvyšuje sa jeho energia. Energia, ktorú telo vlastní vďaka svojej polohe (alebo výške), sa nazýva Polohová energia alebo potenciálna energia.
Platí nasledujúce: Aplikovaná pozičná energia zodpovedá použitej zdvíhacej práci.
Ak potom telo spadne, na tele sa vykonajú akceleračné práce. Polohová energia sa prevedie na kinetickú energiu. Pri dopade na zem sa telo zdeformuje/zahreje. Kinetická energia sa premieňa na tepelnú energiu.
Definícia a vlastnosti energie
Práca na tele zvyšuje energiu tela. Práca, ktorú telo robí, znižuje jeho energiu. Práca spôsobí zmenu stavu, v ktorom sa teleso nachádza (posun, zrýchlenie, deformácia, zahriatie atď.).
Energia je mierou množstva práce, ktorú telo vynaložilo alebo urobilo.
Práca a energia majú rovnakú jednotku, konkrétne joule (J).
Platí nasledujúce: 1 J = 1 Nm
Mechanické formy energie
Existujú rôzne formy mechanickej energie.
Teraz chceme definovať najdôležitejšie mechanické formy energie a potom preskúmať príklady konverzií medzi týmito formami energie.
1. Potenciálna energia (pozičná energia)
Ak sa telo zdvihne, vykonajú sa na ňom zdvíhacie práce. To zvyšuje jeho potenciálnu energiu (polohová energia).
Potenciálna energia
Volá sa pracovná kapacita, ktorú má každé telo vďaka svojej polohe (výške) Polohová energia alebo potenciálna energia Epot.
Potenciálna energia tela je
Výška sa meria od voľne nastaviteľného nulového bodu. Nakoniec sú pri fyzikálnych procesoch vždy rozhodujúce energetické rozdiely.
Pracovná kapacita alebo energia, ktorú telo má po zdvihnutí, je rovnako veľká ako zdvíhacia práca. Môžete teda povedať:
Pozičnou energiou sú uložené zdvíhacie práce.
Práca a energia sú rovnaké jednotka, menovite to Joule (J).
Platí nasledujúce: 1 J = 1 Nm
2. Kinetická energia
Energia dodávaná do pohybu prostredníctvom akcelerácie je známa ako Kinetická energia alebo kinetická energia Ekin. Čím vyššia je rýchlosť a hmotnosť tela, tým väčšia je jeho kinetická energia.
Vzorec na výpočet kinetickej energie
Ak konštantná sila F pôsobí na teleso pozdĺž čiary s, urýchľuje sa rovnomerne. Akceleračné práce sa vykonávajú na tele.
Kinetická energia zodpovedá vykonanej práci, takže:
Sila je výsledkom súčinu hmotnosti a zrýchlenia []. Platí nasledujúce:
Pre rovnomerne zrýchlené pohyby platí zákon o vzdialenosti a čase .
To platí pre kinetickú energiu
Súčin zrýchlenia a času zodpovedá rýchlosti: .
To má za následok kinetickú energiu
Kinetická energia (kinetická energia)
Energia dodávaná akceleráciou, ktorú telo vlastní vďaka svojej rýchlosti, sa označuje ako Kinetická energia alebo kinetická energia Ekin.
Kinetická energia tela je
Príklad výpočtu kinetickej energie:
Auto s hmotnosťou m = 950 kg sa pohybuje rýchlosťou v = 120 km/h.
Pre výpočet musí byť rýchlosť najskôr prepočítaná na jednotku m/s. Výsledkom je: v = 33,33 m/s.
To dáva kinetickú energiu:
Premeny energie a úspora energie
Ak teleso spadne z výšky h, jeho potenciálna energia sa zníži. Energia ale nezmizne, premení sa na kinetickú energiu.
Tesne pred dopadom na zem (pri h = 0) sa potenciálna energia úplne premenila na kinetickú energiu.
Počas pádu klesá potenciálna energia a zvyšuje sa kinetická energia.
The Celkom obe formy energie zostávajú konštantné. Spoločne dávajú celkovú energiu systému.
To platí nielen pre tento príklad, ale pre všetky procesy. Toto je základný princíp a možno ho formulovať takto:
Zachovanie energetického zákona
The Celková energia uzavretý systém zostáva pri všetkých procesoch konštantný.
Energia sa dá iba premeniť, ale nestráca sa.
Keď sa hovorí o „generovaní energie“ alebo „strate energie“, vždy sa myslí premena na iné formy energie.
Príklad energetických konverzií
V jednom uhoľná elektráreň chemická energia z uhlia sa spaľovaním mení na tepelnú energiu. Vďaka tomu sa voda odparí a para poháňa turbíny. Tepelná energia sa premieňa na mechanickú energiu (kinetická energia). Turbíny sú spojené s generátorom, ktorý indukciou premieňa kinetickú energiu na elektrickú.
