Физика что такое энергия: Урок 13. работа. мощность. энергия. закон сохранения механической энергии – Физика – 10 класс

Содержание

Кинетическая и потенциальная энергия | Физика для студентов | Студенту | Статьи и обсуждение вопросов образования в Казахстане | Образовательный сайт Казахстана

Кинетическая энергия T механической системы – это энергия механического движения этой системы.

Работа δA силы T на пути, который тело прошло за время возрастания скорости от 0 до v, идет на увеличение кинетической энергии dt тела, т.е:

δA=dT

Но δA=Fdr=mdvdr/dt=mvdv=mvdv=dt,

откуда:

T=mvdv=mv2/2

Таким образом, тело массы m, движущееся со скоростью v, обладает кинетической энергией:

T=mv2/2

Кинетическая энергия – величина аддитивная. Так, энергия системы из n материальных точек равна сумме кинетических энергий этих материальных точек:

T=(mivi/2)

Потенциальная энергия – механическая энергия системы тел, определяемая их взаимным расположением и характером сил взаимодействия между ними.

Тело, находясь в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией П. Работа консервативных сил при элементарном изменении конфигурации системы равна приращению потенциальной энергии, взятому с обратным знаком, так как работа совершается за счет убыли потенциальной энергии системы:

δA=-dП

Но δA=Fdr, тогда Fdr=-dП и потенциальную энергию системы можно найти как:

П=-∫Fdr+C,

где C – постоянная интегрирования, то есть потенциальная энергия может быть определена с точностью до некоторой произвольной постоянной. Поэтому потенциальную энергию тела в каком-то положении полагают равной нулю, а энергию в других положениях отсчитывают относительно этого нулевого уровня (за нулевой уровень можно принять, например, уровень пола, уровень моря и т.д.).

Для консервативных сил:

Fx=-dП/dx, F

y=-dП/dy, Fz=-dП/dz или F=-gradП (3.2)

gradП = (dП/dx)*i+(dП/dy)*j+(dП/dz)*k (3.3)

Вектор, определяемый выражением (3.3), называется градиентом скаляра П.

Таким образом, выражение (3.2) показывает, что консервативная сила равна градиенту потенциальной энергии, взятому с обратным знаком.

Потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью Земли, равна:

П=mgh,

где h высота отсчитывается от уровня, для которого П0=0

Потенциальная энергия упругодеформированного тела (пружины):

П=kx2/2

Полная механическая энергия E системы – сумма кинетической и потенциальной энергий системы:

E=T+П

Открытая Физика. Закон сохранения механической энергии

Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только посредством сил тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком: A = –(Eр2 – Eр1).

По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел (см. §1.19): A=Ek2-Ek1.

Следовательно

Ek2-Ek1=-(Ep2-Ep2) или

Ek1 + Ep1 = Ek2 + E
p2.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Х. Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи.

К задаче Христиана Гюйгенса. F→ – сила натяжения нити в нижней точке траектории

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде: mυ122=mυ222+mg2l.

Обратим внимание на то, что сила F→ натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы.

При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести: mυ22l=mg.

Из этих соотношений следует: υ1min2=5gl.

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами F→ и mg→, направленными в противоположные стороны: mυ122=F-mg.

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равно F = 6mg.

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение.

Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется

. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии (рис.

 1.20.2).

Один из проектов «вечного двигателя». Почему эта машина не будет работать?

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

Внутренняя энергия | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, презентация, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Внутренняя энергия — важнейшее условие существования и характеристика всех тел живой и неживой природы. Для того чтобы определить её значение в организации жиз­ни на нашей планете, вспомним основные физические понятия термо­динамики.

Макроскопические тела состоят из движущихся и взаимодействую­щих частиц: молекул, атомов, ионов. В свою очередь, атомы и ядра атомов тоже состоят из движущихся и взаимодействующих частиц.

Как известно, движущиеся тела обладают кинетической энер­гией, следовательно, частицы (молекулы, атомы, ионы), из которых состоит вещество, тоже обладают кинетической энергией.

Взаимодействующие тела обладают энергией взаимодействия, или потенциальной энергией. Поскольку частицы вещества взаимодей­ствуют между собой, то они обладают потенциальной энергией.

Следовательно, частицы, из которых состоят макроскопические тела, обладают кинетической и потенциальной энергией, их сумма и есть внутренняя энергия макроскопической системы.

Внутренней энергией (U) макроскопической системы называют сумму кинетической энергии (EК) движения составляющих его ча­стиц (молекул, атомов, ионов) и потенциальной энергии (EП) их вза­имодействия: U = EK + EП.

Единицей измерения внутренней энергии является джоуль (1 Дж).

К внутренней энергии относят и энергию движения и взаимодей­ствия частиц, входящих в состав атомов и ядер вещества, однако в мо­лекулярной физике имеют дело с процессами, которые происходят при не слишком высоких температурах и не связаны с превращением вещества. В этих процессах внутриатомная и внутриядерная энергия не изменяется.

Внутренняя энергия, так же как температура, давление и объём (термодинамические параметры), характеризует состояние системы. При изменении состояния тела изменяется и значение внутренней энергии.

Как известно, кинетическая энергия тела прямо пропорцио­нальна квадрату его скорости. Поскольку молекулы имеют разные скорости и, следовательно, разные кинетические энергии, то их сово­купность характеризуется средней кинетической энергией, которая прямо пропорциональна среднему квадрату скорости движения моле­кул:

Ėk = m02 / 2. Материал с сайта http://doklad-referat.ru

Так как температура тела прямо пропорциональна средней кинети­ческой энергии составляющих его частиц, то внутренняя энергия тела зависит от его температуры и об изменении внутренней энергии мож­но судить по изменению температуры тела.

Внутренняя энергия тела зависит и от его агрегатного состояния. Так, она больше у стоградусного пара, чем у воды такой же массы при той же температуре. Это объясняется различием потенциальных энер­гий взаимодействия молекул пара и воды.

Внутренняя энергия зависит и от деформации тела: она больше у де­формированного тела, чем у недеформированного.

Следует иметь в виду, что внутренняя энергия тела не зависит от его движения как целого и от его положения в пространстве. Так, значения внутренней энергии у шарика, лежащего на полу и подня­того на некоторую высоту, одинаковы при одинаковых прочих усло­виях.

На этой странице материал по темам:
  • Доклад на тему внутренняя энергия

  • От чего зависит внутренняя энергия

  • Внутренняя энергия тела зависит от формулы

  • Характеристика веутрений энергии

  • Скачать реферат по физике на тему внутренняя энергия

Вопросы по этому материалу:
  • Что представляет собой внутренняя энергия?

  • От чего зависит и от чего не зависит внутренняя энергия макроскопической системы?

Механическая энергия.

Закон изменения (сохранения) механической энергии 10 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей |

Введение

 

Итак, давайте рассмотрим совокупность тел, которые взаимодействуют только друг с другом. Такая совокупность тел называется замкнутой системой. Такая система может обладать как кинетической, так и потенциальной энергией. Кинетической – потому, что тела могут двигаться, потенциальной – поскольку тела взаимодействуют друг с другом.

 

Пусть  – потенциальная энергия системы в какой-то момент времени, а  – общая кинетическая энергия системы тел в тот же момент времени. Потенциальную и кинетическую энергии этих же тел в какой-нибудь другой момент времени обозначим соответственно через  и .

На предыдущих уроках мы установили, что, когда тела взаимодействуют друг с другом силами тяжести или упругости (другими словами потенциальными или консервативными силами), совершенная этими силами работа равна взятому с противоположным знаком изменению потенциальной энергии тел системы:

.

С другой стороны, согласно теореме о кинетической энергии, эта же работа равна изменению кинетической энергии:

В левых частях этих равенств стоит одна и та же величина – работа сил взаимодействия тел системы. Значит, и правые части равны друг другу:

.

Теперь, если перенести в левую сторону кинетическую и потенциальную энергии тел в первый момент времени, а в правую часть, соответственно, энергии во второй момент времени, получим выражение, которое, по сути, и является законом сохранения полной механической энергии:

.

Из этого выражения видно, что со временем сохраняется величина, равная сумме кинетической и потенциальной энергии. Эта величина называется полной механической энергией. Итак, мы получили один из самых важных законов механики – закон сохранения полной механической энергии:

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих потенциальными силами, остается неизменной при любых движениях тел системы.

Другими словами, если работа какой-либо силы увеличивает потенциальную энергию системы на какую-либо величину, она же уменьшает кинетическую энергию этой системы, причем, на такую же величину.

Рассмотрим несколько примеров замкнутых систем, взаимодействующих между собой потенциальными силами. Во-первых, рассмотрим тела, взаимодействующие силами тяжести, например систему «Земля – падающее тело». Для такой системы, полная механическая энергия:

.

Если между телами системы действует сила упругости, то полная механическая энергия запишется так:

.

Закон сохранения полной механической энергии позволит вам с лёгкостью решать многие задачи механики, однако, прежде чем пользоваться законом сохранения энергии, убедитесь, что система замкнутая и силы которыми взаимодействуют тела потенциальные.

 

Список литературы

  1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10. – М.: Просвещение, 2008.
  2. А. П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11. – М.: Дрофа, 2006.
  3. О. Я. Савченко. Задачи по физике – М.: Наука, 1988.
  4. А. В. Пёрышкин, В. В. Крауклис. Курс физики т. 1. – М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Википедия (Источник)
  2. Интернет-портал «Physics.ru» (Источник)
  3. Интернет-портал «Youtube.com» (Источник)
  4. Интернет-портал «Youtube.com» (Источник)

 

Домашнее задание

Решив задачи к данному уроку, вы сможете подготовиться к вопросам 3 ГИА и вопросам А4 ЕГЭ.

1. Задачи 358, 360, 362, 364, 366, 368, 370 сб. задач А.П. Рымкевич изд. 10 (Источник).

2. Пользуясь законом сохранения энергии, вычислите скорость тела, свободно падающего с некоторой высоты, у поверхности Земли. Сравните полученный результат с тем, который получается из кинематических формул.

3. Рассмотрите следующие вопросы и ответы на них:

Список вопросов – ответов:

Вопрос: Куда девается энергия системы, когда тела взаимодействуют диссипативными силами? Почему при этом нельзя пользоваться законом сохранения полной механической энергии?

Ответ: В основном, энергия под действием диссипативных сил переходит в тепло. В общем случае, можно сказать, что энергия переходит в другую, немеханическую энергию. Таким образом, мы не можем пользоваться законом полной механической энергии, поскольку механика не способна описать тепловые, или какие-либо другие явления, происходящие в этой системе.

Вопрос: Выполняется ли закон сохранения энергии, если на тело одновременно действует и сила тяжести, и упругая сила?

Ответ: Да, конечно, если система тел взаимодействует несколькими консервативными силами, и она замкнута, то закон сохранения полной механической энергии выполняется.

Вопрос: Как влияет на энергию системы тел действие внешней силы? Сохраняется ли в этом случае полная механическая энергия?

Ответ: То, что на систему тел действует внешняя сила, говорит о том, что система перестает быть замкнутой, следовательно, закон сохранения полной механической энергии в ней не работает. Однако, если в эту систему включить тело, мерой взаимодействия которого и является эта внешняя сила, то эта новая расширенная система уже будет замкнутой, и, следовательно, закон сохранения энергии будет справедлив.

Вопрос: Спутник вращается по орбите вокруг Земли. С помощью ракетного двигателя его перевели на другую орбиту. Изменилась ли его механическая энергия?

Ответ: Да, энергия изменилась за счет того, что система перестала быть замкнутой во время работы ракетного двигателя.

 

Физика элементарных частиц в 2017 году

Конец года — самое время подводить итоги и рассуждать о будущих направлениях развития. Мы предлагаем вам окинуть беглым взглядом, что принес 2017 год в физике элементарных частиц, какие результаты были на слуху и какие намечаются тенденции. Эта подборка, безусловно, будет субъективной, но она осветит современное состояние фундаментальной физики микромира с одного широко популярного угла зрения — через поиск Новой физики.

Дела коллайдерные

Главным источником новостей из мира элементарных частиц по-прежнему остаетсяБольшой адронный коллайдер. Собственно, он и был создан для того, чтобы расширять наше знание о фундаментальных свойствах микромира и вгрызаться в неизведанное. Сейчас на коллайдере продолжается многолетний сеанс работы Run 2. Одобренное ЦЕРНом расписание работы коллайдера простирается до середины 2030-х годов, и прямых конкурентов у него не будет как минимум еще десятилетие. Его научная программа включает в себя задачи из самых разных областей физики частиц, так что, даже если задерживаются результаты в каком-то одном направлении, это компенсируется новостями из других.

В техническом плане 2017 год отметился ударным темпом набора данных (рис. 2). Правда, проблемы с одной из вакуумных секций вынудили техников подбирать режим столкновений в обход инструментальных ограничений. С честью выйдя из испытаний, они смогли достичь и даже превысить план по набору статистики. Интегральная светимость, набранная за этот год, достигла 50 fb−1 в детекторах ATLAS и CMS, и, вкупе со статистикой 2015 и 2016 годов, полный объем данных на энергии 13 ТэВ приблизился к 100 fb−1.

Но вот что касается научных результатов, то здесь царит, скорее, сдержанный пессимизм. С одной стороны, коллайдер в самом деле резко передвинул энергетический фронт исследований за пределы 1 ТэВ. Если десятилетие назад теоретики мечтали об открытии суперсимметрии и о фейерверке новых частиц и явлений при энергиях 0,3–0,5 ТэВ, то теперь ограничения снизу на массу сильновзаимодействующих частиц-суперпартнеров достигают 2 ТэВ. Были выполнены сотни вариантов поисков новых эффектов, которые предсказывают разнообразные теории за пределами Стандартной модели, но никаких убедительных сигналов обнаружить не удалось. Ограничения сверху на массы гипотетических новых частиц достигают в отдельных случаях нескольких ТэВ. Иными словами, если Новая физика тут и есть, то она явно не лежит на поверхности.

С другой стороны, никто в физике частиц из этого не делает трагедии. Все понимают, что после обнаружения бозона Хиггса эпоха гарантированных открытий в физике частиц закончилась. Если сравнивать нынешние исследования микромира с путешествиями средневековых мореплавателей, то сейчас мы реально вышли в неизведанные воды, в открытый океан — и мы не знаем, когда и где нас ждет следующее большое открытие. Природа не подарила нам моментального яркого открытия — ну что ж, у нас есть и запасные возможности. Нестандартные эффекты можно обнаружить, не только напрямую открывая новые частицы, но и через косвенное их влияние на частицы уже известные. И вот здесь потенциал Большого адронного коллайдера остается огромным.

Во-первых, у нас есть хиггсовский бозон — частица совершенно нового сорта, и с тщательным изучением этого бозона физики связывают большие надежды. Есть множество теоретических конструкций, в которых первые отклонения от Стандартной модели как раз должны проступать в виде нестандартных свойств бозона Хиггса. Пока что измеренные характеристики этой частицы выглядят совершенно стандартными, — по крайней мере по данным Run 1 и первой половины Run 2 (рис. 3). Но ведь мы только начали ее изучать, и погрешности у этих измерений все еще велики. В них вполне могут скрываться небольшие отклонения, которые удастся увидеть только на гораздо большей статистике. Сейчас результаты по бозону Хиггса базируются на данных 2016 года, да и то не во всех случаях. Богатая статистика 2017 года пока находится в стадии обработки, и первые результаты на ее основе будут представлены только на зимних конференциях.

В этой связи логичным кажется выбор, сделанный недавно международным физическим сообществом: построить-таки Международный линейный коллайдер ILC, но только в упрощенной версии, и использовать его как хиггсовскую фабрику. ILC — это проект нового электрон-позитронного коллайдера, который, по исходной задумке, должен будет измерить в мельчайших деталях все то, что откроет LHC. Все технологии для его реализации уже готовы, выбрано место постройки, и вот уже несколько лет все упирается лишь в готовность правительств стран-участников — и прежде всего, Японии, на территории которой будет построен коллайдер, — вложить миллиарды долларов в его реализацию. Если бы LHC обнаружил новые частицы или иные четкие свидетельства Новой физики, никаких препятствий не было бы — коллайдер ILC с энергией столкновений на 500 ГэВ или даже выше получил бы зеленый свет. В нынешней же ситуации единственной гарантированной «мишенью» ILC может служить только бозон Хиггса. Для его изучения хватит гораздо более скромной энергии столкновений — 250 ГэВ, что лишь немногим превышает энергию церновского коллайдера LEP из уже прошлого века (рис. 4). Однако это позволит на 40% снизить стоимость реализации проекта при сохранении научной ценности. Подробности нового плана описаны в статьях arXiv:1710.07621 и arXiv:1711.00568, и хочется надеяться, что эта переоценка сдвинет дело с мертвой точки.

Во-вторых, за последние несколько лет детектор LHCb, вкупе с некоторыми другими экспериментами, выдал череду обескураживающих результатов по редким распадам B-мезонов. В целом ряде процессов были обнаружены отклонения от Стандартной модели. Каждое из этих измерений по отдельности не тянет на громкую заявку, но почти все они удивительным образом отклоняются от Стандартной модели примерно в одну сторону, словно намекая на Новую физику. Больше всего обнадеживает то, что эти отклонения — на редкость живучие. При наборе новых данных они не пропадают, а остаются, иногда даже усиливаются. Вот и в этом году коллаборация LHCb выдала еще пару таких аномалий, укладывающихся в общую тенденцию (первое, второе).

Здесь остается широчайший простор для громких открытий. Дело в том, что все эти данные LHCb были получены на основе статистики Run 1, набранной в 2010–2012 годах. Тщательный анализ данных и сравнение с моделированием занимает очень много времени, и обработка данных 2016, а тем более — 2017 года еще не завершена. В отличие от ATLAS и CMS, статистика LHCb не демонстрирует такой огромный скачок при переходе от Run 1 к Run 2, но все равно физики ожидают существенное обновление ситуации с загадками B-мезонов. А ведь впереди еще Run 3, а затем — LHC на повышенной светимости, и кто знает, что еще принесет ближайшее десятилетие.

К тому же, в следующем году вступит в строй модернизированная B-фабрикаSuperKEKB с детектором Belle II. Уже в ближайшие годы она станет полноправным охотником за отклонениями, а к 2024 году накопит совершенно запредельную светимость 50 ab−1 (то есть 50 000 fb−1), см.  рис. 5. В результате, если, скажем,нарушение лептонной универсальности, обнаруженное в распадах B-мезонов на D-мезоны и лептоны, реально, то детектор Belle II сможет его подтвердить на уровне статистической значимости аж 14σ (сейчас оно достигает лишь 4σ).

Редкие распады B-мезонов — это горячая тема и для теоретиков. Громкие заявления о том, что эксперимент существенно расходится с предсказаниями Стандартной моделью, возможны, только если мы эти самые предсказания надежно вычислены. Но их невозможно просто взять и рассчитать. Все упирается во внутреннюю динамику адронов, головную боль теоретиков, которую приходится оценивать на основе предположений. В результате несколько теоретических групп дают существенно различающиеся оценки того, насколько серьезным является расхождение между экспериментом и Стандартной моделью: кто-то заявляет, что больше 5σ, другие — что не превышает 3σ. Это состояние неопределенности, увы, характерно для нынешних интерпретаций аномалий в B-мезонах.

Низкие энергии

Впрочем, кроме поиска намеков на Новую физику при высоких энергиях, в физике частиц есть немало и других задач. Пусть они реже попадают в заголовки СМИ, но для самих физиков они тоже очень важны.

Одно активное направление исследований касается адронной спектроскопии и, в особенности, многокварковых адронов. Ряд открытий был сделан на LHC в прошлые годы (самое заметное — это обнаружение пентакварка со скрытым очарованием), но и 2017 год принес несколько новых частиц. Мы рассказывали просразу пять новых частиц из семейства Ωc-барионов, открытых единым махом, и пропервый дважды-очарованный барион. Косвенной демонстрацией того, насколько эта тема захватила физиков, может служить недавняя теоретическая статья в Nature проэнерговыделение в адронных слияниях; публикация в этом журнале, да еще и теоретической статьи — совершенно экстраординарная ситуация для физики частиц.

Еще одна область работы — это попытки разобраться со старыми загадками. Например, еще с 2001 года тянется проблема с магнитным моментом мюона. Эту характеристику мюона можно исключительно точно измерить в эксперименте и очень аккуратно рассчитать теоретически. Измерения и расчеты, однако, расходятся друг с другом примерно на 3σ, и расхождение это зависит к тому же от деталей теоретического анализа. Кто-то считает, что оно исчезнет при более аккуратном измерении и расчете, другие надеются, что здесь мы впервые, сквозь «мюонную призму», видим намек на Новую физику. Так или иначе, этот запутанный клубок проблем давит на физиков уже не одно десятилетие и требует разрешения (см. подробный доклад И. Б. Логашенко Аномальный магнитный момент мюона: окно в мир Новой физики).

Чтобы разобраться с ним, в Фермилабе в этом году запускается новый экспериментMuon g-2 по измерению злополучного магнитного момента мюона с точностью, в несколько раз превышающей результат 2001 года (см. недавний доклад коллаборации). Первые серьезные результаты следует ожидать уже в 2018 году, окончательные — после 2019 года. Если отклонение останется на прежнем уровне, это станет серьезнейшей заявкой на сенсацию. А тем временем, в ожидании вердикта из Фермилаба, уточняются и теоретические расчеты. Тут загвоздка в том, что адронный вклад в аномальный магнитный момент мюона нельзя вычислить «на кончике пера». Этот расчет тоже неизбежно опирается на эксперименты, но совсем другого рода — например, на рождение адронов в низкоэнергетических электрон-позитронных столкновениях. И тут буквально две недели назад появилось новое измерение от детектора CLEO-c в ускорителе CESR в Корнельском университете. Оно уточняет теоретический расчет и, как выяснилось, усугубляет расхождение: теория и эксперимент 2001 года отличаются теперь на все 4σ. Что ж, тем интереснее будет узнать результаты эксперимента Muon g-2.

Проблемы в физике частиц бывают и чисто инструментальные, скажем, когда разные измерения одной и той же величины сильно расходятся друг с другом. Мы не будем заострять внимание на измерениях гравитационной константы, — эта вопиюще неудовлетворительная ситуация выходит за пределы физики частиц. А вот проблему со временем жизни нейтрона — она во всех подробностях описана в нашей новости 2013 года — упомянуть стоит. Если до середины 2000-х все измерения времени жизни нейтрона давали примерно одинаковые результаты, то новый эксперимент 2005 года, выполненный группой А. П. Сереброва, резко контрастировал с ними. Постановка экспериментов принципиально различалась: в одном измерялась радиоактивность пролетающего пучка нейтронов, а в другом — выживаемость ультрахолодных нейтронов в гравитационной ловушке. Источники систематических погрешностей в этих двух типах экспериментов совершенно разные, и каждая группа критиковала «конкурента», напирая на то, что она-то свои погрешности учла должным образом. И вот, похоже, научный спор близится к своему разрешению. В этом году появилось два новых измерения (первое, второе), проведенные по различающимся методикам. Оба они дают близкие значения и поддерживают результат 2005 года (рис. 7). Окончательную точку сможет поставить новый японский пучковый эксперимент, описанный в недавнем докладе.

По всей видимости, близка к разрешению и другая загадка, мучавшая физиков семь лет — проблема радиуса протона. Эта фундаментальная характеристика ключевого кирпичика материи была, конечно, измерена в многочисленных экспериментах, и все они также давали примерно одинаковые результаты. Однако в 2010 году, изучая спектроскопию не обычного, а мюонного водорода, коллаборация CREMA обнаружила, что, по этим данным, радиус протона на 4% меньше общепринятого значения. Расхождение было очень серьезным — на 7σ. Вдобавок, в прошлом году проблема усугубилась аналогичными измерениями с мюонным дейтерием. В общем, стало совершенно непонятно, в чем вообще подвох: в расчетах, в экспериментах (и тогда — в каких), в обработке данных, или же в самой природе (да-да, некоторые теоретики и здесь пытались увидеть проявления Новой физики). Подробное популярное описание этой проблемы см. в больших материалах Спектроскопия мюонного дейтерия обострила проблему с радиусом протона и Щель в доспехах; краткий обзор текущей ситуации по состоянию на август этого года приведен в публикации The proton radius puzzle.

И вот в октябре этого года в журнале Science вышла статья с результатами новых экспериментов, в которых радиус протона был перемерен в обычном водороде. И — сюрприз: новый результат сильно расходился в предыдущими, всеми уважаемыми водородными данными, зато согласовывался с новыми мюонными (рис. 8). Похоже, что причина расхождения скрывалась в тонкостях измерения частот атомных переходов, а не в свойствах самого протона. Если другие группы подтвердят это измерение, то проблему с радиусом протона можно будет считать закрытой.

А вот другая низкоэнергетическая загадка — аномалия в ядерных переходах метастабильного бериллия-8 — так пока и не получила объяснения (рис. 9). Возникшая из ниоткуда два года назад, она привлекла внимание многих теоретиков, ищущих проявления Новой физики, поскольку она напоминала процесс рождения и распада новой легкой частицы с массой 17 МэВ. На эту тему вышло уже несколько десятков статей, но никакого общепринятого объяснения пока не найдено (см. обзор ситуации по состоянию на июль этого года в недавнем докладе). Сейчас проверка этой аномалии включается в виде отдельного пункта научной программы в будущие эксперименты по поиску новых легких частиц, и нам остается только ждать их результатов.

Сигналы из космоса

Элементарные частицы можно искать и изучать не только на коллайдерах, но и в космосе. Самый прямой способ — это ловить частицы космических лучей и по их спектру, составу, и угловому распределению выяснять, откуда эти частицы взялись. Конечно, подавляющее большинство космических пришельцев были разогнаны до больших энергий разными астрофизическими объектами. Но может статься, что некоторые из них возникли в результате аннигиляции или распада частиц темной материи. Если такая связь подтвердится, это станет долгожданным указанием на конкретные частицы темной материи, столь необходимые для космологии, но такие неуловимые в прямых экспериментах.

За последнее десятилетие было обнаружено несколько неожиданных особенностей в спектрах космических частиц разного сорта; две самые любопытные касаются доликосмических позитронов и антипротонов большой энергии. Однако в обоих случаях есть и чисто астрофизические варианты объяснения, откуда в космических лучах столько антиматерии.

И вот совсем недавно новую сенсацию подбросили физикам первые результаты спутниковой обсерватории DAMPE: в ее спектре космических электронов «нарисовался» высокий узкий всплеск при энергии 1,4 ТэВ (см. подробное описание в новости Новые данные по космическим электронам и позитронам принесли очередные загадки, «Элементы», 13.12.2017). Конечно же, многие восприняли его как прямой сигнал от аннигиляции или распада частиц темной материи (рис. 10) — в первые же дни после обнародования результатов DAMPE вышло свыше десятка статей на эту тему (см. материал Изломы и всплески далекого космоса). Сейчас поток ослаб; ясно, что следующий шаг — за новыми наблюдательными данными, и они, к счастью, поступят через год-два.

А вот другой недавний результат относится совсем к иным масштабам, космологическим, и к иным частицам — нейтрино. В появившейся в ноябре статьеarXiv:1711.05210 сообщается о том, что, на основе пространственного распределения скоплений галактик, впервые удалось измерить сумму масс всех типов нейтрино: 0,11 ± 0,03 эВ. Нейтрино — это самые загадочные из известных фундаментальных частиц. Они обескураживающе легкие, настолько легкие, что большинство физиков уверено, что за их массу отвечает не хиггсовский механизм, а какая-то Новая физика. Кроме того, они осциллируют, спонтанно превращаются друг в друга на лету — и за доказательство этого факта была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год. Благодаря осцилляциям мы знаем, что у трех сортов нейтрино массы разные, но мы не знаем их общего масштаба. Будь у нас это одно-единственное число, сумма масс всех нейтрино, мы бы смогли резко ограничить фантазии теоретиков относительно того, откуда вообще у нейтрино берутся массы.

Общий масштаб масс нейтрино можно, в принципе, измерять и в лаборатории (эксперименты ведутся, но пока дают лишь ограничение сверху), а можно извлекать из космических наблюдений. Дело в том, что нейтрино в космосе всегда было очень много, и в ранней Вселенной они влияли на формирование крупномасштабной структуры — зародышей будущих галактик и их скоплений (рис.  11). В зависимости от того, какова их масса, это влияние различается. Поэтому изучив статистическое распределение галактик и их скоплений, можно извлечь и суммарную массу всех типов нейтрино.

Конечно, такие попытки делались и раньше, но все они давали лишь ограничение сверху. Самое консервативное из них — это результат коллаборации Planck2013 года: сумма масс меньше 0,25 эВ. Отдельные группы исследователей потом объединяли данные Planck с другими и получали более сильные, но и более модельно-зависимые ограничения сверху, вплоть до 0,14 эВ. Но это по-прежнему оставались именно ограничения! А новая статья, проанализировав опубликованный недавно каталог скоплений галактик, впервые смогла увидеть эффект от ненулевой массы и извлечь число 0,11 ± 0,03 эВ. Эта работа продолжается и дальше, так что можно ожидать, что в ближайшие годы ситуация полностью определится. А пока что заметим, что астрофизическое сообщество к этой работе отнеслось довольно настороженно: видимо, столь опосредованное статистическое измерение требует тщательно перепроверки.

И немного о теории

Теоретическая физика частиц в 2017 году, в целом, продолжила тенденцию прошлых лет. Есть отдельные четко очерченные направления работы, — и внутри них теоретики планомерно решают свои достаточно технические задачи. А есть очень широкое коммьюнити физиков-феноменологов, которые разными методами пытаются нащупать Новую физику. В этом пестром коллективе даже и близко нет намека на скоординированное движение в одном направлении. Скорее, в отсутствие четких экспериментальных указаний, здесь наблюдается броуновское движение частиц-теоретиков в многомерном и запутанном пространстве математических возможностей. Какая-никакая польза от этого есть: сообщество проверяет все возможные варианты гипотетического устройства нашего мира, либо отбрасывая их из-за несогласия с экспериментом, либо, наоборот, разрабатывая вглубь. Но сами теоретики признают, что подавляющее большинство конкретных моделей, которые они сейчас предлагают и изучают, будет рано или поздно выброшено за ненадобностью на свалку истории.

Из всего безбрежного моря разработок выделим, пожалуй, только одну тенденцию, которая стала усиливаться в последние год-два. Физики постепенно перестают цепляться за те идеи, которые им казались естественными — будь то эстетические соображения или естественность в вычислительном смысле, см. по этому поводунедавний доклад, в явных выражениях подчеркивающий эту мысль. К чему это в конце концов приведет — предсказать сейчас, из 2017 года, невозможно. Может быть, теоретики обнаружат-таки элегантную теорию, предсказания которой будут подтверждаться. А может быть, сначала придут долгожданные экспериментальные результаты, указывающие на физику за пределами Стандартной модели, и теоретики методом проб и ошибок подберут к ним ключи. Может, конечно, оказаться и так, что ничего существенно нового так и не обнаружится в ближайшие десятилетия — и тогда придется пересматривать весь подход к дальнейшему изучению микромира. Одним словом, мы сейчас на перепутье и в состоянии неопределенности. Но видеть в этом следует не поводы для уныния, а признак того, что нас ждут перемены.

Объяснение потенциальной и кинетической энергии

Энергия — увлекательная концепция. Его нельзя ни создать, ни разрушить, но можно изменить. Всякий раз, когда вы используете или храните энергию, вы имеете дело с потенциальной или кинетической энергией. Читайте дальше, пока мы обсуждаем эти две формы энергии более подробно и исследуем взаимосвязь между ними.

Что такое потенциальная и кинетическая энергия и в чем их различие?

Вам нужно энергии для выполнения любой работы , поэтому способность выполнять любую работу является энергией.

Прочитайте это еще раз.

Потенциальная и кинетическая энергия – две формы энергии, которые могут быть преобразованы друг в друга . Потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию и наоборот.

источник

Потенциальная энергия – это накопленная энергия в любом объекте или системе благодаря их положению или расположению частей. Однако на него не влияет окружающая среда за пределами объекта или системы, например воздух или высота.

С другой стороны, кинетическая энергия — это энергия движущегося объекта или частиц системы.В отличие от потенциальной энергии, кинетическая энергия объекта относится к другим стационарным и движущимся объектам, присутствующим в его непосредственной среде. Например, кинетическая энергия объекта будет выше, если объект будет расположен на большей высоте.

Потенциальная энергия не передается и зависит от высоты или расстояния и массы объекта. Кинетическая энергия может передаваться от одного движущегося объекта к другому (вибрация и вращение) и зависит от скорости или скорости объекта и массы.

Поясним P.E и K.E на примере.

Представьте, что у вас в руке молоток. Когда вы поднимаете молот выше, у него появляется потенциальная энергия. Но когда вы опускаете молоток вниз, чтобы ударить по поверхности стола, у него появляется кинетическая энергия.

Здесь следует отметить три интересных момента.

Во-первых, у поднятого молота больше потенциальной энергии, так как он может двигаться выше или ниже. Во-вторых, когда вы ударяете молотком по столу, накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, когда молоток падает.(Именно падающий молот обладает кинетической энергией.) В-третьих, как только молоток ударяет по столу, энергия меняется. Тогда стационарный молот накопил энергию в виде потенциальной энергии.

Как показывает этот пример, энергия не уничтожается и не теряется в течение всего процесса – она только переходит из одной формы в другую, подтверждая закон сохранения энергии. [1]  

Какая связь между потенциальной и кинетической энергией?  

Теперь вы знаете, что потенциальная энергия относится к положению , а кинетическая энергия относится к движению.    

Основная связь между ними заключается в их способности превращаться друг в друга. Другими словами, потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию, а кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию, а затем снова . Это бесконечный цикл.

Возьмем другой пример. Представьте, что на столе лежит книга.

Когда книга находится в состоянии покоя, она обладает потенциальной энергией. Но когда вы случайно сбиваете ее со стола, эта потенциальная энергия превратится в кинетическую энергию, пока книга падает, так как находится в движении.Однако, как только книга упадет на пол, эта энергия движения снова преобразуется в потенциальную энергию. [2]  

Каковы примеры потенциальной энергии?  

источник

Существует три основных типа потенциальной энергии: упругая потенциальная энергия, гравитационная потенциальная энергия и химическая потенциальная энергия. [3]   

Упругая потенциальная энергия хранится в объектах, которые могут растягиваться или сжиматься. Чем больше объект растягивается или сжимается, тем больше у него упругой потенциальной энергии. Классический пример — натянутая резинка. Хотя у него уже больше потенциальной энергии, чем дальше вы его растягиваете, тем выше будет упругая потенциальная энергия. [4]   

Вы также должны знать, что гравитационная потенциальная энергия и потенциальная энергия упругой энергии могут быть дифференцированы еще дальше на основе механической энергии.

Например, автомобиль, припаркованный на вершине холма, является примером механической гравитационной потенциальной энергии, поскольку автомобиль может спуститься с холма.То же самое с американскими горками, которые останавливаются в самой высокой точке рельсов. [5]   

С другой стороны, когда лучник натягивает лук перед тем, как прицелиться, натянутая тетива обладает большей механической эластичной потенциальной энергией, которая высвобождается, когда стрела выходит из лука.

Позже мы обсудим гравитационную потенциальную энергию и химическую потенциальную энергию более подробно.

Особые варианты:

Теперь, когда мы рассмотрели основы, пришло время сосредоточиться на деталях.Ниже мы объясним некоторые из наиболее распространенных форм энергии, чтобы показать, почему они обладают потенциальной или кинетической энергией.

Какова потенциальная энергия электрона?  

источник

Все во Вселенной состоит из атомов . Эти атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, что дает им возможность передавать кинетическую энергию.

У каждого атома есть ядро, вокруг которого вращаются электроны. Поскольку эти электроны всегда находятся в движении, они обладают кинетической энергией.Но все меняется, хотя и временно, когда вы прикладываете к атому давление или энергию. [6]   

Видите ли, кинетическая энергия электронов увеличивается при приложении давления, заставляя их двигаться быстрее, в конечном итоге заставляя их прыгать на более широкую орбиту. После этого каждый электрон будет иметь запасенную энергию, которая станет его потенциальной энергией.

Поскольку вся эта схема является временной, электрон высвобождает эту потенциальную энергию, преобразуя ее в кинетическую энергию, возвращаясь на свою ранее меньшую орбиту.Вот почему полная энергия электрона есть сумма его потенциальной энергии и кинетической энергии . [7]  

Является ли батарея кинетической или потенциальной энергией?  

Батарея представляет собой форму потенциальной энергии. Чтобы объяснить это, нам нужно немного углубиться в технику.

Аккумулятор накапливает электрическую потенциальную энергию, когда электроны движутся от катода к аноду. Так заряжается аккумулятор.

Когда электроны движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электричество в цепи, тем самым разряжая батарею. [8] Итак, вся потенциальная энергия батареи.

Является ли электрическая энергия потенциальной или кинетической?  

Электрическая энергия может быть либо потенциальной, либо кинетической энергией , поскольку она создается из потока электрического заряда.

Продолжая пример с батареей, мы знаем, что во время зарядки она обладает потенциальной электрической энергией. Но как только вы прикладываете силу к батарее, заряженные частицы начинают совершать некоторую работу, превращая потенциальную энергию в кинетическую.

Точно так же, когда вы включаете свет, потенциальная энергия проходит по вашей проводке и преобразуется в свет и тепло, которые являются формами кинетической энергии. [9]  

Является ли звуковая энергия потенциальной или кинетической?  

Как и электрическая энергия, звуковая энергия может быть как потенциальной, так и кинетической энергией. Но прежде чем углубляться в детали, давайте разберемся, что такое звуковая энергия.

 Звуковая энергия относится к энергии, выделяемой вибрирующими объектами.Однако звук — это волна, которая проходит через среду, такую ​​как воздух, что позволяет ему накапливать кинетическую и потенциальную энергию. [10, 11]   

Например, когда вы играете на барабанах, они вибрируют в результате испускания звуковых волн. Эти волны колеблются и путешествуют, создавая кинетическую энергию. Но когда барабаны остаются нетронутыми, у них больше потенциальной энергии, поскольку оборудование не находится в движении и может издавать звук.

Является ли тепловая энергия потенциальной или кинетической?  

Тепловая энергия — это просто модное слово для обозначения тепловой энергии.Это форма потенциальной и кинетической энергии.

Если вы помните, электроны атома обладают потенциальной энергией. Как только вы оказываете давление на электроны, они начинают быстро двигаться, ударяясь друг о друга и выделяя тепловую энергию в виде тепла.

Подумай немного о кипящей воде. Вода, поставленная на плиту, обладает потенциальной энергией. Но как только вода начинает нагреваться, молекулы воды начинают двигаться быстрее, создавая кинетическую энергию.

Термическая потенциальная энергия – это потенциальная энергия на атомном и молекулярном уровнях, когда частицы проявляют потенциал преобразования в кинетическую энергию.С другой стороны, тепловая кинетическая энергия — это когда атомы и молекулы начинают двигаться из-за тепла и температуры. [12]  

Является ли лучистая энергия потенциальной или кинетической?  

Лучистая энергия — это форма кинетической энергии, которая создается, когда электромагнитные волны распространяются в пространстве. Возможно, вы удивитесь, узнав, что Солнце является одним из крупнейших источников лучистой энергии на нашей планете. [13]    

Помните то теплое чувство, которое возникает, когда вы выходите из солнца? Это лучистая энергия солнца, которая касается нашей кожи. Точнее, электромагнитные волны заставляют молекулы нашей кожи двигаться быстрее, что, в свою очередь, создает кинетическую энергию. [14]  

Колебания потенциальной энергии  

Существует шесть видов потенциальной энергии: механическая энергия, электрическая энергия, химическая энергия, лучистая энергия, ядерная энергия и тепловая энергия. [15]   

Тем не менее, наше основное внимание здесь уделяется потенциальной химической потенциальной энергии и гравитационной потенциальной энергии.

Что такое химическая потенциальная энергия?  

Химическая потенциальная энергия – это запасенные химические связи вещества. Когда вы заряжаете батарею, батарея накапливает химическую потенциальную энергию, которая позже преобразуется в электрическую энергию. [16]  

Определение потенциальной энергии гравитации  

Гравитационное поле Земли отвечает за гравитационную потенциальную энергию. Британская радиовещательная корпорация описывает эту форму потенциальной энергии как энергию, которой объект обладает благодаря своему положению над поверхностью Земли. [17]    

Вы, наверное, замечали, что когда человек ныряет, он всегда приземляется с большей силой, когда делает всплеск в бассейне.

*Введите гравитацию Земли*  

Сила гравитации использует вес дайвера для создания кинетической энергии (движение при нырянии), которая заставляет дайвера плескаться в бассейне. Итак, когда дайвер стоит наверху трамплина, его потенциальная гравитационная энергия преобразуется в кинетическую энергию, когда он прыгает с трамплина.

Наука  

Оставив в стороне особенности и вариации, давайте подробнее рассмотрим энергию, рассмотрев, как потенциальная энергия описывается в других формах исследований.

Что такое потенциальная энергия в физике?  

В физике потенциальная энергия — это запасенная в объекте энергия, обусловленная его положением относительно некоторого нулевого положения, которое является произвольно заданным положением, как и положение земли. [18] Он придерживается нескольких связанных с физикой законов, таких как закон сохранения энергии и первый закон термодинамики, которые утверждают, что энергия всегда сохраняется и не может быть создана или уничтожена. [19]

Что такое потенциальная энергия в химии?  

Химическая потенциальная энергия – это запасенная энергия в химических связях вещества, которая расщепляется в результате различных химических реакций. Вновь генерируемая химическая энергия используется по-разному, также известная как работа. [20]    

Работа – это энергия в движении. Следовательно, химическая потенциальная энергия остается верной основному закону: потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию и никогда не создается и не уничтожается.

Что такое кинетическая энергия и формула потенциальной энергии?  

Потенциальная энергия и кинетическая энергия измеряются в джоулях (Дж), названных в честь английского математика Джеймса Прескотта Джоуля. Но у них разные формулы относительно их различных атрибутов.

Потенциальная энергия зависит от силы, действующей на два объекта, поэтому ее формула: [21]  

Потенциальная энергия = мгч   

  • m – масса, измеренная в килограммах 
  • g ускорение свободного падения
  • h высота в метрах

Кинетическая энергия прямо пропорциональна массе объекта и квадрату его скорости.Подставляя это в формулу [22] получаем:  

Кинетическая энергия = 1/2 м v²   

  • m – масса, измеренная в килограммах 
  • v скорость метров в секунду

Потенциальная и кинетическая энергия незаменимы  

источник

Потенциальная энергия и кинетическая энергия являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. От простых вещей, таких как чистка зубов, до простого стояния — все, что мы делаем, использует обе формы энергии.

Вы найдете различные формы энергии, от тепловой энергии до звуковой энергии и электрической энергии. Но есть одна вещь, которая объединяет их всех: вы можете классифицировать их все как потенциальную энергию или кинетическую энергию, а иногда и то, и другое.

Кинетическая энергия и потенциальная энергия y также играют решающую роль в озеленении нашей земли, поскольку они помогают создавать возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра. Короче говоря, мы никогда и не собираемся иметь дело с этими формами энергии, тем более что энергия никогда не теряется — она только меняет форму.

Предоставлено вам justenergy.com

Источники:

  1. Закон сохранения энергии. Энергетическое образование. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Law_of_conservation_of_energy. Обновлено 28 апреля 2020 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Потенциальная энергия. Ежедневная наука. https://www.sciencedaily.com/terms/potential_energy.htm. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Виды потенциальной энергии.химКинетика. http://chemsite.lsrhs.net/chemKinetics/PotentialEnergy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Виды потенциальной энергии. химКинетика. http://chemsite.lsrhs.net/chemKinetics/PotentialEnergy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Примеры потенциальной энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-potential-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Яркая буря.Кинетическая и потенциальная энергия атомов. https://www.brightstorm.com/science/физика/тепло-и-термодинамика/кинетическая-и-потенциальная-энергия-атомов. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Спросите Итана: что такое электрон. Форбс. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/04/06/ask-ethan-what-is-an-electron/?sh=438a769a3b4d. Обновлено 6 апреля 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Электрический ток. Люмен. https://courses.lumenlearning.com/boundless-physics/chapter/electric-current/.По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Компания ThoughtCo. Как работает электрическая энергия? https://www.thoughtco.com/electrical-energy-definition-and-examples-4119325. Обновлено 8 июня 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Примеры звуковой энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-sound-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Энергия звука. Солнечные школы. https://www.солнечные школы.сеть/банк знаний/энергия/типы/звук. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Энергия звука. Солнечные школы. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/thermal. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant.По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Подробнее об энергии. Глиняный центр. https://www.theclaycenter.org/wp-content/uploads/2016/10/Energy-Curriculum-Forms.pdf. Обновлено в октябре 2016 г. По состоянию на 5 ноября 2020 г.
  1. Примеры потенциальной энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-potential-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Энергия. Би-би-си. https://www. bbc.co.uk/bitesize/guides/zq2csrd/revision/4.По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Потенциальная энергия. Физическая игровая комната. https://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Potential-Energy#:~:text=To%20summarize%2C%20potential%20energy%20is или%20below)%20%20zero%20высота. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Закон термодинамики. Общественный колледж Эстрелла Маунтин. . По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Химическая энергия. Солнечная школа. https://www.солнечные школы.сеть/банк знаний/энергия/типы/химия. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
  1. Наука. Как рассчитать потенциальную энергию. https://sciencing.com/calculate-potential-energy-4514673.html. Обновлено 30 октября 2016 г. По состоянию на 2 ноября 2020 г.
  1. Формула кинетической энергии. SoftSchools.com. https://www.softschools.com/formulas/physics/kinetic_energy_formula/26/. По состоянию на 10 ноября 2020 г.

Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
Избранное изображение:

Единицы энергии и мощности: основы

[pagebreak:Energy and Power Units: The Basics]

Если вы изучаете экологические технологии, особенно возобновляемые источники энергии, вы не можете не наткнуться на подобные утверждения: Лампа накаливания на 100 ватт.

  • Энергетическая ценность галлона этанола варьируется от 75 700 БТЕ до 84 000 БТЕ.
  • Toyota Prius Hybrid Synergy Drive оснащен электродвигателем мощностью 67 лошадиных сил.
  • Но что такое ватты, БТЕ и лошадиные силы? Что они измеряют и как они связаны с возобновляемыми источниками энергии? Сколько ватт, например, производит ветряная турбина и сколько домов она будет обеспечивать? Сколько БТЕ требуется для обогрева среднего дома и сколько для этого требуется природного газа?

    Прежде чем вы сможете ответить на такие вопросы, вы должны освоить некоторые основные понятия и словарный запас:

    • Что такое энергия и сила и как они связаны друг с другом?
    • Какие стандартные единицы энергии и мощности используют ученые?
    • Какие традиционные единицы используются в промышленности и как они соотносятся со стандартными единицами?
    • Как различные единицы измерения применимы к таким приложениям, как освещение, отопление и транспорт?

    Этот отчет представляет собой краткий обзор энергии, мощности и единиц измерения, используемых для их измерения. Но не волнуйтесь; это опять не школьная физика. Это больше похоже на курс Berlitz по разговору об энергии — достаточно, чтобы вы прочитали меню и, возможно, подслушали туземцев.

    Вот список содержимого:

    Боб Беллман (Bob Bellman) — внештатный писатель и консультант по маркетингу.

    [pagebreak:SI: Международная система единиц]

    На протяжении веков ученые шли разными путями, исследуя энергию и силу. Так каждый вид энергии — электрическая, механическая, химическая, тепловая и ядерная — обрел свою систему измерения, а каждая отрасль, связанная с энергетикой, выработала свою терминологию.Автодилеры говорят о лошадиных силах. Подрядчики HVAC устанавливают тонны и БТЕ. Электроэнергетика поставляет киловатт-часы. Ученые ссылаются на ньютоны и джоули.

    В 1960 году Международная система единиц (СИ) была получена из метрической системы, чтобы обеспечить стандартный словарь для всех физических вещей. СИ построена на семи основных единицах (см. Таблицу 1), из которых могут быть получены все остальные физические величины. В таблице 2 перечислены некоторые стандартные производные единицы. Например, ньютон (производная единица силы) определяется как один килограмм (базовая единица массы), ускоренный со скоростью один метр (базовая единица длины) в секунду (базовая единица времени) в квадрате.В таблице 3 перечислены некоторые стандартные префиксы, используемые для обозначения кратных и дробных единиц. Например, мегаватт (МВт) равен миллиону (10 6 ) ватт; милливатт (мВт) составляет одну тысячную (10 -3 ) ватта.

    Отрасли, связанные с энергетикой, начинают использовать терминологию СИ, но традиционные термины по-прежнему преобладают. Многие автомобильные компании теперь указывают мощность двигателя в киловаттах, но в скобках после номинальной мощности: 187 л.с. (140 кВт). Начиная с краткого руководства по энергии, мощности и силе, в следующих нескольких разделах рассматриваются единицы, наиболее часто используемые в приложениях возобновляемой энергии.

    Таблица 1: Базовые единицы СИ

    Таблица 2: Некоторые производные единицы СИ

    Таблица 3: Некоторые множители СИ

    [pagebreak:Энергия 101: Джоули, Ватты и Ньютоны] выполнять работу ( W ) – все, от приведения в движение автомобиля до обогрева дома и освещения комнаты. Многие формы работы связаны с преобразованием энергии. Лампочка преобразует электрическую энергию в тепловую и световую энергию. Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию в тепловую и механическую энергию.Динамо преобразует механическую энергию в тепловую и электрическую энергию.

    Решения в области возобновляемых источников энергии используют источники энергии, которые не будут исчерпаны этими преобразованиями, и снижают потребление энергии, делая преобразования более эффективными. Фотоэлектрические (PV) панели вырабатывают электричество из солнечного света вместо сжигания невозобновляемого ископаемого топлива. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания, потому что они преобразуют больше электричества в свет и меньше в тепло.

    Поскольку энергия и работа — две стороны одной медали, они измеряются в одних и тех же единицах измерения. Единицей энергии/работы в системе СИ является джоуля (Дж), названная в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818–1889). Джоуль открыл связь между теплотой и механической работой, что привело к развитию законов термодинамики.

    Один джоуль равен работе, совершаемой силой в один ньютон по перемещению тела на один метр (J = N · m). Примерно столько энергии требуется, чтобы поднять маленькое яблоко на один метр против силы земного притяжения.Один джоуль также равен энергии, необходимой для перемещения электрического заряда в один кулон через разность электрических потенциалов в один вольт (J = C · V).

    Мощность (P) — скорость передачи или преобразования энергии. Таким образом, мощность равна работе, деленной на время (P = W/t). Единицей мощности в СИ является ватт (Вт), в честь шотландского изобретателя Джеймса Уатта (1736 – 1819). Улучшения Уатта в паровой машине помогли начать промышленную революцию. По иронии судьбы сам Уатт ввел термин «лошадиная сила», чтобы охарактеризовать преимущества своего парового двигателя.

    Один ватт равен одному джоулю в секунду (Вт = Дж/с). Человек, поднимающийся по лестнице, работает с мощностью около 200 Вт. В электрических приложениях один ватт равен одному вольту, умноженному на один ампер (Вт = В · А). Лампы накаливания потребляют от 40 до 150 Вт электроэнергии.

    Сила редко упоминается в разговорах о возобновляемых источниках энергии, за исключением ненаучного смысла: «Высокие цены на бензин вынуждают меня ходить на работу пешком». Тем не менее, сила является важным понятием. Физики определили четыре фундаментальные силы или взаимодействия: электромагнитная сила действует между электрическими зарядами, гравитационная сила действует между массами, а сильные и слабые силы удерживают вместе атомные ядра.Толчок и притяжение этих сил проявляются как энергия. Например, электромагнитная сила тянет электроны через проводник, создавая электрический ток. Гравитация тянет воду через турбины гидроэлектростанции.

    Единицей силы в СИ является ньютона (Н), в честь английского физика сэра Исаака Ньютона (1643 – 1727). Многие считают, что Ньютон оказал величайшее влияние на историю науки, опередив даже Альберта Эйнштейна. Ньютон, единица измерения, представляет собой силу, которая ускоряет массу в один килограмм со скоростью один метр в секунду в квадрате (Н = кг · м/с 2 ).Сила земного притяжения на человека весом 70 кг (154 фунта) составляет около 686 ньютонов.

    [pagebreak:Механическая энергия: футо-фунты и лошадиные силы]

    Из всех форм энергии механическую энергию, вероятно, легче всего понять — просто попробуйте поднять тяжелый чемодан. Таким образом, традиционной единицей механической энергии является фут-фунт (фут-фунт), количество работы, необходимое для перемещения объекта весом в один фунт на расстояние в один фут. Один футо-фунт равен примерно 1,36 Дж. Метрическая аналогия футо-фунта — ньютон-метра (Н·м).Один ньютон-метр равен одному джоулю.

    Вероятно, наиболее известной единицей механической мощности является лошадиных силы (л. с.), придуманная Джеймсом Уаттом в 1782 году, чтобы позиционировать свою паровую машину против конкурентов. Ватт определил, что «идеальный» шахтерский пони может поднять ведро с углем весом 33 000 фунтов на один фут за одну минуту, и соответственно определил механическую мощность в лошадиных силах.

    Хотя 33 000 ft-lb/min звучит как много, мощность в лошадиных силах — относительно небольшая единица, равная примерно 746 Вт. Тостер потребляет около 1000 Вт (1.3 л.с.), а на вращение лезвия газонокосилки с электроприводом требуется не менее 5 л.с. Четырехцилиндровый двигатель седана Honda Accord 2007 года выпуска развивает мощность 166 л.с.; 12-цилиндровый двигатель нового Rolls-Royce Phantom выдает 453 л.с.

    Компании Greentech решают проблемы механической энергии по нескольким направлениям. Биотопливо, гибридные бензиновые/электрические двигатели, подключаемые гибриды и другие технологии сокращают количество парниковых газов, образующихся при производстве механической энергии. Они также помогают отучить автомобили и другую технику от ископаемого топлива.Гибридный двигатель Toyota Prius потребляет меньше бензина, чем обычный двигатель, потому что его сторона внутреннего сгорания выдает всего 76 л.с.

    Исследование материалов способствует дальнейшему снижению затрат на механическую энергию. Помните, что работа равна весу, умноженному на расстояние. Целых 50 процентов Boeing 787 Dreamliner изготовлен из легких композитных материалов. Это, наряду с повышенной эффективностью двигателя, позволяет Боингу 787 использовать на 20 процентов меньше топлива, чем другим самолетам аналогичного размера.

    [pagebreak:Электроэнергия: вольты, амперы и киловатты]

    Электрическая энергия менее интуитивна, чем механическая, потому что действует невидимо.Ближайшим аналогом подъема тяжелого чемодана является сила, которую вы чувствуете, когда играете с магнитами.

    Электрическая энергия основана на притяжении и отталкивании заряженных частиц, т. е. на электромагнитной силе. Сила зарядов и расстояние между частицами в совокупности создают разность электрических потенциалов или напряжение. В электрических приложениях напряжение тянет электроны через проводник, создавая ток, мало чем отличающийся от гравитации, вытягивающей молекулы воды через трубу.

    Стандартной единицей электрического заряда является кулона (Кл). Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) — французский физик, открывший связь между электрическими зарядами, расстоянием и силой. Кулон — это количество заряда, переносимого током в один ампер за одну секунду (C = A·s), и это удивительно большая единица измерения. Сила отталкивания между двумя зарядами +1 кулон, находящимися на расстоянии одного метра друг от друга, составляет 9 х 10 9 Н, или более миллиона тонн! Таким образом, заряд чаще всего измеряется в микро- или нанокулонах.

    Стандартной единицей электрического потенциала является вольт (В), в честь графа Алессандро Вольта (1745 – 1827), известного своим изобретением электрической батареи. Вольт эквивалентен одному джоулю энергии на кулон заряда (V = J/C). Бытовое электроснабжение в США обычно составляет 110 В, хотя для тяжелых приборов можно использовать 220 В. Обычная батарея для фонарика дает 1,5 В, а молния может быть около 100 МВ. Линии электропередачи дальнего следования работают от 110 до 1200 кВ.

    Стандартной единицей электрического тока является ампер (А) или ампер. Французский физик Андре-Мари Ампер (1775–1836) был одним из главных первооткрывателей электромагнетизма. Один ампер равен смещению заряда в один кулон в секунду (А = Кл/с). Большинство бытовых цепей потребляют менее 15 А.

    Большая часть электроэнергии производится путем сжигания ископаемого топлива. Солнечные электростанции, ветряные турбины и другие технологии предлагают чистые, возобновляемые альтернативы, но им предстоит пройти долгий путь, чтобы заменить существующие электростанции.В 2006 году электростанции, работающие на ископаемом топливе, в США произвели 2 874 миллиарда кВтч, а атомные электростанции произвели 787 миллиардов кВтч. Все возобновляемые источники энергии вместе взятые произвели 385 миллиардов кВтч, что составляет менее 10 процентов от общего объема производства в США.

    Частично проблема связана с масштабом. Крупная электростанция, работающая на нефти, газе или угле, выдает от 2 до 3 ГВт на полную мощность. Большинство концентрирующих солнечных установок вырабатывают десятки мегаватт, а современные ветряные турбины вырабатывают около 3 МВт. Предлагаемый проект Cape Wind требует 130 турбин, чтобы обеспечить только три четверти электроэнергии Кейп-Кода.Типичная домашняя фотоэлектрическая система, подключенная к сети, производит менее 6 кВт.

    С другой стороны, возобновляемых источников энергии достаточно, если только мы сможем понять, как их использовать. Количество энергии солнечного света, падающего на один квадратный метр поверхности Земли, составляет примерно один кВт в секунду или 3600 кВт в час. Холодильники и тостеры потребляют от 1,0 до 1,5 кВт каждый. Лампы накаливания потребляют от 40 до 150 Вт, в то время как компактные люминесцентные лампы дают такое же количество света при мощности от 10 до 40 Вт. S. home использует около 1000 кВтч в месяц, что составляет ничтожную долю солнечной энергии, падающей на его крышу.

    [pagebreak:Тепловая энергия: БТЕ, калории и тонны]

    Тепловая энергия – это содержание энергии в системе, связанное с повышением или понижением температуры объекта. Тепло – это поток тепловой энергии между двумя объектами, вызванный разницей температур. Возьмите чашку горячего кофе в холодный день, и вы испытаете тепловую энергию в действии.

    Британская тепловая единица (БТЕ или БТЕ) обычно используется для описания энергосодержания топлива и мощности систем отопления и охлаждения.Одна БТЕ — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. Существует несколько различных определений БТЕ, основанных на начальной температуре воды, но в целом одна БТЕ равна примерно 1055 Дж, примерно 780 футо-фунтам и примерно 0,3 ватт-часа.

    При сгорании химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию или тепло. Сжигание топочного мазута № 2 дает около 138 000 БТЕ на галлон. Сжигание фунта угля дает около 15 000 БТЕ; сжигание кубического фута природного газа, около 1000 БТЕ.Чтобы обогреть дом площадью 2000 квадратных футов в Новой Англии, требуется примерно 95 000 БТЕ/ч.

    Одной из проблем, с которыми сталкиваются сторонники биотоплива, является более низкое содержание энергии в этаноле по сравнению с бензином. Галлон бензина содержит около 115 000 БТЕ, а галлон этанола содержит около 80 000 БТЕ. Таким образом, сжигание этанола производит меньше механической энергии, чем сжигание бензина, и автомобили проезжают меньше миль на галлон. При использовании топлива E10 (10 процентов этанола, 90 процентов бензина) сокращение пробега незначительно.С E85 (85 процентов этанола, 15 процентов бензина) водители видят сокращение пробега как минимум на 15 процентов. Некоторые производители автомобилей устанавливают топливные баки большего размера, так что запас хода их автомобилей с гибким топливом аналогичен бензиновым автомобилям.

    Другие единицы тепловой энергии включают калорию, терм и квад. малых или грамм калорий (кал) — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия. больших или килограммовых калорий (ккал) — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на 1 °C.Как и БТЕ, калория имеет разные значения в зависимости от начальной температуры воды. В среднем один кал равен примерно 4,18 Дж, а один ккал равен примерно 4,18 кДж или почти 4 БТЕ. Пищевые калории основаны на килограммовых калориях.

    Терм (thm) равен 100 000 BTU и примерно равен количеству энергии, выделяемой при сжигании 100 кубических футов природного газа.

    quad равен квадриллиону (1015) БТЕ и используется при обсуждении энергетического бюджета целых стран.В 1950 году США потребляли 34,6 квад энергии. К 1970 году общее потребление выросло до 67,8 квадроциклов; к 1990 г. – 84,7 квадроцикла; а к 2006 г. – 99,9 квадр. Сумма, приходящаяся на возобновляемые источники энергии — гидроэнергию и биомассу — в 1950 г. составила 8,6%. К 2006 году потребление возобновляемой энергии – гидроэнергии, биомассы, геотермальной энергии, солнца и ветра – упало до 6,9 процента от общего объема.

    Тепловая мощность измеряется в БТЕ в час (БТЕ/ч), часто сокращенно просто БТЕ. Большинство показателей нагрева и охлаждения в БТЕ на самом деле представляют собой БТЕ/ч.Один ватт равен примерно 3,41 БТЕ/ч. Одна лошадиная сила равна более 2500 БТЕ/ч.

    Холодопроизводительность часто измеряется в тонн . Одна тонна охлаждения — это количество энергии, необходимое для растапливания одной тонны льда за 24 часа и равное 12 000 БТЕ/ч. Типичная домашняя центральная система кондиционирования воздуха рассчитана на от 4 до 5 тонн (от 48 000 до 60 000 БТЕ / ч). Комнатные кондиционеры работают от 5000 до 15000 БТЕ/ч.

    Министерство энергетики США в настоящее время применяет стандарт сезонного рейтинга энергоэффективности (SEER) 13 для новых бытовых центральных кондиционеров. SEER определяется как общая мощность охлаждения в BTU, деленная на общую потребляемую энергию в ватт-часах (SEER = BTU / Вт·ч). Повысив стандарт SEER с 10 до 13, Министерство энергетики ожидает, что США сэкономят 4,2 квадрацикла энергии в период с 2006 по 2030 год с параллельным сокращением выбросов парниковых газов.

    [pagebreak:Сравнение единиц и коэффициентов пересчета]

    Из-за их разнообразного наследия, единицы энергии и мощности сильно различаются по размеру. На рис. 1 показаны графики единиц энергии, а на рис. 2 — графики единиц мощности.Обратите внимание, что вертикальная шкала на обоих графиках логарифмическая; каждая горизонтальная линия представляет собой десятикратное увеличение по сравнению с линией ниже.

    Рисунок 1: Сравнение единиц энергии

    Рисунок 2: Сравнение единиц мощности

    В таблицах 4 и 5 приведены коэффициенты преобразования между выбранными единицами энергии и мощности.

    Таблица 4: Выбранные единицы энергии и коэффициенты пересчета

    Таблица 5: Выбранные единицы мощности и коэффициенты пересчета

    Учебный план | Физика энергии | Физика

    Курс Время встреч

    Лекции: 3 занятия в неделю, 1 час / занятие

    Чтения: 1 занятие в неделю, 1 час / занятие

    Пререквизиты

    Физика : Физика I Классическая механика (8. 01) и Физика II: Электричество и магнетизм (8.02)

    Математика : Расчет с одной переменной (18.01) и расчет с несколькими переменными (18.02)

    Химия : Принципы химической науки (5.1112) или 5 Введение в химию твердого тела (5.1112) или 5 Введение в химию Химия (3.091)

    Описание

    Физика энергии — это новый предмет, впервые предлагаемый осенью 2008 года. Курс предназначен для второкурсников, младших и старших курсов Массачусетского технологического института, которые хотят понять фундаментальные законы и физические принципы. процессы, которые регулируют источники, извлечение, передачу, хранение, разложение и конечное использование энергии.

    Курс не предназначен специально для специалистов по физике. Он предназначен для любого студента Массачусетского технологического института, включая, например, инженера, ученого, социолога или специалиста по менеджменту, архитектуре или планированию, который хочет получить прочную основу в физических принципах, ограничивающих энергетический ландшафт. Курс позволит учащимся подходить к энергетическим вопросам сложным и научным образом, но без необходимости заранее изучать сложные предметы по термодинамике, квантовой механике или ядерной физике.

    Возможно, вы слышали о курсах «Физика энергии», предлагаемых в других университетах. Те, о которых мы знаем, предназначены для неученых без опыта в исчислении или физике, основанной на исчислении. Поскольку студенты Массачусетского технологического института так хорошо подготовлены по математике и физике, мы будем представлять материал на значительно более продвинутом уровне. Это должно сделать курс более захватывающим (и более сложным). Большая часть материалов для чтения и справочных материалов по 8.21 создается специально для этого курса, поскольку существующие вводные книги и ресурсы по физике энергии кажутся недостаточно продвинутыми для студентов Массачусетского технологического института.

    Краткое описание

    Часть I. Энергия и ее использование

    • Единицы и шкалы использования энергии
    • Механическая энергия и транспорт
    • Тепловая энергия: преобразование тепловой и механической энергии
    • Электромагнитная энергия: хранение, преобразование, передача и излучение
    • Квантовая механика I: Введение в квантовую теорию, квантование энергии
    • Энергия в химических системах и процессах, поток CO2
    • Энтропия и температура
    • Тепловые двигатели
    • Конверсия I: Преобразование энергии с фазовым переходом, охлаждение и тепловые насосы
    • Двигатели внутреннего сгорания
    • Конверсия II: Энергетические циклы пара и газа, физика электростанций

    Часть II. Источники энергии

    • Фундаментальные силы во Вселенной
    • Квантовая механика II: Квантовая механика, имеющая отношение к ядерной физике
    • Ядерное I: ядерные силы, энергетические масштабы и структура
    • Nuclear II: Систематика ядерной энергии связи, реакции и распады
    • Nuclear III: Ядерный синтез
    • Nuclear IV: Ядерное деление и физика ядерных реакторов
    • Nuclear V: Конструкция, безопасность, эксплуатация и топливные циклы ядерных реакторов
    • Поток энергии во Вселенной
    • Солнечная энергия I: солнечное излучение
    • Солнечная энергия II: поглощение и использование тепла
    • Солнечная энергия III: солнечно-тепловое электричество
    • Солнечная энергия IV: фотогальваника
    • Солнечная энергия V: расширенные фотоэлектрические системы, обзор
    • Биологические источники энергии и ископаемое топливо
    • Ветер I: гидродинамика и сила ветра, доступные ресурсы
    • Ветер II: дополнительные сведения о жидкостях, вязкости, типах потока жидкости, подъемной силе
    • Ветер III: динамика и конструкция ветряных турбин, ветряные электростанции
    • Геотермальная энергия и преобразование тепловой энергии океана
    • Приливная/волновая/гидроэнергетика

    Часть III. Системы и Синтез

    • Ядерное излучение, топливные циклы, отходы и распространение
    • Изменение климата I
    • Изменение климата II
    • Изменение климата III
    • Хранение энергии
    • Энергосбережение

    Домашнее задание and .Есть два экзамена в классе и выпускной экзамен.

    Оценка

    0 9071 0 25%
    Критерии оценки.
    Производительность процентов
    9078
    60776
    25%
    два в классах экзамены (15% каждый) 30%

     

    Формат

    Вместо того, чтобы следовать традиционному формату теории с последующим применением, мы будем объединять фундаментальную физику с практическими приложениями к современным энергетическим системам в течение всего семестра. Если вы закончите этот предмет, вы должны быть оснащены техническими инструментами и перспективой, чтобы вы могли начать объективно и количественно оценивать выбор энергии как на национальном уровне, так и на личном уровне.

    Дополнительные комментарии

    • Этот курс будет посвящен фундаментальным физическим принципам, лежащим в основе энергетических процессов, и применению этих принципов в практических расчетах. Мы будем уделять особое внимание количественному анализу, а также представим и применим многие важные аналитические инструменты.Курс не предназначен для проведения обзоров.
    • Курс будет посвящен физике. Для преодоления «энергетического кризиса» необходимо будет решить сложные политические, экономические, социальные и этические вопросы. Хотя они не будут обсуждаться непосредственно в курсе, курс обеспечит научную основу для разумной оценки этих важных соображений.
    • Если вы заинтересованы в более глубоком изучении какой-либо конкретной энергетической технологии, вам следует выбрать дополнительные, более сложные предметы в Массачусетском технологическом институте. Мы надеемся, что этот курс даст вам достаточно знаний, чтобы подойти к этим предметам с широкой и функциональной точки зрения на физику энергии.

    Энергия системы | IOPSpark

    Энергия

    Энергетика и теплофизика

    Энергия системы

    Глоссарий Определение для 16-19

    Описание

    Энергия полностью изолированной системы является величиной, которая сохраняется: она не может измениться и поэтому полезна при проведении численных расчетов.

    При использовании закона сохранения энергии в расчетах важно определить подходящее начальное и конечное состояния для анализируемого процесса.

    В большинстве случаев системы не изолированы, и энергия может передаваться в них или из них. Это может произойти двумя способами. Во-первых, если система выполняет какую-то работу или над ней выполняется какая-то работа. Например, мы можем изменить энергию пружины, растянув ее. Другой способ, которым может измениться энергия системы, — это если ее температура отличается от температуры окружающей среды.В этом случае энергия будет передаваться от более горячего объекта (системы или ее окружения) к более холодному. Этот процесс называется нагревом.

    Энергию замкнутой системы можно разделить на кинетическую энергию, обусловленную ее объемным движением, и внутреннюю энергию, обусловленную движением ее составных частей и взаимодействием между ними. Эти взаимодействия — и относительные положения составляющих — дают начало термину для потенциальной энергии, которая является частью внутренней энергии системы.

    Энергия обычно обозначается символом E .

    Обсуждение

    Закон сохранения энергии — очень мощный инструмент для проведения расчетов. Однако очень важно четко определить, что представляет собой система. Представьте мяч, падающий на пол; есть сила, действующая на шар со стороны Земли, и равная сила, действующая на Землю со стороны шара. Взаимодействие между шаром и Землей имеет связанную энергию, поэтому систему в данном случае имеет смысл определить как комбинацию Земли и шара.В этой системе сохраняется энергия. Это условие означает, что по мере приближения мяча к полу, то есть уменьшения расстояния между мячом и Землей, потенциальная энергия системы уменьшается, поэтому ее кинетическая энергия должна увеличиваться. В этом случае, поскольку масса Земли намного больше массы мяча, ускорение Земли фактически равно нулю, и почти вся дополнительная кинетическая энергия приходится на мяч, который, следовательно, ускоряется при падении.

    Единица СИ

    Дж,

    Дж
    Выражено в основных единицах СИ

    кг м 2 с –2

    Другие часто используемые единицы

    нет

    Математические выражения
    • Δ E  =  W  + плюс; Q
      где Δ E — изменение внутренней энергии системы за счет Вт работы, совершаемой над ней, и за счет Q энергии, переданной системе при нагревании.
    Связанные записи
    • Сила
    • Тепло
    • Внутренняя энергия
    • Кинетическая энергия
    • Потенциальная энергия
    • Мощность
    • Удельная теплоемкость
    • Работа
    В контексте

    Мы часто используем электрические обогреватели для повышения температуры в помещении. То, как мы это делаем, заключается в том, чтобы электростанция через сеть электропередачи выполняла некоторую электрическую работу с элементом нагревателя, который поднимал его температуру намного выше комнатной температуры.В результате элемент передает энергию, нагреваясь, окружающему воздуху, повышая его температуру. Для повышения температуры небольшого помещения на 5 °С требуется около 100 кДж энергии или около 2 минут работы электронагревателя мощностью 1 кВт, хотя на практике воздух в помещении будет нагревать и другие соприкасающиеся с ним предметы, поэтому что на этот раз будет дольше. В этом сценарии может быть полезно рассматривать либо только электрический нагревательный элемент, либо электрический нагреватель вместе с воздухом в помещении в качестве обсуждаемой системы

    .

    Объяснение потенциальной и кинетической энергии

    Энергия присутствует повсюду и имеет множество форм, две наиболее распространенные из которых известны как потенциальная энергия и кинетическая энергия. Несмотря на то, что они очень разные с точки зрения того, как они взаимодействуют с физическим миром, у них есть определенные аспекты, которые делают их взаимодополняющими. Но чтобы понять, как они работают, сначала нужно понять, что они из себя представляют, и само определение энергии.

    Что такое потенциальная и кинетическая энергия?

    Прежде чем понять какую-либо форму энергии, жизненно важно понять, что такое энергия на самом деле. Проще говоря, энергия — это способность совершать работу, когда к объекту прикладывается сила, и он движется [1] .

    Потенциальная энергия – один из двух основных видов энергии во вселенной . Это довольно просто, хотя интуитивно понять это немного сложно: это форма энергии, которая потенциально может выполнять работу, но не совершает ее активно и не применяет какую-либо силу к каким-либо другим объектам. Потенциальная энергия объекта находится в его положении, а не в его движении. Это энергия положения.

    Когда объекты смещаются из положения равновесия, они получают энергию, которая была запасена в объектах до того, как они были выбиты из равновесия упругим отскоком, гравитацией или химическими реакциями.Лучше всего это демонстрируется на таком предмете, как лук лучника, который накапливает энергию, создаваемую при натягивании тетивы. Потенциальная энергия, хранящаяся при откате, отвечает за энергию, возникающую при высвобождении, известную как кинетическая энергия.

    Понимание кинетической энергии интуитивно проще, потому что более очевидно, что движущиеся объекты обладают энергией.

    Кинетическая энергия создается, когда высвобождается потенциальная энергия , приводящаяся в движение гравитацией или силами упругости, среди прочих катализаторов.

    Кинетическая энергия это энергия движения n. Когда над объектом совершается работа и он ускоряется, это увеличивает кинетическую энергию объекта. Наиболее важными факторами, определяющими кинетическую энергию, являются движение (измеряемое как скорость) и масса рассматриваемого объекта.

    Хотя масса является универсальным измерением, движение объекта может происходить разными способами, включая вращение вокруг оси, вибрацию, поступательное движение или любую комбинацию этих и других движений [2] .

    Есть три подкатегории кинетической энергии: колебательная, вращательная и поступательная.  

    Кинетическая энергия вибрации, что неудивительно, вызвана вибрацией объектов. Вращательная кинетическая энергия создается движущимися объектами, а поступательная кинетическая энергия возникает при столкновении объектов друг с другом.

    Эти три подкатегории кинетической энергии составляют почти всю энергию в движении во всей известной Вселенной.

    В чем разница между потенциальной и кинетической энергией?

    Основное различие между потенциальной и кинетической энергией состоит в том, что одна энергия может быть , а другая энергия равна . Другими словами, потенциальная энергия стационарна, и запасенная энергия должна быть высвобождена; кинетическая энергия – это энергия в движении, активно использующая энергию для движения.

    Другим важным отличием является скорость. Это измерение лежит в основе кинетической энергии, но не имеет ничего общего с потенциальной энергией.На самом деле скорость является наиболее важной частью уравнения при определении количества кинетической энергии для любого данного объекта, и ее нет в уравнении потенциальной энергии [3] .

    Какая связь между потенциальной и кинетической энергией?

    Хотя эти первичные формы энергии очень разные, они дополняют друг друга.

    Потенциальная энергия всегда приводит к кинетической энергии, когда она высвобождается [4] , а кинетическая энергия необходима, чтобы позволить объекту тем или иным образом хранить энергию как потенциальную.Например, камню на краю утеса не требуется напрямую кинетическая энергия для накопления потенциальной энергии, которая отправит его вниз по разрушающемуся склону утеса. Но акт эрозии, чтобы довести скалу до края, требует кинетической энергии. Следовательно, горная порода требует его для своей потенциальной энергии.

    Учитывая, что это две основные формы энергии в мире, особенно в человеческом масштабе, в повседневной жизни существует постоянное противоречие между потенциальной и кинетической энергией.

    Каковы примеры потенциальной и кинетической энергии?

    источник

    Хотя определение как потенциальной, так и кинетической энергии может показаться довольно простым и понятным, все же не всегда легко сказать, какая форма энергии присутствует в определенных объектах или процессах.

    1) Планеты

    Движение планет вокруг Солнца и других звезд в галактике — это работа кинетической энергии. Поскольку они притягиваются к большим объектам в центре своих соответствующих орбит, из-за сильного гравитационного притяжения они падают к центру масс. Это приводит к орбитальному движению, а любое движение является формой кинетической энергии. [5]

    2) Резинки

    Резиновые ленты могут быть классифицированы как с потенциальной, так и с кинетической энергией, в зависимости от состояния ленты.Когда резинка растягивается, она наполняется потенциальной энергией; при освобождении происходит переход к кинетической энергии. Это особенно верно, если резинка транспортирует другой объект, например, камень, брошенный из рогатки. [6]

    3) Реки

    Реки — это строго работающая кинетическая энергия. Вода постоянно движется, и все это движение постоянно создает кинетическую энергию. Единственный случай, когда река может иметь потенциальную энергию, – это если она перекрыта плотиной, а искусственный резервуар хранит энергию, которая при необходимости используется вдоль плотины гидроэлектростанции. [7]

    4) Особые варианты 

    Существуют определенные вариации энергии как в кинетической, так и в потенциальной классификации энергии. В то время как некоторые изменения, такие как потенциальная энергия, хранящаяся в батареях, легко очевидны, другие не так легко идентифицировать.

    Какова потенциальная энергия электрона?

    Электроны находятся в движении, поэтому они обладают кинетической энергией. Это один из лучших примеров нефизического объекта, несущего кинетическую энергию.

    Тем не менее, все еще возможно различить потенциальную энергию, которую накопил электрон. Чтобы найти эту потенциальную энергию, требуется сложная формула [8]

    U(r) = -qeV(r) = -keqe2/r

    Полная энергия представляет собой сумму кинетической энергии электрона и его потенциальной энергии, которая представлена ​​еще более сложной формулой [8]: 

    KE(r)+PE(r)=-½keqe2/r=(-½)(9*109)(1,60*10-19)/(5,29*10-11) J = -2. 18*10-18 Дж

    Является ли батарея кинетической или потенциальной энергией?

    Аккумуляторы представляют собой форму химической энергии, при этом энергия хранится в связях молекул, содержащихся в аккумуляторной кислоте в их ядре. Ключевое слово здесь «хранится» — это означает, что батареи — это форма потенциальной энергии, именно так вся химическая энергия классифицируется [ 9 ] . Биотопливо и ископаемое топливо являются другими примерами накопленной химической энергии.

    Является ли электрическая энергия потенциальной или кинетической?

    Электрическая энергия классифицируется как потенциальная энергия до того, как она будет высвобождена и использована в виде мощности, которая чаще всего используется как электричество [10] .Однако после преобразования из своего потенциального состояния электрическая энергия может стать одним из подтипов кинетической энергии, включая, среди прочего, движение или звук.

    Является ли звуковая энергия потенциальной или кинетической?

    Звук можно рассматривать как обе формы энергии одновременно, хотя в основном мы воспринимаем его в кинетической форме. Звуковая энергия в воздухе, создаваемая продольными волнами, создающими движение молекул газа, является кинетической. В твердых телах и жидкостях, которые переносят звук гораздо дальше, чем по воздуху, действует как кинетическая, так и потенциальная энергия. [11 ]   

    Является ли тепловая энергия потенциальной или кинетической?

    Тепловая энергия также технически является обеими формами энергии одновременно. На самом деле, тепловая энергия — это, по сути, звуковые волны, движущиеся случайным образом и заставляющие молекулы сталкиваться друг с другом при нагревании [12 ] . Движение этих молекул является примером создания кинетической энергии нефизическими объектами.

    Является ли лучистая энергия потенциальной или кинетической?

    Лучистая энергия является подкатегорией кинетической энергии.Он формируется с помощью электромагнитной энергии, когда он распространяется волнами по всему электромагнитному спектру. Подобно упомянутому выше электрону, это еще одна форма кинетической энергии, переносимая нефизическим объектом. [13]

    Изменения потенциальной энергии

    источник

    Потенциальную энергию можно разделить на две подформы энергии. Каждая из этих подформ представляет собой тип запасенной потенциальной энергии. Но методы их хранения и выпуска сильно различаются.

    Что такое химическая потенциальная энергия?

    Химическая потенциальная энергия хранится в молекулярных связях, которые также известны как химические связи. Когда эти связи разрываются, запасенная потенциальная энергия высвобождается и выделяет кинетическую энергию разной степени, в зависимости от прочности связей. [14]

    Что такое гравитационная потенциальная энергия?

    Гравитационная потенциальная энергия накапливается в объекте из-за возможности силы гравитации перемещать его и притягивать к Земле.Количество запасенной потенциальной гравитационной энергии напрямую зависит от массы объекта и, что более важно, от его высоты над землей. [15]

    Наука

    Две подформы потенциальной энергии, описанные выше, функционируют главным образом через две самые основные области науки. Однако механизм, который управляет потенциальной энергией в области физики, сильно отличается от механизма, который управляет в области химии.

    Что такое потенциальная энергия в физике?

    Потенциальная энергия в области физики представлена ​​в виде гравитационной потенциальной энергии.Гравитация, пожалуй, самый важный элемент физики, так как она является основой общей теории относительности, на которой основан весь современный мир. Именно эта сила создала потенциальную энергию с точки зрения физики. [16]

    Что такое потенциальная энергия в химии?

    Потенциальная энергия в области химии представлена ​​в виде химической потенциальной энергии. Это энергия, запасенная в молекулярных связях, которая лежит в основе химии и химических реакций. Запасенная потенциальная энергия высвобождается в результате этих химических реакций. [15]

    Какие формулы для кинетической энергии и потенциальной энергии?

    Формулы для потенциальной и кинетической энергии довольно просты, но они отнюдь не просты.

    Кинетическая энергия может быть найдена по формуле: KE=12mv2  

    • m = масса (кг)
    • v = скорость (м/с)

    Гравитационная потенциальная энергия может быть найдена по формуле: Вт = m×g×h = mgh  

    • m = масса (кг)
    • г = ускорение за счет гравитационного поля (9. 8 м/с2)

    Упругая потенциальная энергия может быть найдена по формуле: U=12kx2 

    • k = постоянная силы пружины
    • x = длина растяжки (м)

    Единицы, используемые для измерения каждой из этих форм энергии, такие же, как и для всех других форм энергии: Джоуль (Дж), который равен 1 кг.м2.с-2. [17]

    Энергия везде

    Вы узнали о нескольких формах энергии — вместе с некоторыми соответствующими примерами — но есть гораздо больше, что необходимо охватить, чтобы полностью понять концепцию энергии.

    Однако понимание двух основных форм энергии, которые пронизывают не только повседневную жизнь, но и суть физики во всей Вселенной, является хорошей отправной точкой и закладывает основу для любых более глубоких погружений в природу самой энергии.

    Есть только две вещи, которые абсолютно необходимо помнить: неподвижных объекта с запасенной энергией обладают потенциалом, а движущиеся объекты кинетическими .

    Принесено вам таранергией.ком

    Источники:  

    [1] Основные понятия в химии. Что такое энергия и почему ее определяют как способность выполнять работу? https://masterconceptsinchemistry.com/index.php/2017/12/18/whats-energy-defined-ability-work/. По состоянию на 16 ноября 2020 г. 

    [2] Придди Б. Что означает кинетическая энергия? https://sciencing.com/meaning-kinetic-energy-6646801.html. Опубликовано 2 марта 2019 г. По состоянию на 9 ноября 2020 г. 

    [3] Работа, энергия и мощность.Кабинет физики. https://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1c.cfm. По состоянию на 9 ноября 2020 г.  

    [4] Энергия: потенциальная и кинетическая энергия. Информация, пожалуйста. https://www.infoplease.com/encyclopedia/science/physics/concepts/energy/potential-and-kinetic-energy. По состоянию на 9 ноября 2020 г. 

    [5] Fenio, B. Rolling Race: A Spining Science Activity. Опубликовано 23 марта 2017 г. https://www.scientificamerican.com/article/rolling-race/. По состоянию на 15 ноября 2020 г. 

    [6] Мир науки.Эластичная энергия. https://www.scienceworld.ca/resource/elastic-energy/. По состоянию на 16 ноября 2020 г. 

    [7] Университет Калгари Энергетическое образование. Энергия из воды. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_from_water. По состоянию на 15 ноября 2020 г.  

    [8] Университет Теннесси, Ноксвилл. Электрический потенциал. http://labman.phys.utk.edu/phys222core/modules/m2/Electric%20potential.html#:~:text=The%20potential%20energy%20of%20the,2,18*10%2D18%20J. По состоянию на 15 ноября 2020 г. 

    [9] Дусто А.Потенциальная энергия: что это такое и почему это важно (с формулой и примерами). наука. https://sciencing.com/potential-energy-what-is-it-why-it-matters-w-formula-examples-13720804.html. Опубликовано 5 декабря 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.

    [10] Агентство энергетической информации США. Формы энергии. https://www.eia.gov/energyexplained/what-is-energy/forms-of-energy.php. По состоянию на 15 ноября 2020 г. 

    [11] Звуковые волны и музыка — Урок 1 — Природа звуковой волны: звук как продольная волна https://www.physicsclassroom.com/class/sound/Lesson-1/Sound-as-a-Longitudinal-Wave По состоянию на 15 ноября 2020 г.  

    [12 Университет Иллинойса, факультет физики. Вопросы и ответы: кинетика и потенциал. https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1768&t=kinetic-and-potential#:~:text=Sound%3A%20In%20a%20solid%2C%20this, микроскопический%20scale %20of%20moving%20molecules.. По состоянию на 15 ноября 2020 г. 

    [13] Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant.По состоянию на 15 ноября 2020 г.  

    [14] СК-12. Химическая потенциальная энергия. https://www.ck12.org/chemistry/chemical-potential-energy/lesson/Chemical-Potential-Energy-CHEM/. По состоянию на 15 ноября 2020 г.  

    [15] Солнечные школы. Гравитационная энергия. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/gravitational. По состоянию на 15 ноября 2020 г.  

    [16] Гиперфизика. Гравитационно потенциальная энергия. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/gpot.html. По состоянию на 16 ноября 2020 г.

    [17] Кинетическая и потенциальная энергия. Кинетическая и потенциальная энергия – веб-формулы. https://www.web-formulas.com/Physics_Formulas/Kinetic_Potential_Energy.aspx. По состоянию на 9 ноября 2020 г.  

    Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
    Избранное изображение:

    8.6: Источники энергии – Физика LibreTexts

    Цели обучения

    • Описать превращения и превращения энергии в общих чертах
    • Объясните, что означает, что источник энергии является возобновляемым или невозобновляемым

    В этом разделе мы изучали энергию.Мы узнали, что энергия может принимать различные формы и переходить из одной формы в другую. Вы обнаружите, что энергия обсуждается во многих повседневных, а также научных контекстах, потому что она участвует во всех физических процессах. Также станет очевидным, что многие ситуации лучше всего понять или легче всего осмыслить, рассматривая энергию. До сих пор ни один экспериментальный результат не противоречил закону сохранения энергии. Фактически всякий раз, когда казалось, что измерения противоречат закону сохранения энергии, открывались или признавались новые формы энергии в соответствии с этим принципом.

    Какие существуют другие формы энергии? Многие из них рассматриваются в следующих главах (см. также рисунок \(\PageIndex{1}\)), но давайте подробно рассмотрим некоторые здесь:

    • Атомы и молекулы внутри всех объектов находятся в случайном движении. Внутренняя кинетическая энергия этих случайных движений называется тепловой энергией , потому что она связана с температурой объекта. Обратите внимание, что тепловая энергия также может передаваться из одного места в другое, не трансформируясь и не преобразовываясь, посредством известных процессов теплопроводности, конвекции и излучения. В этом случае энергия известна как тепловая энергия .
    • Электрическая энергия — это распространенная форма, которая преобразуется во многие другие формы и работает в широком диапазоне практических ситуаций.
    • Топливо, такое как бензин и продукты питания, имеют химическую энергию , которая представляет собой потенциальную энергию, обусловленную их молекулярной структурой. Химическая энергия может быть преобразована в тепловую с помощью таких реакций, как окисление. Химические реакции также могут производить электрическую энергию, например, в батареях.Электрическая энергия может, в свою очередь, производить тепловую энергию и свет, например, в электронагревателе или лампочке.
    • Свет — это всего лишь один из видов электромагнитного излучения, или лучистой энергии , которая также включает радио, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-лучи. Все тела, обладающие тепловой энергией, могут излучать энергию в виде электромагнитных волн.
    • Ядерная энергия возникает в результате реакций и процессов, которые преобразуют измеримые количества массы в энергию.Атомная энергия преобразуется в лучистую энергию на Солнце, в тепловую энергию в котлах атомных электростанций, а затем в электрическую энергию в генераторах электростанций. Эти и все другие виды энергии могут переходить друг в друга и до известной степени превращаться в механическую работу.
    Рисунок \(\PageIndex{1}\): Энергия, которую мы используем в обществе, принимает множество форм, которые преобразуются из одной в другую в зависимости от задействованного процесса. Мы изучим многие из этих форм энергии в следующих главах этого текста.(кредит «солнце»: Консорциум EIT SOHO, ЕКА, НАСА; кредит «солнечные панели»: «kjkolb»/Wikimedia Commons; кредит «газовая горелка»: Стивен Деполо)

    Преобразование энергии из одной формы в другую происходит постоянно. . Химическая энергия пищи преобразуется в тепловую посредством обмена веществ; световая энергия преобразуется в химическую посредством фотосинтеза. Другой пример преобразования энергии происходит в солнечном элементе. Солнечный свет, падающий на солнечный элемент, производит электричество, которое можно использовать для запуска электродвигателей или нагрева воды.В примере, охватывающем множество стадий, химическая энергия, содержащаяся в угле, преобразуется в тепловую энергию при его сгорании в печи для преобразования воды в пар в котле. Затем часть тепловой энергии пара преобразуется в механическую энергию, поскольку он расширяется и вращает турбину, которая соединена с генератором для производства электроэнергии. В этих примерах не вся первоначальная энергия переходит в указанные формы, потому что часть энергии всегда передается в окружающую среду.

    Энергия является важным элементом на всех уровнях общества. Мы живем в очень взаимозависимом мире, и доступ к адекватным и надежным энергетическим ресурсам имеет решающее значение для экономического роста и поддержания качества нашей жизни. Основные энергетические ресурсы, используемые в мире, показаны на рисунке \(\PageIndex{2}\). На рисунке различаются два основных типа источников энергии: возобновляемые и невозобновляемые , а также каждый тип подразделяется на несколько более конкретных видов.Возобновляемые источники — это источники энергии, которые пополняются за счет естественных, непрерывных процессов в масштабе времени, который намного короче ожидаемого срока жизни цивилизации, использующей этот источник. Невозобновляемые источники истощаются, когда часть содержащейся в них энергии извлекается и преобразуется в другие виды энергии. Естественные процессы, в результате которых образуются невозобновляемые источники, обычно происходят в геологических масштабах времени.

    Рисунок \(\PageIndex{2}\): Потребление энергии в мире по источникам; доля возобновляемых источников энергии увеличивается, составив 19% в 2012 году.

    Нашими наиболее важными невозобновляемыми источниками энергии являются ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ. На их долю приходится около 81% мирового потребления энергии, как показано на рисунке. Сжигание ископаемого топлива вызывает химические реакции, которые преобразуют потенциальную энергию молекулярных структур реагентов в тепловую энергию и продукты. Эту тепловую энергию можно использовать для обогрева зданий или для работы паровых машин. Двигатели внутреннего сгорания и реактивные двигатели преобразуют часть энергии быстро расширяющихся газов, выделяющихся при сгорании бензина, в механическую работу.Производство электроэнергии в основном происходит от передачи энергии расширяющегося пара через турбины в механическую работу, которая вращает витки проволоки в магнитных полях для выработки электроэнергии. Ядерная энергия является другим невозобновляемым источником, показанным на рисунке \(\PageIndex{2}\), и обеспечивает около 3% мирового потребления. Ядерные реакции высвобождают энергию путем преобразования потенциальной энергии в структуре ядер в тепловую энергию, аналогично выделению энергии в химических реакциях. Тепловая энергия, полученная в результате ядерных реакций, может передаваться и преобразовываться в другие формы так же, как используется энергия ископаемого топлива.

    Неблагоприятным побочным продуктом зависимости от энергии, получаемой от сжигания ископаемого топлива, является выброс углекислого газа в атмосферу и его вклад в глобальное потепление. Атомная энергия также создает экологические проблемы, включая безопасность и утилизацию ядерных отходов. Помимо этих важных последствий, запасы невозобновляемых источников энергии ограничены и, учитывая быстрорастущие темпы мирового энергопотребления, могут хватить не более чем на несколько сотен лет.Предпринимаются значительные усилия по развитию и расширению использования возобновляемых источников энергии, в которых участвует значительный процент физиков и инженеров мира.

    Четыре из возобновляемых источников энергии, перечисленных на рисунке \(\PageIndex{2}\) — те, которые используют растительный материал в качестве топлива (тепло биомассы, этанол, биодизельное топливо и электричество из биомассы), — включают те же типы преобразования и преобразования энергии, что и только что обсуждалось для ископаемого и ядерного топлива. Другими основными типами возобновляемых источников энергии являются гидроэнергетика, энергия ветра, геотермальная энергия и солнечная энергия.

    Гидроэнергия производится путем преобразования гравитационной потенциальной энергии падающей или текущей воды в кинетическую энергию, а затем в работу для запуска электрических генераторов или механизмов. Преобразование механической энергии океанских поверхностных волн и приливов находится в стадии разработки. Энергия ветра также преобразует кинетическую энергию в работу, которую можно использовать непосредственно для выработки электроэнергии, работы мельниц и движения парусных лодок.

    Недра Земли содержат большое количество тепловой энергии, часть которой осталась от ее первоначального образования (потенциальная гравитационная энергия, преобразованная в тепловую энергию), а часть высвобождена из радиоактивных минералов (форма природной ядерной энергии).Чтобы эта геотермальная энергия ушла в космос, потребуется очень много времени, поэтому люди обычно рассматривают ее как возобновляемый источник, хотя на самом деле она просто неисчерпаема в масштабах человеческого времени.

    Источником солнечной энергии является энергия, переносимая электромагнитными волнами, излучаемыми Солнцем. Большая часть этой энергии переносится видимым светом и инфракрасным (тепловым) излучением. Когда подходящие материалы поглощают электромагнитные волны, энергия излучения преобразуется в тепловую энергию, которую можно использовать для нагревания воды или, когда она концентрируется, для производства пара и электричества (рис. \(\PageIndex{3}\)).Однако в другом важном физическом процессе, известном как фотоэлектрический эффект, энергетическое излучение, попадающее на определенные материалы, непосредственно преобразуется в электричество. Материалы, которые делают это, называются фотоэлектрическими элементами (PV на рисунке \(\PageIndex{2}\)). Некоторые солнечные энергетические системы используют линзы или зеркала для концентрации солнечных лучей перед преобразованием их энергии с помощью фотогальваники, и на рисунке \(\PageIndex{2}\) они классифицируются как CSP.

    Рисунок \(\PageIndex{3}\): Солнечные батареи, обнаруженные в солнечном районе, преобразуют солнечную энергию в накопленную электрическую энергию. (Фото: Сара Свенти)

    По мере того, как мы заканчиваем эту главу об энергии и работе, уместно провести некоторые различия между двумя иногда неправильно понимаемыми терминами в области использования энергии. Как мы упоминали ранее, «закон сохранения энергии» — очень полезный принцип при анализе физических процессов. Это не может быть доказано из основных принципов, но это очень хороший бухгалтерский инструмент, и никаких исключений никогда не было найдено. Он утверждает, что общее количество энергии в изолированной системе всегда остается постоянным.С этим принципом связана, но заметно отличается от него, важная философия энергосбережения. Эта концепция связана с стремлением уменьшить количество энергии, используемой отдельным человеком или группой, за счет сокращения активности (например, выключения термостатов, погружения на меньшее количество километров) и/или повышения эффективности преобразования при выполнении конкретной задачи, такой как разработка. использование более эффективных комнатных обогревателей, автомобилей с более высоким расходом топлива, энергоэффективных компактных люминесцентных ламп и т.  д.

    Поскольку энергия в изолированной системе не уничтожается, не создается и не генерируется, вы можете задаться вопросом, почему нам нужно беспокоиться о наших энергетических ресурсах, поскольку энергия является сохраняемой величиной. Проблема в том, что конечным результатом большинства преобразований энергии является отработанное тепло, то есть работа, которая была «ухудшена» при преобразовании энергии. Мы обсудим эту идею более подробно в главах, посвященных термодинамике.

    A Little Light Physics of Energy

    Когда физики говорят об «энергии», они имеют в виду «способность или способность выполнять работу.Физики в торжестве круговой логики определяют «работу» как изменение энергии. Для нормальных людей «работа» включает в себя широкий спектр задач, связанных с теплом или движением — от подъема с постели до питания круизного лайнера. Практически каждый аспект нашей повседневной жизни включает в себя «работу» и, следовательно, энергию в той или иной форме. Чтобы измерить общее количество проделанной работы (и, следовательно, общее количество использованной энергии), физики используют джоуль (Дж). В Соединенных Штатах и ​​Соединенном Королевстве также широко используется британская тепловая единица (БТЕ).БТЕ технически определяется как количество энергии, необходимое для нагревания одного фунта воды на один градус по Фаренгейту. В одной БТЕ примерно тысяча джоулей. Мощность — это скорость, с которой выполняется работа, и измеряется в ваттах (Вт) или джоулях в секунду.

    Однако в нефизическом мире энергия является производным спросом, то есть люди на самом деле не нуждаются в энергии. Вместо этого они требуют товаров и услуг, для производства или предоставления которых требуется энергия.

    В мире физики существует несколько форм энергии, в том числе:

    • Механическая энергия , связанная с движением и изменением скорости
    • Химическая энергия возникающая в результате разрыва или изменения связей между молекулами при сжигании ископаемого топлива
    • Тепловая энергия , возникающая в результате вибраций на атомном уровне и создающая тепло
    • Электрическая энергия , представляющая собой движение заряженных частиц и связанная с батареями и электрическими токами
    • Ядерная энергия которая удерживает ядро ​​атома вместе

    Энергия может и часто переходит из одной формы в другую. Например, автомобильный аккумулятор, представляющий собой форму химической энергии, производит электроэнергию, необходимую для работы фар. Точно так же дизельный локомотив сжигает дизельное топливо для производства электроэнергии, необходимой для привода колес двигателя.

    Сложные процессы, такие как процесс производства электроэнергии путем сжигания или сжигания ископаемого топлива, обычно требуют нескольких преобразований или преобразований энергии.

    Например, в простой турбине внутреннего сгорания на электростанции сжигается некоторое количество топлива, такого как уголь или природный газ.Это разрывает молекулярные связи и производит химическую энергию. Эта химическая энергия используется для нагрева воды, производства пара или тепловой энергии (поэтому установки, сжигающие ископаемое топливо, иногда называют «тепловыми» установками). Затем пар приводит в действие генератор, производящий механическую энергию, которая, в свою очередь, создает электрическую энергию. Атомная электростанция работает точно так же, за исключением того, что энергия для нагревания воды поступает от ядерных реакций (деление — расщепление ядра атома), а не от сжигания топлива.

    Рисунок 1: На тепловой электростанции топливо сжигается для получения пара, который вращает турбину для выработки электроэнергии.

    Первый закон термодинамики, также известный как сохранение энергии, описывает эти превращения. В нем говорится: Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена; она может измениться только по форме.

    Но каждый раз, когда происходит преобразование энергии, часть энергии теряется, обычно в виде тепла. Подумайте о тепле, выделяемом лампочками, или о тепле, выделяемом двигателем автомобиля после движения.Это второй закон термодинамики, который в основном гласит, что то, что вы получаете в результате преобразования энергии, всегда меньше, чем то, что вы вкладываете.

    Возвращаясь к электростанции, из каждой единицы сожженного топлива только около одной трети выходит в виде электроэнергии, что, казалось бы, нарушает первый закон термодинамики (энергосодержание вводимого топлива должно равняться энергии выход). Так куда же делись остальные две трети?

    Большая часть энергии теряется в виде тепла, так как пар просто уходит в атмосферу, поэтому для крупных электростанций требуются огромные градирни. Тепло, потерянное из градирни, плюс выработка электричества электростанцией примерно равны подводимой энергии. Иными словами, с точки зрения улавливания тепловой энергии для преобразования ее в электричество, большинство наших электростанций работают с КПД около 35 процентов.

    Новые технологии могут уменьшить количество отработанного тепла. Установки с комбинированным циклом улавливают выхлопные газы и используют их для запуска второй турбины. Комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ) используют выхлопные газы для нагрева помещений или воды.

    Помните об этих руководящих принципах преобразования энергии:

    • Ни один энергетический процесс не является полностью обратимым, так как часть энергии теряется.
    • Машина, входом которой является механическая энергия, может создавать полезную энергию (обычно электрическую энергию) с минимальными потерями. Примеры включают плотины гидроэлектростанций, ветряные турбины и генераторы переменного тока.
    • Машина, потребляющая тепловую энергию, никогда не может быть на 100 процентов эффективной при создании полезной энергии. Примеры включают сжигание ископаемого топлива, атомные электростанции и двигатели внутреннего сгорания.
    Проверьте свое понимание

    1. Верно или неверно. Первый закон термодинамики гласит: энергию нельзя ни создать, ни уничтожить; он может только изменить форму.

     

    Нажмите, чтобы ответить…

    2. В Соединенных Штатах и ​​Соединенном Королевстве для измерения потребляемой энергии используется британская тепловая единица (БТЕ). Дайте определение БТЕ.

    Нажмите, чтобы ответить…

    БТЕ технически определяется как количество энергии, необходимое для нагревания одного фунта воды на один градус Фаренгейта.

     

    2. Предположим, у вас есть лампочка мощностью 500 Вт, которая питается от сжигания угля. Если уголь преобразуется в электричество с идеальной эффективностью, сколько времени должна гореть лампочка, прежде чем она поглотит одну тонну угля?

     

    Нажмите, чтобы ответить. ..

    Ответ А:

    Почему ответ A :

    Нам нужно определить общее содержание БТЕ в одной тонне угля и определить, сколько электроэнергии можно произвести с этим количеством БТЕ.Из таблицы 1 мы видим, что в одной тонне угля содержится 20,7 млн ​​БТЕ энергии. Поскольку уголь преобразуется в электроэнергию с идеальной эффективностью, на каждый произведенный кВтч требуется 3412 БТЕ угля. Количество кВтч электроэнергии, которое может быть произведено из одной тонны угля с идеальной эффективностью, составляет:

    Подсчитайте

    (20,7 млн ​​БТЕ) ÷ (3412 БТЕ на кВтч) = 6069 кВтч электроэнергии.

    Лампочка потребляет электричество мощностью 500 Вт или 0.5 киловатт. Чтобы найти количество времени, в течение которого лампочка будет работать, учитывая 6069 кВтч электроэнергии, мы разделим общее количество энергии на скорость, с которой лампочка использует энергию.

    Время работы лампы = 6 069 кВтч ÷ 0,5 кВт = 12 133 часа. В одном (невисокосном) году 8760 часов, поэтому лампочка будет работать 1,4 года (чуть меньше восемнадцати месяцев) на одной тонне угля.

     

    3. Теперь предположим, что 500-ваттная лампочка работает на угле, который преобразуется в электричество с КПД 35%.Сколько времени должна гореть лампочка, прежде чем она поглотит одну тонну угля?

     

    Нажмите, чтобы ответить…

    Ответ B, почти 6 месяцев.

    Объяснение:

    Опять же, нам нужно определить общее содержание БТЕ в одной тонне угля и определить, сколько электроэнергии можно произвести с этим количеством БТЕ. Но на этот раз нам нужно определить, сколько БТЕ требуется для производства одного кВтч электроэнергии, если эффективность преобразования угля в электричество составляет всего 35%.Другими словами, нам нужно использовать уравнение 2, чтобы вычислить теплопроизводительность угольной электростанции.

    Подсчитайте

    Уравнение 2: Тепловая мощность = (идеальная тепловая мощность)/эффективность = (3412 БТЕ/кВтч)/эффективность. Подставив КПД 0,35 (35%), получаем теплотворную способность:

    Тепловая мощность = (3412 БТЕ/кВтч)/0,35 = 9750 БТЕ/кВтч.

    Таким образом, нашей угольной электростанции требуется 9 750 БТЕ угля для производства одного кВтч электроэнергии. Таким образом, количество кВтч электроэнергии, которое может быть произведено из одной тонны угля при КПД 35%, равно:

    (20.7 миллионов БТЕ) ÷ (9750 БТЕ за кВтч) = 2123 кВтч электроэнергии.

    Лампочка потребляет электричество мощностью 500 ватт или 0,5 киловатта. Чтобы найти количество времени, в течение которого лампочка будет работать, учитывая 2123 кВтч электроэнергии, мы разделим общее количество энергии на скорость, с которой лампочка использует энергию.

    Время работы лампы = 2123 кВтч ÷ 0,5 кВт = 4246 часов, или чуть меньше шести месяцев. .

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.