The; енергії

Потенціал та кінетика

Цікавим є один момент щодо кінцевої швидкості: якщо об’єкт спускається з заданої висоти h, на похилу поверхню (без тертя), нахил може змінюватися, можливо навіть форма його поверхні, але коли він досягає вниз, кінцева швидкість v завжди залишається незмінним. Якби не було тертя, лижники, ковзаючи вгору і вниз по одному засніженому пагорбі, приїхали б з однаковою швидкістю, незалежно від того, пішли вони по пологому шляху для початківців або крутішим маршрутом, призначеним для тих, хто тренується.

Зменшення нахилу зменшує прискорення a, але також подовжує час спуску, і ці два фактори компенсують один одного, залишаючи остаточну швидкість незмінною. Якщо об'єкт падає вертикально з цієї висоти h, також отримують однакову швидкість, і в цьому випадку обчислення стає простішим, наступним чином: Тривалість падіння t. Його довжина:

Помножте обидві сторони на g:

І оскільки остаточна швидкість є

Це останнє рівняння показує, що коли об'єкт втрачає висоту, і якщо ніщо не заважає його руху, v 2 збільшується пропорційно, і, як було сказано, це зростання не залежить від пройденого шляху.

Цей обмін між h та v 2 також відбувається в іншому напрямку: об'єкт, штовханий вгору по схилу, зменшується на "v 2" пропорційно приросту його висоти h. Мармуровий циліндр, що котиться всередині гладкої порожнини, набирає швидкість, наближаючись до дна, а потім втрачає його, коли швидко піднімається з іншого боку. Якби не було тертя, він повернувся б на висоту свого від'їзду.

Простий маятник, або дитина на гойдалках, також обмінюється висотою і v 2 і навпаки. А велосипедисти знають, що, набираючи швидкість зі схилу, вони можуть набрати висоту під час наступного підйому. Це так, ніби висота дає нам те, з чим ми можемо набрати швидкість, яку згодом, якщо з’явиться така можливість, можна перетворити назад у висоту.

Це «щось» називається енергією. Це вже коротко обговорювалось у попередньому розділі.

Цей двосторонній обмін наводить на думку, мабуть, суму

є постійним значенням: якщо одна частина зменшується, інша повинна збільшуватися. Чи є ці дві частини сумою енергії? Не зовсім: зусилля для підняття важкого вантажу на висоту h більше, ніж для легкого предмета. Давайте зараз назвемо кількість речовини, яку має об'єкт, його "Маса", очевидно пропорційна його вазі, але, як ми побачимо пізніше, поняття маси є більш складним, ніж це.

Якщо енергія вимірює зусилля для підняття вантажу, це обов'язково пропорційно його масі m. Також множимо множину на m і записуємо

Енергія = E = mgh + mv 2/2

Вже добре згаданий факт - це система, яка не перешкоджає навколишньому середовищу: вся енергія (зазначена тут буквою (Е) залишається ідентичною ("зберігається"). У крайній точці коливання маятник, v = 0, і тому другий доданок у наведеному рівнянні зникає, тоді як перший досягає свого максимуму. Потім, коли маса падає, mv 2/2 збільшується, а mgh зменшується, до найнижчого рівня коливань, де перший доданок переходить до мінімуму, а другий до максимуму. Під час коливань процес обернений, завжди в однаковому порядку.

Два члени у наведеному вище рівнянні мають назви: mgh - енергія положення, що називається потенційною енергією, і mv 2/2 - енергія, обумовлена рухом, кінетична енергія .

Точне значення, що представляє Е, очевидно буде залежати від рівня вимірювання h (дно - рівень моря? Центр землі?). Можливі різні варіанти вибору, і кожен призводить до різного значення E: тому формула є важливою лише в тому випадку, якщо обрана одна опорна висота, якій ми надаємо значення h = 0 .

Інші різновиди енергії

Підручники визначають енергію як "здатність виконувати певну роботу", а роботу - як "подолання опору на відстань". Наприклад, якщо m - маса цегли, сила, що прикладена до неї, дорівнює mg, і підняття її на висоту h проти притягання сили тяжіння вимагає виконання роботи W, при

Перетягування цієї цегли на відстань х на рівному ґрунті проти сили тертя F, аналогічним чином вимагає виконання роботи

Нагадування: робота вимірюється в джоулях, на згадку про Джеймса Прескотта Джоуля (1818-89), пивовара з Манчестера, Англія, досвід якого допоміг встановити, що тепло було формою енергії (див. Нижче), а не певним просоченням таємнича рідина. Оскільки робота може виконуватися машиною, взаємно енергію можна приблизно визначити як будь-що, що може повернути машину.

Пристрої або процеси, які перетворюють енергію з однієї форми (стовпець) в іншу (рядок)- Потенційна Кінетика Тепло Світло хімічна Електрична Кінетична Потенціал Тепло Світло Хімічна Електричний

*****	Маятник	Ракетна труба	Сонячний вітер	М'язи	Електричний мотор
Маятник	*****	парова машина	х	х	Ліфт
Тертя	х	*****	Сонячна піч	Вогонь	Електрична піч
х	х	Лампочка, Сонце	*****	Іскри	Світлодіодний діод
х	х	Піч для негашеного вапна	Зелені рослини	*****	Батареї
Вітрові турбіни	Гідроелектрична турбіна	Термопара	Сонячні панелі	Flash Batterrie	*****

Енергія також вимірюється в Джоулях. Певним чином, це валюта: цією валютою ми платимо за всі природні процеси. Як і гроші, які можуть бути представлені в доларах, песо, ієнах, рублях або лірах, вони можуть приймати різні форми: електрику, тепло, світло, шум, хімікати, ядерну енергію. Вираз сумарної енергії системи об'єктів можна виразити як:

E = (потенціал) + (кінетика) + (електричний) + (тепло) + (.)

Тут, наприклад, "кінетика" представляє суму mv 2/2 для всіх елементів. Але це завжди вірно лише в тому випадку, якщо система ізольована ззовні, тоді все значення Е зберігається.

Також правда, що енергію найчастіше можна перетворити в інші форми за допомогою відповідних інструментів: світло стає електрикою через сонячні батареї, які можуть обертати двигун вентилятора, забезпечуючи кінетичну енергію. Обертаючись лопатями, або керувати радіо, видаючи шум.

Одиниці

Як і валюти, різні енергії обмінюються з певною швидкістю: наприклад, при обміні між кінетичною енергією або потенціалом та теплом калорія коштує близько 4,18 джоулів. Хімічна енергія їжі також вимірюється калоріями, але це «великі» калорії або кілокалорії, кожна з яких коштує 1000 «маленьких». .

Швидкість, з якою виробляється або використовується енергія, називається потужністю і вимірюється у ватах від винахідника сучасної парової машини, шотландця Джеймса Ватта (1736-1819): кількість енергії, що забезпечує один джоуль за одну секунду, дає потужність одного вата. Отже, лампочка потужністю 60 Вт забезпечує 60 Джоулів в секунду - приблизно стільки, скільки велосипедист крутить педалі в гору. Рахунки комерційних електроенергетичних компаній зазвичай оцінюються в доларах, песо, ієнах тощо. кіловат-години (кВт-год), енергія одного кіловата (1000 Вт), протягом однієї години. Оскільки за годину відбувається 3600 секунд, KWH коштує 3600000 Джоулів.

Хімічна енергія, перш за все харчова

Енергія, яку забезпечує їжа, часто перерахована на упаковці, вимірюється в калоріях, "великих" калоріях або кілокалоріях, кожна з яких дорівнює 4180 Джоулів. Ми повинні усвідомлювати деякі з цих цінностей.

Якщо припустити, що g = 10 метрів/сек 2, мг (сила тяжіння для людини), то середня вага 70 кілограмів становить близько 700 ньютонів. Отже, енергії однієї калорії достатньо, щоб підняти її приблизно на 6 метрів (6 х 700 Джоулів = 4200). Якщо перетворення хімічної енергії з їжі в енергію м’язів становить лише 10%, людина, очевидно, піднімається лише до 0,6 метра, або приблизно на 2 фути. Насправді, типовий американець може споживати 3000 калорій на день, достатньо палива, щоб піднятися на висоту. !

Більшість продуктів харчування належать до одного з трьох класів: Вуглеводи, як цукор та крохмаль, є відносно простими сполуками кисню, водню та вуглецю. Вони забезпечують близько 4 калорій на грам (деревина та папір близько, але вони не засвоюються).

Жири та олії - це сім’я, що складається з інших атомів і містить близько 9 калорій на грам. Нарешті, білки, які містять зокрема азот (а іноді і сірку), дають близько 4 калорій на грам, з яких потрібно відняти енергію, необхідну для їх перетравлення. Білки менш важливі як паливо, ніж як сировина для складних молекул, необхідних для життя.

Це слід порівнювати з енергією, отриманою при споживанні бензину, який дає від 11 до 11,5 калорій на грам. Не можна пити бензин, це жорстока отрута, але олія та жир від них недалеко! Етиловий спирт, пиво та віскі додають близько 7 кал/гр. Думки щодо їхнього отруйного статусу різняться, але всі сходяться на думці, що інші члени сімейства алкоголіків справді є небезпечними отрутами.

Цікаво відзначити, що вибуховий "тротил", тринітротолуол, виробляє лише 3,8 калорій на грам. Його енергія виділяється надзвичайно раптово, але теплотворна здатність нижча, ніж цукру. .

Як це робиться? Ну, цукор містить вуглець і водень (а також трохи кисню) і поєднується з киснем, вдихуваним нашими легенями, щоб звільнити свою енергію. Хімічний процес складний, це не проста реакція з киснем, і, нарешті, є поєднання, аналогічні поєднанню водню в H 2 O, води або вуглецю в CO 2, вуглекислого газу.

Приблизні ваги атомів: H = 1, C = 12, .O = 16. Також 2 грами Н поєднуються з 16 грамами О, 12 грамами С і 32 грамами О. Кожен грам водню поєднується з 8-кратною вагою кисню, кожен грам вуглецю - майже в 3 рази вагою кисню. Молекули тротилу також містять вуглець та водень, джерела його енергії (а також азот, незначний з цієї точки зору). Але для швидкого поєднання з киснем тротил також повинен містити трохи. Насправді він займає еквівалент 45% своєї ваги, а атоми азоту, які служать для його фіксації, забирають на 20% більше. Нарешті, лише близько 1/3 ваги тротилу використовується для виробництва енергії атомів.

Тепло

Коли банк змінює одну валюту на іншу, він зазвичай утримує певний відсоток як вартість операції. Те саме для обміну однієї форми енергії на іншу: ви завжди відновлюєтеся менше, ніж те, що ввели. Наприклад, мармуровий циліндр, який котиться в чаші, піднімається з іншого боку на висоту, завжди меншу за висоту вихідної точки.

Насправді ж втрачена енергія не втрачається, а перетворюється на тепло. Тепло є "загальною валютою" універсальної енергії: можна перетворити тепло в інші види енергії (наприклад, у паровій машині), але ви ніколи не зможете отримати повну потужність. Це насамперед пов'язано з "другим законом термодинаміки", основним законом природи тепла. Відсутня кількість не тільки перетворюється в тепло, але і в тепло низьких температур, з яких лише менша частка може бути перетворена назад в інші форми. Це вирішило б усі енергетичні проблеми людства, якби можна було видобувати теплову енергію з океанів, наприклад, злегка охолоджуючи їх і перетворюючи видобуте таким чином тепло в електрику; але другий закон говорить, що це неможливо.