Енергия и енергоспестяване - форми на преобразуване на енергия и енергия
Енергията - едно от най-важните количества във физиката
Работата и енергията са основни параметри за описване на физическите процеси. Енергията е запазващо количество. Това означава, че не може нито да бъде създаден, нито унищожен.
Енергията се среща в различни форми, които могат да се преобразуват една в друга.
Работа и енергия
За да ускорим тялото, имаме нужда от сила. Връзката между силата и ускорението е описана в основното уравнение на механиката:
Силата, която движи тялото на разстояние s, върши работата
Пример:
Тяло с маса m = 5kg се повдига на височина h = 2m.
Работата за повдигане, необходима за това, е
където F е теглото [], а разстоянието s съответства на височината h:
Ако зададете горното Получават се стойности за извършената повдигателна работа
Тъй като по тялото е извършена повдигаща работа, енергията му се увеличава. Енергията, която тялото притежава поради своето положение (или височина), се нарича Позиционна енергия или потенциална енергия.
Прилага се следното: Приложената позиционна енергия съответства на използваната повдигаща работа.
Ако след това тялото се изпусне, върху него се извършва ускорителна работа. Позиционната енергия се превръща в кинетична енергия. Когато се удари в земята, тялото се деформира/загрява. Кинетичната енергия се превръща в топлинна енергия.
Определение и свойства на енергията
Работата върху тялото увеличава енергията на тялото. Работата, която тялото извършва, намалява енергията си. Работата причинява промяна в състоянието, в което се намира тялото (изместване, ускорение, деформация, нагряване и др.).
Енергията е мярка за това колко труд е положен или свършен от тялото.
Работата и енергията имат една и съща единица, а именно джаула (J).
Прилага се следното: 1 J = 1 Nm
Механични форми на енергия
Съществуват различни форми на механична енергия.
Сега искаме да дефинираме най-важните механични форми на енергия и след това да разгледаме примери за преобразуване между тези форми на енергия.
1. Потенциална енергия (позиционна енергия)
Ако тялото е повдигнато, върху него се извършват повдигащи работи. Това увеличава потенциалната му енергия (позиционна енергия).
Потенциална енергия
Извиква се работоспособността, която всяко тяло притежава поради своето положение (височина) Позиционна енергия или потенциална енергия Epot.
Потенциалната енергия на тялото е
Височината се измерва от свободно избираема нулева точка. В крайна сметка енергийните разлики винаги са решаващи при физическите процеси.
Работоспособността или енергията, която тялото притежава след повдигане, е също толкова голяма, колкото и повдигащата работа. Така че можете да кажете:
Позиционната енергия се съхранява при повдигане.
Работата и енергията са едно и също мерна единица, а именно това Джоул (J).
Прилага се следното: 1 J = 1 Nm
2. Кинетична енергия
Енергията, доставяна на движението чрез ускорителна работа, е известна като Кинетична енергия или кинетична енергия Екин. Колкото по-голяма е скоростта и колкото по-голяма е масата на едно тяло, толкова по-голяма е неговата кинетична енергия.
Формула за изчисляване на кинетичната енергия
Ако върху тялото по линия s действа постоянна сила F, тя се ускорява равномерно. Работата по ускорението се извършва върху тялото.
Кинетичната енергия съответства на свършената работа, така че:
Силата е резултат от произведението на масата и ускорението []. Прилага се следното:
Законът за разстоянието и времето се прилага за равномерно ускорени движения .
Това се отнася за кинетичната енергия
Продуктът на ускорението и времето съответства на скоростта: .
Това води до кинетична енергия
Кинетична енергия (кинетична енергия)
Енергията, доставяна от ускорителната работа, която тялото притежава поради своята скорост, се нарича Кинетична енергия или кинетична енергия Екин.
Кинетичната енергия на тялото е
Пример за изчисляване на кинетичната енергия:
Автомобил с маса m = 950kg се движи със скорост v = 120km/h.
За изчислението скоростта трябва първо да се преобразува в единица m/s. Това води до: v = 33,33m/s.
Това дава кинетичната енергия:
Преобразуване на енергия и енергоспестяване
Ако тялото падне от височина h, потенциалната му енергия се намалява. Но енергията не изчезва, тя се превръща в кинетична енергия.
Непосредствено преди да се удари в земята (при h = 0), потенциалната енергия е напълно преобразувана в кинетична енергия.
По време на падането потенциалната енергия намалява и кинетичната енергия се увеличава.
The обща сума и двете форми на енергия остават постоянни. Заедно те дават общата енергия на системата.
Това се отнася не само за този пример, но и за всички процеси. Това е основен принцип и може да бъде формулиран по следния начин:
Закон за запазване на енергията
The Обща енергия затворена система остава с всички процеси постоянна.
Енергията може само да се преобразува, но не се губи.
Когато се говори за „генериране на енергия“ или „загуба на енергия“, винаги се има предвид превръщането в други форми на енергия.
Пример за преобразуване на енергия
В един електроцентрала на въглища химическата енергия от въглищата се превръща в топлинна енергия чрез изгаряне. Това означава, че водата се изпарява и парата задвижва турбини. Топлинната енергия се превръща в механична енергия (кинетична енергия). Турбините са свързани с генератор, който преобразува кинетичната енергия в електрическа чрез индукция.
Преобразуване на енергия в ТЕЦ:
Химическа енергия → топлинна енергия → кинетична енергия → електрическа енергия
Така че в централите не се генерира енергия, а само се преобразува.
За съжаление, не цялата химическа енергия може да се превърне в електрическа. Според законите на термодинамиката по принцип не е възможно да се изгради машина, която да може непрекъснато и напълно да преобразува топлинната енергия в механична. Част от енергията винаги се отделя като топлина за околната среда, така че изглежда "загубена".
Когато се преобразуват механични форми на енергия (напр. Потенциална енергия в кинетична енергия или обратно), обикновено само много малка част от енергията се превръща в топлина (чрез триене). Ако триенето е незначително, т.е. "загубата на енергия" е минимална, на практика може да се приеме пълно преобразуване между механичните форми на енергия.
Какво можете да направите със закона за запазване на енергията?
С помощта на закона за запазване на енергията много физически проблеми могат да бъдат решени по много прост начин.
Ако някой пренебрегне триенето и по този начин дела на енергията, преобразувана в топлина, при преобразуване между механични форми на енергия, всички участващи количества могат лесно да бъдат изчислени чрез приравняване на двете форми на енергия.
Плюс един прост пример:
Изчисляване на скоростта на падане на топка, използвайки подход за запазване на енергията
Вече сме извлекли връзката между скоростта на падане и височината на падане с помощта на законите на движението.
За скоростта като функция от височината на падане резултатът беше: .
Искаме тази връзка с енергичен подход извличам:
По време на свободно падане потенциалната енергия се преобразува напълно в кинетична енергия. Общата енергия остава постоянна.
Така че можете да приравните двете енергии:
Сега вмъкваме размерите и получаваме
Преминаването към v доставя
или.
Така получавате същата формула, както с помощта на законите на движението. Извеждането обаче е малко по-лесно.
По подобен начин много други проблеми могат да бъдат решени по сравнително прост начин.
Друг пример:
Искаме да изчислим височината, достигната от топката, хвърлена вертикално нагоре със скорост v = 15m/s.
Вместо да търсим в колекцията от формули формулите за вертикално хвърляне, ние отново избираме енергийния подход и приравняваме кинетичната и потенциалната енергия:
Сега решаваме това уравнение за височината h, която търсим и получаваме:
Тази формула съответства и на формулата, вече изведена с помощта на законите на движение за височината на изкачване по време на вертикално хвърляне.
Ако вмъкнем стойностите, получаваме за височината
3. Затягаща енергия
Друга форма на механична енергия е енергията на напрежение.
Ако напр. Ако спирална пружина е опъната или компресирана от нейното положение на покой, за това е необходима сила. Силата води до удължаване или скъсяване на пружината с определено разстояние, така че трябва да се извърши работата по опъване.
Това произведение е тогава в писалката като Енергия на напрежение Espann запазени.
Изчисляване на енергията на опън
Енергията на опън се получава от произведението на силата и удължението на пружината:
Трябва обаче да се отбележи, че силата не е постоянна по време на удължаването, а се увеличава с увеличаване на удължението.
Законът на Хук се прилага за връзката между силата и удължението на спирална пружина: силата и удължението са пропорционални един на друг.
Законът на Хук: или.
Тази константа е т.нар. Пролетна скорост или Пролетна твърдост D..
Това е законът на Хук
Знакът минус изразява, че това е сила, насочена срещу удължението. Ето защо те също се наричат възстановяваща сила.
Пример:
Ако се удължи спирална пружина с пружинна константа 0,1 m, за това е необходима сила на.
За да определим извършената работа по опън и по този начин енергията на опън, подадена към пружината, показваме извършената работа в диаграма.
Ако силата F и траекторията s, в посоката на която действа силата, се прилагат един към друг, извършената работа съответства на площта под диаграмата.
Това се отнася както за случая, когато силата е постоянна (лява диаграма), така и за случая, когато силата и изместването са пропорционални един на друг, както в примера на спиралната пружина (дясна диаграма):
Извършената работа съответства на площта под диаграмата
В диаграмата вдясно свършената работа и по този начин доставената енергия е само половината от произведението на удължението s и силата F, която го причинява.
За Напрегната работа важи следното:
Необходимата сила F зависи от удължението s и пружинната константа D.
За количеството сила се прилага следното: (виж по-горе)
Ако замените силата с този израз, най-накрая получавате: