Енергія та енергозбереження - форми перетворення енергії та енергії
Енергія - одна з найважливіших величин у фізиці
Робота та енергія є основними параметрами для опису фізичних процесів. Енергія є величиною збереження. Це означає, що його не можна ні створити, ні знищити.
Енергія буває в різних формах, які можуть трансформуватися одна в іншу.
Праця та енергія
Для того, щоб прискорити тіло, нам потрібна сила. Зв'язок між силою та прискоренням описується в основному рівнянні механіки:
Здійснює роботу сила, що рухає тіло на відстань s
Приклад:
Тіло масою m = 5кг піднімають на висоту h = 2м.
Для цього потрібні підйомні роботи
де F - вага [], а відстань s відповідає висоті h:
Якщо ви використовуєте вищезазначені значення, то отримуєте за виконану роботу з підйому
Оскільки підйомні роботи були проведені на тілі, його енергія збільшується. Енергія, якою володіє тіло завдяки своєму положенню (або висоті), називається Позиційна енергія або потенційна енергія.
Застосовується наступне: Застосована позиційна енергія відповідає використовуваній підйомній роботі.
Якщо тіло опустити, виконується робота з прискорення. Енергія положення перетворюється на кінетичну енергію. При попаданні на землю тіло деформується/нагрівається. Кінетична енергія перетворюється на теплову.
Визначення та властивості енергії
Робота над тілом збільшує енергію тіла. Робота, яку виконує організм, зменшує його енергію. Робота викликає зміну стану, в якому знаходиться тіло (зміщення, прискорення, деформація, нагрівання тощо).
Енергія - це міра того, скільки роботи було вкладено або виконано тілом.
Робота та енергія мають однакову одиницю виміру, а саме джоуль (J).
Застосовується наступне: 1 Дж = 1 Нм
Механічні форми енергії
Існують різні форми механічної енергії.
Тепер ми хочемо визначити найважливіші механічні форми енергії, а потім розглянути приклади перетворень між цими формами енергії.
1. Потенційна енергія (позиційна енергія)
Якщо тіло піднято, на ньому виконуються підйомні роботи. Це збільшує його потенційну енергію (енергію положення).
Потенційна енергія
Працездатність, якою володіє кожне тіло завдяки своєму положенню (висоті), називається Позиційна енергія або потенційна енергія Epot.
Потенційна енергія тіла становить
Висота вимірюється від вільно обраної нульової точки. Зрештою, різниця енергій завжди є вирішальною у фізичних процесах.
Працездатність або енергія, якою володіє тіло після підйому, настільки ж велика, як і піднята робота. Тож ви можете сказати:
Позиційна енергія зберігається підйомною роботою.
Робота та енергія - це одне і те ж од, а саме те Джоуль (J).
Застосовується наступне: 1 Дж = 1 Нм
2. Кінетична енергія
Енергія, яка подається в рух завдяки роботі прискорення, відома як Кінетична енергія або кінетична енергія Екін. Чим більша швидкість і більша маса тіла, тим більша його кінетична енергія.
Формула для розрахунку кінетичної енергії
Якщо на тіло вздовж прямої s діє постійна сила F, вона прискорюється рівномірно. Робота прискорення проводиться на тілі.
Кінетична енергія відповідає виконаній роботі, тому:
Сила є результатом добутку маси та прискорення []. Застосовується наступне:
Закон про відстань-час застосовується до рівноприскорених рухів .
Це стосується кінетичної енергії
Добуток прискорення і часу відповідає швидкості: .
Це призводить до кінетичної енергії
Кінетична енергія (кінетична енергія)
Енергія, що забезпечується роботою прискорення, якою володіє тіло завдяки своїй швидкості, називається Кінетична енергія або кінетична енергія Екін.
Кінетична енергія тіла становить
Приклад розрахунку кінетичної енергії:
Автомобіль масою m = 950кг рухається зі швидкістю v = 120км/год.
Для розрахунку швидкість спочатку потрібно перевести в одиницю м/с. Це призводить до: v = 33,33 м/с.
Це дає кінетичну енергію:
Перетворення енергії та енергозбереження
Якщо тіло падає з висоти h, його потенційна енергія зменшується. Але енергія не зникає, вона перетворюється в кінетичну енергію.
Безпосередньо перед ударом об землю (при h = 0) потенційна енергія була повністю перетворена в кінетичну енергію.
Під час падіння потенційна енергія зменшується, а кінетична збільшується.
усього обидві форми енергії залишаються постійними. Разом вони віддають загальну енергію системи.
Це стосується не лише цього прикладу, а й усіх процесів. Це фундаментальний принцип і може бути сформульований наступним чином:
Закон збереження енергії
Загальна енергія закрита система залишається з усіма процесами постійний.
Енергію можна лише перетворити, але вона не втрачається.
Коли говорять про "вироблення енергії" або "втрати енергії", завжди мається на увазі перетворення в інші форми енергії.
Приклад перетворення енергії
В одному вугільна електростанція хімічна енергія вугілля перетворюється в теплову енергію шляхом згоряння. В результаті вода випаровується, а пара рухає турбіни. Теплова енергія перетворюється на механічну (кінетичну). Турбіни з'єднані з генератором, який перетворює кінетичну енергію в електричну за допомогою індукції.
Перетворення енергії на теплових електростанціях:
Хімічна енергія → теплова енергія → кінетична енергія → електрична енергія
Отже, енергія не генерується на електростанціях, а лише перетворюється.
На жаль, не вся хімічна енергія може бути перетворена в електричну. Відповідно до законів термодинаміки, принципово неможливо побудувати машину, яка може постійно і повністю перетворювати теплову енергію в механічну. Частина енергії завжди віддається навколишньому середовищу у вигляді тепла, тому вона, здається, «втрачається».
При перетворенні механічних форм енергії (наприклад, потенційної енергії в кінетичну або навпаки), як правило, лише дуже мала частина енергії перетворюється в тепло (через тертя). Якщо тертя незначне, тобто "втрати енергії" мінімальні, на практиці можна припустити повне перетворення між механічними формами енергії.
Що ви можете зробити із законом збереження енергії?
За допомогою закону збереження енергії багато фізичних проблем можна вирішити дуже простим способом.
Якщо знехтувати тертям і, отже, часткою енергії, перетвореної в тепло, при перетворенні між механічними формами енергії, всі задіяні величини можна легко розрахувати, рівняючи дві форми енергії.
Плюс простий приклад:
Розрахунок швидкості падіння кулі за допомогою підходу збереження енергії
Ми вже вивели залежність між швидкістю падіння та висотою падіння за допомогою законів руху.
Для швидкості як функції висоти падіння результат був: .
Ми хочемо цього зв'язку з енергійний підхід вивести:
Під час вільного падіння потенційна енергія повністю перетворюється на кінетичну. Загальна енергія залишається постійною.
Тож ви можете зрівняти обидві енергії:
Тепер ми вставляємо розміри і отримуємо
Перехід на v забезпечує
або.
Отже, ви отримуєте ту саму формулу, що і за допомогою законів руху. Однак виведення трохи легше.
Подібним чином багато інших проблем можна вирішити порівняно простим способом.
Інший приклад:
Ми хочемо обчислити висоту, яку досягає куля, кинута вертикально вгору зі швидкістю v = 15м/с.
Замість того, щоб шукати у збірці формул формули для вертикального кидка, ми знову обираємо енергетичний підхід і порівнюємо кінетичну та потенційну енергію:
Тепер ми вирішимо це рівняння для висоти h, яку ми шукаємо, і отримаємо:
Ця формула також відповідає формулі, вже отриманій за допомогою законів руху для висоти підйому при вертикальному кидку.
Якщо ми вставляємо значення, то отримуємо висоту
3. Затискна енергія
Іншою формою механічної енергії є енергія напруги.
Наприклад, якщо гвинтову пружину розтягнути або стиснути з положення спокою, потрібна сила. Зусилля призводить до того, що пружина подовжується або вкорочується на певну відстань, тому роботу з натягування потрібно виконати.
Ця робота тоді в пері як Енергія напруги Espann збережено.
Розрахунок енергії натягу
Енергія натягу виникає внаслідок добутку сили та видовження пружини:
Однак слід зазначити, що сила не є постійною під час розтягування, а зростає зі збільшенням розтягування.
Закон Гука застосовується до залежності між силою та подовженням винтової пружини: сила та подовження пропорційні один одному.
Закон Гука: або.
Ця константа є т. Зв. Весняний темп або Твердість пружини D..
Це закон Гука
Знак мінус виражає, що це сила, спрямована проти розширення. Ось чому його ще називають відновлюючою силою.
Приклад:
Якщо гвинтову пружину з постійною пружиною 0,1 м розтягнути, для цього необхідна сила.
Для того, щоб визначити виконану роботу натягу і, отже, енергію натягу, що подається на пружину, ми покажемо виконану роботу на схемі.
Якщо сила F і шлях s, у напрямку якого діє сила, прикладені один до одного, виконана робота відповідає площі під діаграмою.
Це стосується як випадку, коли сила постійна (ліва діаграма), так і випадку, коли сила та шлях пропорційні один одному, як у прикладі гвинтової пружини (права діаграма):
Виконана робота відповідає площі під діаграмою
На діаграмі справа виконана робота і, отже, енергія, що подається, складає лише половину добутку продовження s і сили F, яка його спричиняє.
Для Натяжна робота застосовується наступне:
Необхідна сила F залежить від розширення s та постійної пружини D.
До величини сили застосовується наступне: (див. Вище)
Якщо замінити силу на цей вираз, ви нарешті отримаєте: