Energia és energiatakarékosság

Energia - az egyik legfontosabb mennyiség a fizikában

A munka és az energia alapvető paraméterek a fizikai folyamatok leírásához. Az energia megőrzési mennyiség. Ez azt jelenti, hogy nem hozható létre és nem semmisíthető meg.

Az energia különböző formákban jön létre, amelyek egymással átalakíthatók.

Munka és energia

A test felgyorsításához erőre van szükségünk. Az erő és a gyorsulás kapcsolatát a mechanika alapegyenlete írja le:

A testet s távolságra mozgató erő végzi a munkát

Példa:

Egy m = 5kg tömegű testet h = 2m magasságba emelnek.

Az ehhez szükséges emelési munka az

ahol F a súly [], és az s távolság megfelel a h magasságnak:

Ha a fenti értékeket használja, akkor megkapja az elvégzett emelési munkát

Mivel emelési munkát végeztek a testen, annak energiája nő. Azt az energiát nevezzük, amelyet a test a helyzete (vagy magassága) miatt birtokol Helyezze az energiát vagy helyzeti energia.

Az alábbiak érvényesek: Az alkalmazott helyzetenergia megfelel az alkalmazott emelési munkának.

Ha ezután a test leesik, gyorsulási munkát végeznek a testen. A helyzetenergia kinetikus energiává alakul. Amikor a földre ér, a test deformálódik/felmelegszik. A mozgási energia hőenergiává alakul.

Az energia meghatározása és tulajdonságai

A testen végzett munka növeli a test energiáját. A test által végzett munka csökkenti az energiáját. A munka megváltoztatja a test állapotát (elmozdulás, gyorsulás, deformáció, fűtés stb.).

Az energia annak mértéke, hogy egy test mennyi munkát végzett vagy végzett.

A munkának és az energiának ugyanaz az egysége, nevezetesen a joule (J).

A következő érvényes: 1 J = 1 Nm

Az energia mechanikus formái

A mechanikus energiának különböző formái vannak.

Most szeretnénk meghatározni az energia legfontosabb mechanikai formáit, majd megvizsgálni az energiaformák közötti konverziók példáit.

1. Potenciális energia (helyzeti energia)

Ha egy testet felemelnek, emelési munkát végeznek rajta. Ez növeli a potenciális energiát (pozíció energia).

Helyzeti energia

Azt a munkaképességet nevezzük, amelyet minden test a helyzetének (magassága) miatt rendelkezik Helyezze az energiát vagy potenciális energia Epot.

A test potenciális energiája az

A magasságot egy szabadon választható nulla ponttól mérjük. Végül az energiakülönbségek mindig meghatározóak a fizikai folyamatokban.

A test munkaképessége vagy energiája, amelyet emelés után birtokol, ugyanolyan nagy, mint az ezzel járó emelési munka. Tehát mondhatod:

A helyzeti energia tárolt emelési munka.

A munka és az energia ugyanaz Mértékegység, mégpedig az Joule (J).

Az alábbiak érvényesek: 1 J = 1 Nm

2. Kinetikus energia

A mozgáshoz a gyorsulási munkával szolgáltatott energia néven ismert Kinetikus energia vagy mozgási energia Ekin. Minél nagyobb egy test sebessége és nagyobb tömege, annál nagyobb a mozgási energiája.

Képlet a kinetikus energia kiszámításához

Ha egy F állandó erő hat egy testre az s egyenes mentén, akkor azt egyenletesen gyorsítják fel. A gyorsulási munkát a testen végzik.

A kinetikus energia megfelel az elvégzett munkának, tehát:

Az erő a tömeg és a gyorsulás szorzatából származik []. Az alábbiak érvényesek:

A távolság-idő törvény az egyenletesen gyorsított mozgásokra vonatkozik .

Ez vonatkozik a kinetikus energiára

A gyorsulás és az idő szorzata megfelel a sebességnek: .

Ez kinetikus energiát eredményez

Kinetikus energia (kinetikus energia)

A gyorsulási munkával szolgáltatott energiára, amelyet egy test a sebessége miatt birtokol, a továbbiakban: Kinetikus energia vagy mozgási energia Ekin.

A test mozgási energiája az

Példa a kinetikus energia kiszámítására:

Egy m = 950kg tömegű autó v = 120km/h sebességgel halad.

A számításhoz először a sebességet kell átalakítani m/s egységre. Ennek eredménye: v = 33,33m/s.

Ez adja a kinetikus energiát:

Energiaátalakítás és energiatakarékosság

Ha egy test h magasságból esik le, akkor potenciális energiája csökken. De az energia nem tűnik el, hanem kinetikus energiává alakul.

Közvetlenül a talajba érés előtt (h = 0) a potenciális energia teljesen átalakult kinetikus energiává.

Az esés során a potenciális energia csökken és a mozgási energia nő.

A teljes mindkét energiaforma állandó marad. Együtt adják meg a rendszer teljes energiáját.

Ez nemcsak erre a példára vonatkozik, hanem minden folyamatra. Ez egy alapelv, és a következőképpen fogalmazható meg:

Az energiatörvény megőrzése

A Teljes energia zárt rendszer marad az összes folyamatnál állandó.

Az energia csak átalakítható, de nem veszik el.

Ha valaki "energiatermelésről" vagy "energiaveszteségről" beszél, akkor mindig az energia más formáivá történő átalakítását kell érteni.

Példa az energiaátalakításokra

Egyben széntüzelésű erőmű a szénből származó kémiai energia égés útján hőenergiává alakul. Ennek eredményeként a víz elpárolog, és a vízgőz meghajtja a turbinákat. A hőenergia mechanikai energiává (kinetikus energiává) alakul. A turbinákat olyan generátorhoz kapcsolják, amely a mozgási energiát indukcióval elektromos energiává alakítja.

Energiaátalakítás hőerőművekben:

Kémiai energia → hőenergia → kinetikus energia → elektromos energia

Tehát az erőművekben nem keletkezik energia, csak átalakul.

Sajnos a kémiai energia nem minden átalakítható elektromos energiává. A termodinamika törvényei szerint elvileg nem lehet olyan gépet építeni, amely képes folyamatosan és teljesen átalakítani a hőenergiát mechanikai energiává. Az energia egy részét mindig hő formájában adják le a környezetnek, így úgy tűnik, hogy "elveszett".

Az energia mechanikai formáinak (pl. A potenciális energia mozgási energiává vagy fordítva) átalakításakor általában az energia csak nagyon kis része alakul hővé (súrlódás révén). Ha a súrlódás elhanyagolható, azaz az "energiaveszteség" minimális, akkor a gyakorlatban teljes átalakulást feltételezhetünk az energia mechanikai formái között.

Mit tehet az energia megmaradásának törvényével?

Az energiamegmaradás törvényének segítségével számos fizikai probléma megoldható nagyon egyszerű módon.

Ha elhanyagoljuk a súrlódást és így a hővé alakult energia arányát a mechanikai energiaformák közötti átalakításkor, akkor az összes érintett mennyiség könnyen kiszámítható a két energiaforma megegyezésével.

Plusz egy egyszerű példa:

A gömb esési sebességének kiszámítása az energiatakarékosság megközelítésével

A mozgás törvényeinek segítségével már levezettük az esés sebessége és az esés magassága közötti kapcsolatot.

A sebesség a zuhanás magasságának függvényében az eredmény: .

Ezt a kapcsolatot akarjuk a energikus megközelítés származik:

A szabad esés során a potenciális energia teljesen átalakul kinetikus energiává. A teljes energia állandó marad.

Tehát mindkét energiát meg lehet egyenlíteni:

Most behelyezzük a méreteket és megkapjuk

V váltás v szállít

vagy.

Tehát ugyanazt a képletet kapja, mint a mozgástörvények segítségével. A levezetés azonban kissé könnyebb.

Hasonló módon sok más probléma is megoldható viszonylag egyszerű módon.

Egy másik példa:

Meg akarjuk számolni a függőlegesen felfelé dobott golyó által elért magasságot v = 15m/s sebességgel.

Ahelyett, hogy a képletgyűjteményben keresnénk a függőleges dobás képleteit, ismét az energetikai megközelítést választjuk, és egyenlővé tesszük a kinetikus és a potenciális energiát:

Most megoldjuk ezt az egyenletet a keresett és kapott h magasságra:

Ez a képlet megfelel annak a képletnek is, amelyet a mozgástörvények segítségével már kaptak a függőleges dobás magasságának emelkedésére.

Ha beszúrjuk az értékeket, akkor megkapjuk a magasságot

3. Feszítő energia

A mechanikai energia másik formája a feszültségenergia.

Például, ha egy spirális rugót kinyújtunk vagy összenyomunk nyugalmi helyzetéből, erőre van szükség. Az erő hatására a rugó egy bizonyos távolsággal meghosszabbodik vagy rövidül, ezért a feszítő munkát el kell végezni.

Ez a munka akkor a tollban van Feszültségenergia Espann mentett.

A feszültségenergia kiszámítása

A feszültségenergia a rugó erőének és meghosszabbításának szorzatából származik:

Meg kell azonban jegyezni, hogy az erő a meghosszabbítás során nem állandó, hanem növekszik a meghosszabbítással.

Hooke törvénye az erő és a tekercs rugójának megnyúlása közötti kapcsolatra vonatkozik: az erő és a megnyúlás arányos egymással.

Hooke törvénye: vagy.

Ez az állandó az ún. Tavaszi árfolyam vagy D. tavaszi keménység.

Ez Hooke törvénye

A mínuszjel azt fejezi ki, hogy ez a meghosszabbítás ellen irányuló erő. Ezért is nevezik helyreállító erőnek.

Példa:

Ha egy 0,1 m rugóállandójú spirális rugót meghosszabbítunk, ehhez erő szükséges.

Az elvégzett feszültségi munka és ezáltal a rugóhoz juttatott feszültségenergia meghatározása érdekében az elvégzett munkát diagramban mutatjuk be.

Ha az F erőt és az s utat, amelyek irányában az erő hat, egymásra fejtjük, az elvégzett munka megfelel a diagram alatti területnek.

Ez vonatkozik mind arra az esetre, amikor az erő állandó (bal oldali ábra), mind arra az esetre, amikor az erő és az elmozdulás arányos egymással, mint a spirális rugó példájában (jobb oldali ábra):

Az elvégzett munka megfelel a diagram alatti területnek

Az elvégzett munka és így a leadott energia csak a fele a nyúlás s az F erőnek, amely a jobb oldali diagramon okozza.

A Feszítő munka a következő vonatkozik:

A szükséges F erő az s nyúlástól és a D rugóállandótól függ.

Az erő mértékére a következők vonatkoznak: (lásd fent)

Ha az erőt ezzel a kifejezéssel helyettesíti, akkor végül: