Bazele energiei
Ce este munca?
În termeni de fizică clasică, lucrați asupra unui obiect atunci când exercitați o forță asupra obiectului determinându-l să se deplaseze oarecare distanță. Cantitatea de muncă pe care o efectuați poate avea puține relații cu cantitatea de efort pe care o depuneți. De exemplu, dacă împingeți o mașină blocată într-o drift de zăpadă, puteți exercita multă forță (și efort), dar dacă mașina nu se mișcă, nu ați făcut niciun lucru! Pentru ca lucrarea să poată fi făcută asupra unui obiect, obiectul trebuie să se deplaseze oarecare distanță ca urmare a forței pe care o aplicați. Există, de asemenea, constrângeri cu privire la forța pe care o aplicați. Doar forța exercitată în aceeași direcție ca mișcarea obiectului duce la lucru. S-ar putea să credeți că faceți multă muncă dacă purtați un braț plin de cărți de acasă la școală. În realitate nu faceți deloc muncă! Când purtați teancul de cărți, exercitați o forță ascendentă pentru a ține cărțile, astfel încât acestea să nu cadă la pământ. Nu există nicio mișcare asociată cu această forță. Pe măsură ce mergeți, mișcarea cărților este orizontală, nu verticală. Deoarece forța aplicată cărților este verticală, iar mișcarea este orizontală, nu faceți nicio lucrare asupra cărților.
Munca este un transfer de energie, deci se lucrează la un obiect atunci când transferați energie către acel obiect. Cantitatea de muncă efectuată asupra unui obiect depinde de cantitatea de forță exercitată asupra obiectului și de distanța pe care o mișcă obiectul.
Munca = Forța x Distanța
Conform celei de-a doua legi a mișcării lui Newton, forța netă asupra unui obiect depinde de masa obiectului și de accelerația acestuia în timpul mișcării.
Forță = Masă x Accelerație
Unitatea comună de forță este Newton (N). Un Newton este forța necesară pentru a accelera un kilogram de masă la 1 metru pe secundă pe secundă.
Cantitatea de muncă depusă pentru a împinge o mașină de 10.000 N pe o distanță de 10 metri ar fi
10.000 N x 10 m = 100.000 N m sau 100.000 J
Newtonmetrii sunt denumiți jouli (J). Joule-ul poartă numele lui James Prescott Joule (1818-1889), care a calculat mai întâi cantitatea de muncă electrică necesară pentru a produce o unitate de căldură. În experimentele sale, Joule a descoperit că aceeași cantitate de căldură a fost produsă de aceeași cantitate de lucru electric sau mecanic („echivalentul mecanic al căldurii”).
Aflați mai multe despre locul de muncă aici.
Ce este Energia?
Pe 10 martie 2005, sunând ca o locomotivă care se apropia, o tornadă a căzut din nori negri care se înfășurau în orașul Greymouth din Noua Zeelandă. Vânturile au aruncat un camion într-o lagună, au rupt stâlpii electrici în jumătate, acoperișurile au navigat prin aer și clădirile au fost distruse (du-te aici pentru a vedea un videoclip al acestui dezastru).
Deși vântul este doar aer în mișcare, el posedă energie. Când vântul mișcă frunza pe un copac sau ridică și aruncă un camion, a provocat o schimbare a poziției obiectului. Prin urmare, a lucrat. O măsură a capacității de a lucra sau de a provoca schimbări se numește energie. De fiecare dată când un obiect lucrează asupra unui alt obiect, o parte din energia obiectului de lucru este transferată către acel obiect ridicându-și starea de energie. La fel ca munca, unitățile de energie sunt jouli.
Energia este cantitatea de muncă pe care o poate efectua un sistem fizic, astfel încât energia poate fi definită ca cea care schimbă poziția, compoziția fizică sau temperatura unui obiect. Există două categorii de energie, energia cinetică și energia potențială. Diferența dintre ele este dacă energia este transferată (cinetică) sau stocată (potențial). Sunt interconvertibile.
Energia cinetică este energia mișcării (mișcarea undelor, electronilor, atomilor, moleculelor) în timp ce energia potențială este energie stocată sau energie de poziție care are potențialul de a lucra (urmați legăturile de energie cinetică și potențială pentru o discuție mai aprofundată ). Energia cinetică a unui obiect este dependentă atât de masa obiectului, cât și de viteza acestuia.
Astfel, o mașină de 3.000 lb care se deplasează cu o viteză de 50 mph va transfera mai multă energie cinetică decât o mașină de 2.000 lb care se deplasează în același ritm. Energia poate fi stocată într-un obiect ridicându-l în sus. Cantitatea de energie potențială ar fi
unde m este masa obiectului; h este înălțimea obiectului și g este forța de greutate care acționează asupra obiectului.
Această animație arată cum energia se convertește între energia cinetică și energia potențială .
Animație oferită de: http://www.bsharp.org/physics/stuff/swings.html
Vedeți modul în care energia cinetică și energia potențială sunt corelate folosind o demonstrație de roller coaster.
O cascadă posedă atât energie potențială, cât și energie cinetică. Apa din vârful căderilor posedă energie potențială. Pe măsură ce apa curge peste marginea căderilor, energia sa este transformată în energie cinetică.
Forme de energie
Atât energia potențială, cât și energia cinetică vin într-o varietate de forme.
Legea conservării energiei
În cadrul unui sistem, cantitatea de energie este constantă. Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă. Cu toate acestea, poate fi transferat de la o formă la alta. Joi, când apa din vârful cascadei se aruncă peste margine, energia potențială este convertită în energie cinetică. Energia unei molecule de aer care se mișcă în vânt poate fi convertită în energie de rotație atunci când se deplasează rotorul unei mori de vânt care poate fi apoi convertită în electricitate de către un generator de turbină eoliană. În aproape toate aceste procese, o anumită energie este, de asemenea, convertită în energie termică.
Unități de energie
Deoarece folosim energia pentru a face multe tipuri diferite de lucrări, cum ar fi lucrările electrice, mecanice și termice, există multe unități diferite utilizate pentru a măsura cantitățile de energie utilizate. De exemplu, joul este o măsură a energiei electrice, în timp ce unitatea termică britanică sau calorică (BTU) este de obicei utilizată pentru măsurarea energiei termice.