1.1: Потік енергії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6467

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

ВСТУП

Енергія - це вміння виконувати роботу. Робота виконується при прикладанні сили до предмета на відстані. Будь-який рухомий об'єкт має кінетичну енергію або енергію руху, і він, таким чином, може виконувати роботу. Аналогічним чином доводиться проводити роботу над об'єктом, щоб змінити його кінетичну енергію. Кінетична енергія об'єкта маси\(m\) і швидкості\(v\) задається співвідношенням

\[E=\dfrac{1}{2}mv^2.\]

Іноді енергію можна зберігати і використовувати в більш пізній час. Наприклад, стиснене джерело та вода, що утримується греблею, мають потенціал для роботи. Кажуть, що вони володіють потенційною енергією. Коли джерело або вода звільняються, його потенційна енергія перетворюється в кінетичну енергію та інші форми енергії, такі як тепло. Енергія, пов'язана з гравітаційною силою біля поверхні землі, є потенційною енергією. Інші форми енергії - це дійсно поєднання кінетичної та потенційної енергії. Наприклад, хімічна енергія - це енергія електричного потенціалу, що зберігається в атомах. Теплова енергія - це поєднання потенційної та кінетичної енергії частинок у речовині.

ФОРМИ ЕНЕРГІЇ

Механічна енергія щось приводить в рух. По ньому переміщаються автомобілі і ліфти. Машина використовує механічну енергію для виконання роботи. Механічна енергія системи - це сума її кінетичної та потенційної енергії. Важелі, яким для роботи потрібна точка опори, є найпростішим типом машини. Колеса, шківи і похилі площини є основними елементами більшості машин.

Хімічна енергія - це енергія, що зберігається в молекулах і хімічних сполуках, і міститься в продуктах харчування, деревині, вугіллі, нафті та інших видах палива. Коли хімічні зв'язки порушуються, або в результаті горіння, або інших хімічних реакцій, накопичена хімічна енергія виділяється у вигляді тепла або світла. Наприклад, м'язові клітини містять глікоген. Коли м'яз дійсно працює, глікоген розщеплюється на глюкозу. Коли хімічна енергія в глюкозі передається м'язовим волокнам, частина енергії надходить в навколишнє середовище у вигляді тепла.

Електрична енергія виробляється, коли незбалансовані сили між електронами і протонами в атомах створюють рухомі електрони, звані електричними струмами. Наприклад, коли ми крутимо мідний дріт через полюси магніту, ми індукуємо рух електронів в дроті і виробляємо електрику. Електрику можна використовувати для виконання таких робіт, як освітлення лампочки, нагрівання варильного елемента на плиті або живлення двигуна. Відзначимо, що електрика є «вторинним» джерелом енергії. Це означає, що для виробництва електроенергії потрібні інші джерела енергії.

Промениста енергія переноситься хвилями. Зміни внутрішньої енергії частинок змушують атоми випромінювати енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, яке включає видиме світло, ультрафіолетове (УФ) випромінювання, інфрачервоне (ІЧ) випромінювання, мікрохвильові хвилі, радіохвилі, гамма-промені та рентгенівські промені. Електромагнітне випромінювання сонця, особливо світла, має надзвичайно важливе значення в екологічних системах, оскільки біогеохімічні цикли та практично всі інші процеси на землі керуються ними.

Теплова енергія або Теплова енергія пов'язана з рухом або вібрацією молекул у речовині. При зміні теплової системи тепло надходить всередину або з системи. Теплова енергія надходить від гарячих тіл до холодних. Тепловий потік, як і робота, є передачею енергії. Коли тепло надходить у речовину, воно може збільшити кінетичну енергію частинок і, таким чином, підвищити її температуру. Тепловий потік також може змінювати розташування частинок, що складають речовину, збільшуючи їх потенційну енергію. Це те, що відбувається з водою, коли вона досягає температури 100ºC. Молекули води рухаються далі один від одного, тим самим змінюючи стан води з рідини на газ. Під час фазового переходу температура води не змінюється.

Ядерна енергія - це енергія, яка виходить від зв'язування протонів і нейтронів, що складають ядро атомів. Він може звільнятися від атомів двома різними способами: ядерним синтезом або ядерним поділом. При ядерному синтезі енергія виділяється, коли атоми об'єднуються або зливаються разом. Саме так сонце виробляє енергію. При ядерному поділі енергія виділяється при розщепленні атомів. Ядерне поділ використовується на атомних електростанціях для виробництва електроенергії. Уран 235 - це паливо, яке використовується на більшості атомних електростанцій, оскільки він надзвичайно швидко переживає ланцюгову реакцію, що призводить до поділу трильйонів атомів протягом частки секунди.

ДЖЕРЕЛА ТА РАКОВИНИ

Джерело енергії для багатьох процесів, що відбуваються на земній поверхні, походить від сонця. Випромінюючи сонячну енергію нагріває землю нерівномірно, створюючи руху повітря в атмосфері. Тому сонце ганяє вітрами, океанічними течіями і кругообігом води. Енергія сонячного світла використовується рослинами для створення хімічної енергії за допомогою процесу, який називається фотосинтезом, і це підтримує життя та ріст рослин. Крім того, мертвий рослинний матеріал розпадається, і протягом мільйонів років перетворюється на викопне паливо (нафта, вугілля і т.д.).

Сьогодні ми використовуємо різні джерела енергії, знайдені на землі, для виробництва електроенергії. Використовуючи машини, ми перетворюємо енергію вітру, біомаси, викопного палива, води, тепла, захопленого в землі (геотермальної), ядерної та сонячної енергії в корисну електроенергію. Перераховані вище джерела енергії відрізняються кількістю, доступністю, часом, необхідним для їх формування і корисності. Наприклад, енергія, що виділяється одним грамом урану при ядерному діленні, набагато більше тієї, що виробляється при згорянні рівної маси вугілля.

Таблиця: ВИРОБНИЦТВО ЕНЕРГІЇ США (квадрильйони БТЕ)
(Джерело: США DOE)	1975	2000
Вугілля	14,989 (24,4%)	22,663 (31,5%)
Природний газ (сухий)	19.640 (32.0%)	19.741 (27,5%)
Сира нафта	17,729 (28,9%)	12,383 (17,2%)
Ядерна	1.900 (3,1%)	8,009 (11,2%)
Гідроелектростанція	3.155 (5,1%)	2,841 (4,0%)
Природний газ (рослинна рідина)	2,374 (3,9%)	2.607 (3,6%)
Геотермальна	0,070 (0,1%)	0,319 (0,4%)
Інше	1.499 (2,5%)	3.275 (4,6%)
ВСЬОГО	61.356	71.838

(Джерело: Міністерство енергетики США)

Раковина енергії - це все, що збирає значну кількість енергії, яка або втрачається, або не вважається передаваною в досліджуваній системі. Джерела та раковини повинні бути включені в енергетичний бюджет при обліку енергії, що надходить в систему та з неї.

ЗБЕРЕЖЕННЯ ЕНЕРГІЇ

Хоча енергія може бути перетворена з однієї форми в іншу, енергія не може бути створена або знищена. Цей принцип називається «законом збереження енергії». Наприклад, в мотоциклі хімічна потенційна енергія палива змінюється на кінетичну. У радіо електрика перетворюється в кінетичну енергію та енергію хвилі (звук).

Машини можуть використовуватися для перетворення енергії з однієї форми в іншу. Хоча ідеальні машини зберігають механічну енергію системи, частина енергії завжди перетворюється на тепло при використанні машини. Наприклад, тепло, що утворюється тертям, важко зібрати і перетворити в іншу форму енергії. У такій ситуації теплова енергія зазвичай вважається непридатною або втраченою.

ЕНЕРГЕТИЧНІ ОДИНИЦІ

У Міжнародній системі одиниць (СІ) одиницею роботи або енергії є Джоуль (Дж). Для дуже невеликих кількостей енергії іноді використовується ерг (ерг). Ерг - це одна десятьмільйонна частина Джоуля:

1 Джоуль = 10 000 000 ергів

Потужність - це швидкість, з якою використовується енергія. Одиницею потужності є Ватт (Вт), названий на честь Джеймса Уотта, який удосконалив паровий двигун:

1 Вт = 1 Джоуль/другий розмір

Потужність іноді вимірюється в кінських силах (к.с.):

1 кінська сила = 746 Вт Вт

Електрична енергія rgy зазвичай виражається в кіловат-годині (кВт-год):

1 кіловат-годину = 3 600 000 джоулів

Важливо усвідомлювати, що кіловат-година - це одиниця енергії, а не потужності. Наприклад, залізо, розраховане на розмір 2000 Вт, споживало б 2x3.6x106J енергії за 1 годину.

Теплова енергія часто вимірюється в калоріях. Одна калорія (кал) визначається як тепло, необхідне для підвищення температури 1 грама води з 14,5 до 15,5 ºC:

1 калорія = 4.189 Джоуля Розмір

Стара, але все ще використовувана одиниця тепла - британська теплова одиниця (BTU). Він визначається як теплова енергія, необхідна для підвищення енергетичної температури 1 фунта води з 63 розміру 12 {"63"} {} до 64Fsize 12 {" 64" "» LsUp {size 8 {circ}} F} {}.

Фізична кількість	Ім'я	Символ	Одиниця SI
Сила	Ньютон	П	кг⋅м/с2розмір 12 {італійський «кг» точка м/с суп {розмір 8 {2}}} {}
Енергія	Джоуль	J	кг⋅м2/с2розмір 12 {італійський «кг» cdot m rS
Потужність	Ватт	Ш	кг⋅м2/с3розмір 12 {італійський «кг» cdot m r

1 BTU = 1055 джоулів