Konverzia energie v tepelných elektrárňach:
Chemická energia → tepelná energia → kinetická energia → elektrická energia
V elektrárňach teda nevzniká žiadna energia, iba sa prevádza.
Bohužiaľ, nie všetka chemická energia sa dá premeniť na elektrickú energiu. Podľa zákonov termodynamiky nie je v zásade možné zostrojiť stroj, ktorý dokáže nepretržite a úplne premieňať tepelnú energiu na mechanickú. Časť energie sa vždy odovzdáva ako teplo do životného prostredia, takže sa zdá, že je „stratená“.
Pri premene mechanických foriem energie (napr. Potenciálnej energie na kinetickú energiu alebo naopak) sa obvykle iba veľmi malá časť energie premení na teplo (trením). Ak je trenie zanedbateľné, tj. „Strata energie“ je minimálna, je možné v praxi predpokladať úplnú premenu medzi mechanickými formami energie.
Čo môžete robiť so zákonom o zachovaní energie?
Pomocou zákona zachovania energie je možné vyriešiť veľa fyzikálnych problémov veľmi jednoduchým spôsobom.
Ak niekto pri premene medzi mechanickými formami energie zanedbá trenie a tým aj podiel energie premenenej na teplo, všetky zúčastnené veličiny sa dajú ľahko vypočítať tak, že sa obe tieto formy energie vyrovnajú.
Plus jednoduchý príklad:
Výpočet rýchlosti pádu lopty pomocou prístupu zachovania energie
Vzťah medzi rýchlosťou pádu a výškou pádu sme si už odvodili pomocou pohybových zákonov.
Výsledkom bola rýchlosť v závislosti od výšky pádu: .
Chceme toto spojenie s energický prístup odvodiť:
Počas voľného pádu sa potenciálna energia úplne premení na kinetickú energiu. Celková energia zostáva konštantná.
Takže môžete obe energie prirovnať:
Teraz vložíme veľkosti a dostaneme
Prechod na v prináša
alebo.
Získate teda rovnaký vzorec ako pomocou pohybových zákonov. Odvodenie je však o niečo jednoduchšie.
Podobným spôsobom je možné pomerne ľahko vyriešiť mnoho ďalších problémov.
Ďalší príklad:
Chceme vypočítať výšku guľky odhodenej kolmo nahor rýchlosťou v = 15m/s.
Namiesto toho, aby sme v zbierke vzorcov hľadali vzorce pre vertikálny hod, zvolili sme opäť energetický prístup a kinetickú a potenciálnu energiu sme postavili na roveň:
Teraz vyriešime túto rovnicu pre výšku h, ktorú hľadáme, a dostaneme:
Tento vzorec zodpovedá aj vzorcu, ktorý je už odvodený pomocou pohybových zákonov pre výšku stúpania vo zvislom hode.
Ak vložíme hodnoty, dostaneme pre výšku
3. Upínacia energia
Ďalšou formou mechanickej energie je napínacia energia.
Napríklad, ak je špirálová pružina natiahnutá alebo stlačená z pokojovej polohy, je potrebná sila. Sila spôsobí, že sa pružina predĺži alebo skráti o určitú vzdialenosť, takže je potrebné vykonať napínaciu prácu.
Táto práca je potom v pere ako Napínacia energia Espann uložené.
Výpočet energie napätia
Energia napätia je výsledkom súčinu sily a predĺženia pružiny:
Je však potrebné poznamenať, že sila nie je počas vysúvania konštantná, ale s pribúdajúcim vysunutím rastie.
Pre vzťah medzi silou a predĺžením vinutej pružiny platí Hookov zákon: sila a predĺženie sú navzájom úmerné.
Hookeov zákon: alebo.
Táto konštanta je tzv. Jarná konštanta alebo Tvrdosť pružiny D..
Toto je Hookeov zákon
Znamienko mínus vyjadruje, že ide o silu namierenú proti predĺženiu. Preto sa nazýva aj obnovovacia sila.
Príklad:
Ak sa špirálová pružina s konštantou pružiny 0,1 m roztiahne, je na to potrebná sila.
Aby sme mohli určiť vykonané napínacie práce a teda napínaciu energiu dodávanú do pružiny, zobrazujeme vykonané práce v diagrame.
Ak na seba pôsobia sila F a dráhy s, v smere ktorých sila pôsobí, zodpovedá vykonaná práca oblasti pod diagramom.
To platí tak v prípade, že sila je konštantná (diagram vľavo), ako aj v prípade, že sila a dráha sú navzájom úmerné, ako v prípade špirálovej pružiny (diagram vpravo):
Vykonaná práca zodpovedá oblasti pod diagramom
Na diagrame vpravo je vykonaná práca a teda dodaná energia iba polovicou súčinu rozšírenia s a sily F, ktorá ju spôsobuje.
Pre Napínacie práce platí toto:
Potrebná sila F závisí od predĺženia s a od konštanty pružiny D.
Pre veľkosť sily platí: (pozri vyššie)
Ak nahradíte silu týmto výrazom, nakoniec získate: