Conservarea energiei și a energiei - forme de energie și conversii de energie
Energia - una dintre cele mai importante cantități din fizică
Munca și energia sunt cantități fundamentale pentru descrierea proceselor fizice. Energia este o cantitate de conservare. Asta înseamnă că nu poate fi creat și nici distrus.
Energia apare sub diferite forme care pot fi convertite una în alta.
Munca și energia
Pentru a accelera un corp, avem nevoie de o forță. Relația dintre forță și accelerație este descrisă în ecuația de bază a mecanicii:
Forța care mișcă un corp la o distanță s lucrează
Exemplu:
Un corp cu masa de m = 5 kg este ridicat la o înălțime de h = 2m.
Lucrarea de ridicare necesară pentru aceasta este
unde F este greutatea [] și distanța s corespunde înălțimii h:
Dacă setați cele de mai sus Se obțin valori pentru lucrările de ridicare efectuate
Deoarece s-au făcut lucrări de ridicare a corpului, energia acestuia crește. Se numește energia pe care un corp o posedă datorită poziției (sau înălțimii sale) Poziționează energia sau energie potențială.
Se aplică următoarele: Energia pozițională aplicată corespunde lucrului de ridicare utilizat.
Dacă corpul este apoi scăpat, se efectuează o accelerație asupra corpului. Energia de poziție este convertită în energie cinetică. Când lovește solul, corpul este deformat/încălzit. Energia cinetică este convertită în energie termică.
Definiția și proprietățile energiei
Munca depusă pe un corp mărește energia corpului. Munca depusă de organism îi reduce energia. Lucrarea determină o schimbare a stării în care se află corpul (deplasare, accelerație, deformare, încălzire etc.).
Energia este o măsură a cât de multă muncă a fost depusă sau făcută de un corp.
Munca și energia au aceeași unitate, și anume joule (J).
Se aplică următoarele: 1 J = 1 Nm
Forme mecanice de energie
Există diferite forme de energie mecanică.
Acum vrem să definim cele mai importante forme mecanice de energie și apoi să examinăm exemple de conversii între aceste forme de energie.
1. Energie potențială (energie de poziție)
Dacă un corp este ridicat, se efectuează lucrări de ridicare asupra acestuia. Aceasta își mărește energia potențială (energia de poziție).
Energie potențială
Capacitatea de lucru pe care fiecare corp o posedă datorită poziției sale (înălțime) este numită Poziționează energia sau energie potențială Epot.
Energia potențială a unui corp este
Înălțimea este măsurată dintr-un punct zero liber selectabil. În cele din urmă, diferențele de energie sunt întotdeauna decisive în procesele fizice.
Capacitatea de lucru sau energia pe care o posedă un corp după ce este ridicat este la fel de mare ca și lucrarea de ridicare implicată. Deci, puteți spune:
Energia pozițională este stocată în lucrări de ridicare.
Munca și energia sunt la fel unitate, și anume că Joule (J).
Se aplică următoarele: 1 J = 1 Nm
2. Energia cinetică
Energia furnizată mișcării prin accelerare este cunoscută sub numele de Energie kinetică sau energie cinetică Ekin. Cu cât este mai mare viteza și cu cât este mai mare masa unui corp, cu atât este mai mare energia cinetică a acestuia.
Formula pentru calcularea energiei cinetice
Dacă o forță constantă F acționează asupra unui corp de-a lungul unei linii s, aceasta este accelerată uniform. Lucrarea de accelerare se face pe corp.
Energia cinetică corespunde muncii efectuate, deci:
Forța rezultă din produsul masei și al accelerației []. Se aplică următoarele:
Legea distanță-timp se aplică mișcărilor uniform accelerate .
Acest lucru se aplică energiei cinetice
Produsul accelerării și al timpului corespunde vitezei: .
Acest lucru are ca rezultat energia cinetică
Energia cinetică (energie cinetică)
Energia furnizată de activitatea de accelerație pe care un corp o posedă datorită vitezei sale este denumită Energie kinetică sau energie cinetică Ekin.
Energia cinetică a unui corp este
Exemplu pentru calcularea energiei cinetice:
O mașină cu o masă de m = 950 kg se deplasează cu o viteză de v = 120 km/h.
Pentru calcul, viteza trebuie mai întâi convertită în unitatea m/s. Rezultatul este: v = 33,33m/s.
Aceasta dă energie cinetică:
Conversia energiei și conservarea energiei
Dacă un corp cade de la o înălțime h, energia sa potențială este redusă. Dar energia nu dispare, este convertită în energie cinetică.
Imediat înainte de a atinge solul (la h = 0), energia potențială a fost complet transformată în energie cinetică.
În timpul toamnei, energia potențială scade și energia cinetică crește.
total ambele forme de energie rămân constante. Împreună dau energia totală a sistemului.
Acest lucru se aplică nu numai acestui exemplu, ci și tuturor proceselor. Acesta este un principiu fundamental și poate fi formulat după cum urmează:
Legea privind conservarea energiei
Energia totală un sistem închis rămâne cu toate procesele constant.
Energia poate fi convertită doar, dar nu se pierde.
Când se vorbește despre „generarea de energie” sau „pierderea de energie”, întotdeauna se înțelege conversia în alte forme de energie.
Exemplu de conversii de energie
Într-una centrală electrică pe cărbune energia chimică din cărbune este transformată în energie termică prin ardere. Ca urmare, apa este evaporată, iar vaporii de apă acționează turbinele. Energia termică este convertită în energie mecanică (energie cinetică). Turbinele sunt cuplate la un generator care transformă energia cinetică în energie electrică prin inducție.
Conversia energiei în centralele termice:
Energie chimică → energie termică → energie cinetică → energie electrică
Deci nu se generează energie în centrale, ci doar convertite.
Din păcate, nu toată energia chimică poate fi transformată în energie electrică. Conform legilor termodinamicii, în principiu nu este posibilă construirea unei mașini care poate converti continuu și complet energia termică în energie mecanică. O parte din energie se degajă întotdeauna ca căldură mediului înconjurător, deci pare a fi „pierdută”.
La conversia formelor mecanice de energie (de exemplu, energia potențială în energie cinetică sau invers), de obicei, doar o parte foarte mică a energiei este transformată în căldură (prin frecare). Dacă fricțiunea este neglijabilă, adică „pierderea de energie” este minimă, se poate presupune în practică o conversie completă între formele mecanice de energie.
Ce puteți face cu legea conservării energiei?
Cu ajutorul legii conservării energiei, multe probleme fizice pot fi rezolvate într-un mod foarte simplu.
Dacă se neglijează fricțiunea și, astfel, proporția de energie transformată în căldură atunci când se efectuează conversia între forme mecanice de energie, toate cantitățile implicate pot fi ușor calculate prin echivalarea celor două forme de energie.
Plus unul simplu exemplu:
Calculul vitezei de cădere a unei bile utilizând abordarea de conservare a energiei
Am derivat deja relația dintre viteza căderii și înălțimea căderii cu ajutorul legilor mișcării.
Pentru viteza în funcție de înălțimea de cădere, rezultatul a fost: .
Vrem această legătură cu abordare energică deriva:
În timpul căderii libere, energia potențială este complet transformată în energie cinetică. Energia totală rămâne constantă.
Deci, puteți echivala ambele energii:
Acum introducem dimensiunile și obținem
Trecerea la v oferă
sau.
Deci, veți obține aceeași formulă ca și cu ajutorul legilor mișcării. Cu toate acestea, derivarea este puțin mai ușoară.
În mod similar, multe alte probleme pot fi rezolvate într-o manieră relativ simplă.
Alt exemplu:
Vrem să calculăm înălțimea pe care o minge aruncată vertical în sus cu o viteză de v = 15m/s ajunge.
În loc să căutăm în colecția de formule formulele pentru aruncarea verticală, alegem din nou abordarea energetică și echivalăm energia cinetică și cea potențială:
Acum rezolvăm această ecuație pentru înălțimea h pe care o căutăm și obținem:
Această formulă corespunde și formulei deja derivate cu ajutorul legilor mișcării pentru înălțimea de urcare într-o aruncare verticală.
Dacă introducem valorile, obținem înălțimea
3. Energia de prindere
O altă formă de energie mecanică este energia de tensiune.
Dacă de ex. Dacă un arc elicoidal este întins sau comprimat din poziția sa de repaus, este necesară o forță pentru aceasta. Forța face ca arcul să se prelungească sau să se scurteze cu o anumită distanță, așa că trebuie făcută lucrarea de tensionare.
Această lucrare este apoi în stilou ca. Energia tensiunii Espann salvat.
Calculul energiei de tensiune
Energia de tensiune rezultă din produsul forței și extensiei arcului:
Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că forța nu este constantă în timpul prelungirii, ci crește odată cu creșterea extensiei.
Legea lui Hooke se aplică relației dintre forță și alungirea arcului elicoidal: forța și alungirea sunt proporționale între ele.
Legea lui Hooke: sau.
Această constantă este așa-numita. Rata de primăvară sau Duritatea arcului D..
Aceasta este legea lui Hooke
Semnul minus exprimă faptul că este o forță îndreptată împotriva extensiei. Acesta este motivul pentru care se mai numește și o forță de restaurare.
Exemplu:
Dacă un arc elicoidal cu o constantă a arcului de 0,1 m este extins, este necesară o forță de.
Pentru a determina munca de tensiune efectuată și, astfel, energia de tensiune furnizată arcului, prezentăm lucrarea efectuată într-o diagramă.
Dacă forța F și calea s, în direcția cărora acționează forța, sunt aplicate una la cealaltă, lucrarea efectuată corespunde zonei de sub diagramă.
Acest lucru se aplică atât în cazul în care forța este constantă (diagrama din stânga), cât și în cazul în care forța și deplasarea sunt proporționale între ele, ca în exemplul arcului elicoidal (diagrama din dreapta):
Lucrarea efectuată corespunde zonei de sub diagramă
În diagrama din dreapta, munca depusă și astfel energia furnizată este doar jumătate din produsul extensiei s și forța F care o determină.
Pentru Munca de tensionare se aplică următoarele:
Forța necesară F depinde de extensia s și de constanta arcului D.
Următoarele se aplică cantității de forță: (a se vedea mai sus)
Dacă înlocuiți forța cu această expresie, veți obține în cele din urmă: