Energiasäästu seadus: valemid, rakendused, näiteülesanded
Laias laastus on energia jäävuse seadusel tihe seos meie igapäevase tegevusega.
Energiat ennast defineeritakse kui fikseeritud omadust, mis sisaldub füüsilises omaduses, näiteks osakeste, füüsiliste objektide ja kõigi võimetega, mis tulenevad osakeste olemasolust looduses, vastastikune mõju universum.
Kuna sellel on kindel olemus, võib energiat nimetada igaveseks ja selle suurus ei muutu.
Sisukord
Energiasäästu seaduse sõnastaja
Britannica lehelt tsiteerituna on seda teinud inglane James Prescott Joule sõnastavad, et erinevad energiavormid on põhimõtteliselt ühesugused ja fikseeritud, kuid neid saab ühelt teisele muuta üksteist.
Selle sõnastuse põhjal algatas ta seejärel seaduse, millest sai füüsika põhiteooria (termodünaamika) alus, nimelt energiasäästu seadus.
James Joule sündis 24. detsembril 1818 Inglismaal ja suri 11. oktoobril 1889.
Ta on John Daltoni õpilane, kes on keemik ja õppejõud Manchesteri ülikoolis Inglismaal.
Esmalt uuris Joule elektrijuhtmete tekitatud soojusega seotud empiirilisi uuringuid.
Tema tehtud uuringute ja järelduste kohaselt võiks Joule teaduslikus teesis järeldada, et soojus on energia, milles energia eraldub kuumutatud ainest või esemest.
Tema uurimus avab muid uuringuid, mis on sarnaselt seotud füüsiliste objektide mitmetes vastasmõjudes sisalduva energiaga.
James Joule ja tema kolleeg William Thomson avastasid füüsikalise teooria, mis väidab, et gaasid lastakse ilma gaasiväliste osakeste sekkumiseta laieneda, siis gaasi temperatuur on alla.
Nende leidude põhjal koostati teooria nimega Joule-Thomsoni efekt.
See teooria sai hiljem jahutusmasina loomise aluseks.
Energia säästmise seaduse mõistmine
Energiasäästu seadus ütleb, et:
Suletud süsteemi energia hulk ei muutu, see jääb samaks või konstantseks ja aja jooksul konserveerub. Energiat ei saa luua ega hävitada, kuid see võib muutuda ühest energiavormist teise.
Nagu on märgitud energeetikahariduses, on ainus viis energia kasutamist muuta selle vormi, mitte seda luua ega hävitada.
Selles füüsikaseaduses jõutakse ka järeldusele, et energia hulk on alati sama ja püsib, kuigi selle kuju võib muutuda.
Ainulaadselt on energia alati olemas ükskõik millises universumi osas ja selle olemus on sama, seda ei saa luua ega hävitada.
Mehaanilise energia konserveerimise seadus
Mehaanilise energia jäävuse seadus on koguste kujul kineetiline energia koos potentsiaalne energia.
Potentsiaalne energia on objektis olev energia, kuna objekt asub jõuväljas.
Vahepeal on kineetiline energia energia, mis on põhjustatud massi või kaalu omava objekti liikumisest.
Järgmine on kahe energia valemi või valemi kirjutamine, sealhulgas:
Ek = 1 / 2mv2
Ep = mgh
Teave:
- EK = kineetiline energia (džaulides)
- EP = potentsiaalne energia (džaulides)
- m = mass (kg)
- g = gravitatsioon (m / s2)
- h = objekti kõrgus (m)
- v = kiirus (m / s)
Kõik energiaühikud on džaulid (SI). Siis võrdub potentsiaalse energiaga selle ühe jõu tehtud töö süsteemi potentsiaalse energia muutuse negatiivsega.
Teiselt poolt on süsteemis, kus kiirus muutub, kogu süsteemis tehtud töö võrdne kineetilise energia muutusega.
Kuna jõud toimib ainult konservatiivse jõuga, võrdub kogu süsteemi töö potentsiaalse energia muutuse negatiivsega.
Kui ühendame need kaks mõistet, tekib tingimus, kus kineetilise energia muutuste ja potentsiaalse energia muutuste summa on võrdne nulliga.
Teisest võrrandist on näha, et kineetilise energia ja esialgse potentsiaalse energia summa on sama kui lõplike kineetiliste ja potentsiaalsete energiate summa.
Nende energiate summat nimetatakse mehaaniliseks energiaks.
Selle mehaanilise energia väärtus jääb alati konstantseks tingimusel, et süsteemis toimivad jõud peavad olema konservatiivsed.
Energia säilitamise seadus Vormel
Iga süsteemi koguenergia (st mehaaniline energia) peab olema alati sama, nii et enne ja pärast toimuv mehaaniline energia oleks sama suur.
Sel juhul võib öelda:
Näide energiasäästu seadusest
Järgnevalt on toodud mõned näited energia jäävuse seadusest, sealhulgas:
1. Veeküttega teekann
Veemahuti kasutamisel vaatate tegelikult energia säästmise põhimõtet.
Veemahuti muudab kaabli elektrienergia kütteelemendis olevaks soojusenergiaks.
Seejärel soojendab kütteelement vett nii, et soojusenergia liiguks teekannus olevasse vette.
2. Vilja langenud puul
Kui vili on puu otsas, on vili paigal. Puuviljal on potentsiaalne energia vilja kõrguse tõttu maapinnast.
Kui puu viljalt puult kukub, hakkab potentsiaalne energia muunduma kineetiliseks energiaks.
Energiate summa jääb konstantseks, millest saab siis süsteemi kogu mehaaniline energia.
Vahetult enne vilja maapinnale langemist väheneb süsteemi kogu potentsiaalne energia nulli ja sellel on ainult kineetiline energia.
3. Hüdroelektrijaam
Hüdroelektrijaamades on vesi paisutatud kõrge kõrguseni (h) jõudmiseks, nii et veehoidla vesi on suure potentsiaalse energiaga.
Vesi siseneb lüüsi suunast läbi veetee turbiinini ja pöörleb turbiini. Seejärel muutub vee potentsiaalne energia turbiinis kineetiliseks energiaks, nii et turbiin pöörleb.
Kuna turbiin pöörleb, pöörleb ka generaator. Seejärel muundatakse turbiini kineetiline energia generaatoris elektrienergiaks.
Seejärel juhitakse generaatorist saadav elekter kõrgepingekaablite kaudu. See elektrienergia on see, mida naudite igapäevaselt.
4. Hüdroelektrijaam
Langeva vee ja koskede abil saadud mehaanilist energiat kasutatakse kose põhjas oleva turbiini pööramiseks.
Seejärel kasutatakse elektri tootmiseks turbiini pöörlemist.
5. Marmorimäng
Marmorite mängimisel kandub sõrmede mehaaniline energia marmorile. See põhjustab marmori liikumist ja läbimist enne vahemaandumist.
6. Tuulik
Tuule kineetiline energia põhjustab labade pöörlemist. Tuulik muudab tuule kineetilise energia elektrienergiaks.
7. Aurumootor
Nagu nimigi ütleb, töötab aurumasin soojusenergiana aurul.
See soojusenergia muundatakse mehaaniliseks energiaks ja kasutatakse seejärel veduri käitamiseks.
See on ka näide soojusenergia muundamisest mehaaniliseks energiaks.
8. Mängu noolepüss
Noolemängu relval on vedru, mis suudab kokkusurutud asendis elastset energiat salvestada.
Seejärel vabaneb vedru venimisel energia, mis põhjustab noole liikumist.
Nii et see muundab vedru elastse energia liikuva noole kineetiliseks energiaks.
Probleemide näide
Ülaltoodud kirjelduse mõistmise hõlbustamiseks esitame siin mõned näited energia jäävuse seadusega seotud küsimustest, sealhulgas:
1. Kui objekt, mille mass on 2 kg, liigub asendist A asendisse B, siis milline on objekti kiirus asendis B? (Objekti kõrgus asendist A asendisse B on 2 m).
Vastus:
On tuntud:
- ma = mb = 2 kg
- va = 0 m / s
- ha = 2 m
- g = 10 m / s2
Küsis:
vb …?
Lahendus:
EMA = EMB
2. 1 kg massiga kivi visatakse vertikaalselt ülespoole. Maapinnast 10 meetri kõrgusel on selle kiirus 2 m / s. Mis on sel ajal mango mehaaniline energia? (g = 10 m / s2).
Vastus:
On tuntud:
- m = 1 kg
- h = 10 m
- v = 2 m / s
- g = 10 m / s2
Lahendus:
EM = EP + EK
EM = m g h + m v2
EM = 1. 10. 10 + ½. 1. 22
EM = 100 + 2
EM = 102 džauli
3. Gilang viskas mootorratta võtme 2 meetri kõrguselt nii, et võti kukkus vabalt maja põhja. Kui piirkonnas on raskusjõu tõttu kiirendus 10 m / s2, siis on klahvi kiirus pärast algsest asendist 0,5 meetri kaugusele liikumist?
Vastus:
On tuntud:
- h1 = 2 m
- v1 = 0
- g = 10 m / s2
- h = 0,5 m
- h2 = 2 - 0,5 = 1,5 m
Küsis:
v2 …?
Lahendus:
Mehaanilise energia jäävuse seaduse järgi siis
EM1 = EM2
Ep1 + ek1 = ep2 + ek2
m.g.h1 + m.v12 = m.g.h2 + m.v22
m. 10 (2) + 0 = m. 10 (1,5) + mv22
20 m = 15 m + m.v.22
20 = 15 + v22
20 - 15 = v22
5 = v22
10 = v22
v2 = 10 m / s