Question

Zamiana energii elektrycznej na inne formy energii.

proszę zebyście opisali jak to sie dzieje itp.

Answer 1

 

Rodzaje energii

W opisie zjawisk fizycznych występuje bardzo wiele rodzajów energii. Dotychczas wspomnieliśmy o energii mechanicznej (kinetycznej wraz z potencjalną) oraz cieplnej. Z tymi dwoma mamy najczęściej do czynienia, jak również z energią elektryczną. Pozostają jeszcze: jądrowa, chemiczna, spoczynkowa, wewnętrzna, promieniowania elektromagnetycznego oraz wiele bardziej szczegółowych, jak np. energia wiązania. Większość z wymienionych rodzajów energii postaramy się ogólnie scharakteryzować, a niektórym z nich, szczególnie tym, których przemiany nas interesują, poświęcimy więcej uwagi.


Energia mechaniczna


Wcześniej mieliśmy już okazję wspomnieć o energii mechanicznej, definiując ją jako sumę energii kinetycznej i potencjalnej danego ciała. Wyrażając się bardziej precyzyjnie, energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznych tworzących układ fizyczny i energii potencjalnych wszystkich oddziałujących ze sobą ciał tego układu. Gdy zastanowimy się nad różnicą pomiędzy tymi dwoma definicjami, widzimy, że druga jest zarazem bardziej ogólna i możemy stosować ją z łatwością w bardziej złożonych przypadkach. Pojęcie energii mechanicznej jest dodatkowo istotne (zwłaszcza w tym referacie), ponieważ gdy wartość tej energii pozostaje niezmienna, zachodzą przemiany energii pomiędzy np. potencjalna sprężystości, potencjalna i kinetyczną (w przypadku odbijającej się piłki): ułatwia to zrozumienie zasady zachowania energii. Wyżej wymienione rodzaje energii w ujęciu fizyki klasycznej omówimy w kolejnych punktach, natomiast energii w świetle fizyki relatywistycznej poświecimy osobny punkt.

Energia kinetyczna

Opisując energie mechaniczną napisaliśmy, że jedną z jej składowych jest energia kinetyczna. Zawężając definicję, jest ona częścią całkowitej energii ciała (bądź układu ciał) zależna od jego prędkości i masy. Przyjrzyjmy się punktowi materialnemu (w przybliżeniu nierelatywistycznym). Jego energia kinetyczna jest wyrażana wzorem:

Ek=mV2/2
(m – prędkość ciała; V – prędkość, z jaką ciało się porusza)

Drugi sposób przedstawienia energii kinetycznej polega na przekształceniu wzoru tak, aby był on funkcja pędu tego ciała:

Ek= p2/2m
(m – prędkość ciała; p – pęd ciała)

 

Energia potencjalna


W porównaniu z energią kinetyczna, energie potencjalną ciężej jest sobie uzmysłowić. Jest to część całkowitej energii ciała (układu ciał), związana ze wzajemnym położeniem poszczególnych jego części i od ich położenia w zewnętrznym polu sił. Najczęściej, mówiąc o energii potencjalnej ciał, wiążemy ją z polem grawitacyjnym. Energia potencjalna może być określona tylko dla sił zachowawczych, czyli sił fizycznych posiadających taką własność, że wartość pracy wykonanej przez tę siłę zależy od punktu początkowego początkowego punktu końcowego drogi, wzdłuż której wykonuje ona pracę, a nie od przebiegu tej drogi. Aby łatwiej zrozumieć to pojęcie posłużymy się przykładem: człowiek, usiłując dostać się na szczyt góry, wykona tę sama pracę wspinając się pionowo pod górę, jak i idąc w poprzek stoku. Wykonuje on pracę przeciwko sile grawitacyjnej, będącej jedną z sił zachowawczych.
Energia potencjalna określa zdolność ciał do uzyskania odpowiedniej kinetycznej energii ruchu, która może stać się źródłem pracy. Miarą energii potencjalnej jest praca, jaką należy wykonać, aby zmienić konfiguracje układu. Zawsze należy jednak pamiętać, aby dobrać odpowiedni układ odniesienia i w sposób arbitralny określić, jaką konfiguracje przyjmuje się za nową wartość energii potencjalnej.
Energia potencjalna ciała znajdującego się w polu grawitacyjnym Ziemi na wysokości h nad powierzchnia Ziemi jest równa:

Epot= mgh
(m – masa ciała; g – przyspieszenie ziemskie)

 

// //

Energia - jej rodzaje i przemiany

Wstęp

Tematyka tego referatu jest bardzo szeroka. Można do niej podejść,
w zależności od potrzeb, z punktu widzenia wielu różnych przedmiotów. Energią interesuje się zarówno ochrona środowiska, gospodarka, jak i astronomia i fizyka. Można rozpatrywać to zagadnienie od strony życia codziennego, opisać obserwacje przemian energii, z którymi spotykamy się na co dzień, jak również bardziej zagłębić się w te mechanizmy i rozpatrzyć je czysto naukowo: np. od strony chemii bądź fizyki. W niektórych przypadkach granica pomiędzy zakresem tych dwóch przedmiotów wręcz zanika, co dzieje się częściej z procesami pozostającymi dla zwykłego człowieka abstrakcją, m.in. przemianami jądrowymi.
Ten referat postaramy się napisać w taki sposób, aby znaczne korzyści z jego przeczytania mogły wynieść zarówno osoby mniej zainteresowane przedmiotami ścisłymi, głównie fizyką, jak również te, które na codzienność patrzą z zapałem przez pryzmat tych właśnie przedmiotów. Opiszemy sytuacje i urządzenia związane z energią oraz jej przemianami, które już nie raz obserwowaliśmy, lecz również postaramy się wytłumaczyć te zjawiska czysto naukowo.
W pracy kolejno prezentujemy takie zagadnienia, jak generalne pojecie energii, jej rodzaje, rodzaje przemian oraz urządzenia do nich służące oraz energię w świetle teorii relatywistycznej.



Ogólne pojecie energii


Jak już wspomnieliśmy, tematyka energii jest bardzo obszerna. Odbiciem tego faktu jest wprowadzenie do używanego na co dzień słownictwa pojęcia energii. Spotykamy się z nim przy opisywaniu ludzi. Według słownika wyrazów obcych, energia jest to wewnętrzna zdolność człowieka do działania, aktywnego życia. Samo słowo „energia” pochodzi z języka greckiego i pierwotnie oznaczało działanie.
Uproszczona definicja energii, którą spotykamy w fizyce, chemii, astronomii i astrofizyce, mówi nam, że jest ona wielkością, która opisuje zdolność ciała lub układu ciał do wykonania określonej pracy. Rozwijając ta definicję, musimy dodać, że energia jest wielkością opisującą stan układu: skalarną, addytywną i zachowywaną. Może być przekazywana w oddziaływaniach fizycznych, ale nie może zniknąć ani powstać ex nihilo.
Chcielibyśmy na chwilę zatrzymać się przy tej definicji. Jest addytywna, to znaczy, że jej wartość jest równa sumie poszczególnych elementów. Możemy więc wyobrazić sobie najprostszą sytuację: spadające ciało. Załóżmy, że posiada ono w danym momencie tylko dwa rodzaje energii: kinetyczną i potencjalną (dokładniejszym opisem poszczególnych rodzajów energii zajmę się później). Całkowita energia tego ciała jest równa sumie tych energii.
Istotne jest też, że energia jest skalarem, tzn., że jest określana jedna liczbą, podobnie jak masa bądź pole. Wynika z tego, że energia nie ma swojego kierunku, zwrotu, bądź punktu przyłożenia, tak jak wielkości wektorowe.
Jedna z najistotniejszych zasad, będąca podstawą całej fizyki, jest związana właśnie z pojęciem energii. Wspomnieliśmy już o niej pisząc, że energia jest wielkością zachowywaną. Tą zasadą jest oczywiście „zasada zachowania energii”. Brzmi ona następująco: w każdym izolowanym układzie fizycznym całkowita suma energii jest stała (nie zmienia się w czasie).
Aby zobrazować tę zasadę, powrócę do prostego przykładu spadającego ciała. Nieruchome ciało, trzymane w ręku na pewnej wysokości, posiada energię potencjalną (jej wartość zależy oczywiście od układu odniesienia, może być zerowa w stosunku do ręki, w której się znajduje, ale może mieć pewną wartość większą od zera, przyjmijmy, że w stosunku do ziemi). Całkowitą energię tego ciała stanowi więc energia potencjalna. W momencie, gdy ciało to wypada nam z ręki, suma energii (suma energii potencjalnej i kinetycznej nosi nazwę energii mechanicznej) pozostaje stała, gdyż energia potencjalna „nie znika”, lecz zostaje przemieniona w energię kinetyczną (energię ruchu).
Duży nacisk nakładamy w tym referacie właśnie na słowo „przemiana”. Podstawą rozpatrywania wszystkich procesów tego typu jest właśnie zasada zachowania energii. Opiera się na niej działanie silników, prądnic, akumulatorów, hamulców oraz wielu innych urządzeń. Aby uniknąć podczas dalszego czytania błędnego rozumienia opisanych zjawisk, należy zaznaczyć, że doskonałe przemiany energii z jednej w drugą, bez ponoszenia strat, są czysto teoretyczne. W rzeczywistości procesom takim towarzyszy zawsze mniejsza bądź większa strata energii. Wyobraźmy sobie znowu spadające ciało, a dokładniej moment jego zderzenia z powierzchnią ziemi (przyjmijmy, że jest to piłka). Piłka ta po odbiciu nie osiągnie poprzedniej wysokości ze względu na straty energii: wzrost energii wewnętrznej piłki i podłoża (możliwy do zaobserwowania poprzez wzrost temperatury). Nie możemy powiedzieć, że skoro piłka nie osiągnęła poprzedniej energii potencjalnej, gdy zawisła w powietrzu, to energia „zginęła”. Po prostu uległa ona przemianie w inną.
Często, gdy mamy do czynienia z jakimiś urządzeniami mechanicznymi, spotykamy pojęcie sprawności. Jest to używana głównie w termodynamice wielkość opisująca stosunek wykonanej przez dany układ pracy do całkowitej energii zużytej przez ten układ do jej wykonania. Różnicę pomiędzy tą pracą i energią stanowi właśnie strata energii, o której pisaliśmy. Widać więc, że czym mniejsza strata energii, tym większa sprawność urządzenia, np. silnika. W przypadku silnika stratą energii jest głównie wydzielanie się ciepła do otoczenia.
Aby zakończyć ogólną charakterystykę pojęcia energii, dodać należy, że jej najczęściej spotykaną jednostką jest obecnie dżul (J). Jest to zarówno jednostka pracy, jak i ciepła, co dodatkowo obrazuje nam, że energia jest zdolnością do wykonania pracy. Dawniej używano jednostki, jaką jest erg, stanowiący 0,0000007 J. Jest to jednostka oparta na układzie CGS (centymetr, gram, sekunda).


Rodzaje energii

W opisie zjawisk fizycznych występuje bardzo wiele rodzajów energii. Dotychczas wspomnieliśmy o energii mechanicznej (kinetycznej wraz z potencjalną) oraz cieplnej. Z tymi dwoma mamy najczęściej do czynienia, jak również z energią elektryczną. Pozostają jeszcze: jądrowa, chemiczna, spoczynkowa, wewnętrzna, promieniowania elektromagnetycznego oraz wiele bardziej szczegółowych, jak np. energia wiązania. Większość z wymienionych rodzajów energii postaramy się ogólnie scharakteryzować, a niektórym z nich, szczególnie tym, których przemiany nas interesują, poświęcimy więcej uwagi.


Energia mechaniczna


Wcześniej mieliśmy już okazję wspomnieć o energii mechanicznej, definiując ją jako sumę energii kinetycznej i potencjalnej danego ciała. Wyrażając się bardziej precyzyjnie, energia mechaniczna jest to suma energii kinetycznych tworzących układ fizyczny i energii potencjalnych wszystkich oddziałujących ze sobą ciał tego układu. Gdy zastanowimy się nad różnicą pomiędzy tymi dwoma definicjami, widzimy, że druga jest zarazem bardziej ogólna i możemy stosować ją z łatwością w bardziej złożonych przypadkach. Pojęcie energii mechanicznej jest dodatkowo istotne (zwłaszcza w tym referacie), ponieważ gdy wartość tej energii pozostaje niezmienna, zachodzą przemiany energii pomiędzy np. potencjalna sprężystości, potencjalna i kinetyczną (w przypadku odbijającej się piłki): ułatwia to zrozumienie zasady zachowania energii. Wyżej wymienione rodzaje energii w ujęciu fizyki klasycznej omówimy w kolejnych punktach, natomiast energii w świetle fizyki relatywistycznej poświecimy osobny punkt.


Energia kinetyczna

Opisując energie mechaniczną napisaliśmy, że jedną z jej składowych jest energia kinetyczna. Zawężając definicję, jest ona częścią całkowitej energii ciała (bądź układu ciał) zależna od jego prędkości i masy. Przyjrzyjmy się punktowi materialnemu (w przybliżeniu nierelatywistycznym). Jego energia kinetyczna jest wyrażana wzorem:

Ek=mV2/2
(m – prędkość ciała; V – prędkość, z jaką ciało się porusza)

Drugi sposób przedstawienia energii kinetycznej polega na przekształceniu wzoru tak, aby był on funkcja pędu tego ciała:

Ek= p2/2m
(m – prędkość ciała; p – pęd ciała)

W celu rozpatrzenia składowych, od których zależy wartość energii kinetycznej, łatwiej jest posłużyć się pierwszym wzorem. Widzimy więc, że energia ta jest wprost proporcjonalna do masy oraz do kwadratu prędkości. Istotna jest informacja o kwadracie prędkości. Każdy, np. podczas zderzeń samochodowych, jest w stanie zaobserwować, że większe uszkodzenia spowoduje ciężka ciężarówka niż lekki samochód (jadąc z tą samą prędkością). Dla uproszczenia możemy przyjąć, że uszkodzenia te są wprost proporcjonalne do energii kinetycznej. Łatwo też dostrzec, że zwiększenie prędkości powoduje zwiększenie uszkodzeń. Jednak ciężko jest czasami zdać sobie sprawę z faktu, że proporcjonalności nie obrazuje w tym przypadku funkcja liniowa. Sytuacja wygląda tak, że wgniecenie maski samochodu jadącego z prędkością v jest 4 razy mniejsze od wgniecenia w samochodzie jadącym z prędkością 2v. Informacja ta powinna być istotna dla kierowców ze względu na bezpieczeństwo. Podobnie jest z hamowaniem: 3 razy większa prędkość oznacza 9 razy większą drogę hamowania.
Skoro już napisaliśmy o całkowitej sumie energii kinetycznej, to przedstawimy jeszcze energię bryły sztywnej będącej w ruchu (poruszającej się ruchem postępowym oraz obracającej się wokół swojego środka ciężkości). Całkowita energia kinetyczna tego ciała jest sumą energii kinetycznej środka masy bryły i energii kinetycznej bryły w ruchu obrotowym.

Ek= mvs2/2 + Eobr
(m – masa bryły; v – prędkość środka masy)


Energia potencjalna


W porównaniu z energią kinetyczna, energie potencjalną ciężej jest sobie uzmysłowić. Jest to część całkowitej energii ciała (układu ciał), związana ze wzajemnym położeniem poszczególnych jego części i od ich położenia w zewnętrznym polu sił. Najczęściej, mówiąc o energii potencjalnej ciał, wiążemy ją z polem grawitacyjnym. Energia potencjalna może być określona tylko dla sił zachowawczych, czyli sił fizycznych posiadających taką własność, że wartość pracy wykonanej przez tę siłę zależy od punktu początkowego początkowego punktu końcowego drogi, wzdłuż której wykonuje ona pracę, a nie od przebiegu tej drogi. Aby łatwiej zrozumieć to pojęcie posłużymy się przykładem: człowiek, usiłując dostać się na szczyt góry, wykona tę sama pracę wspinając się pionowo pod górę, jak i idąc w poprzek stoku. Wykonuje on pracę przeciwko sile grawitacyjnej, będącej jedną z sił zachowawczych.
Energia potencjalna określa zdolność ciał do uzyskania odpowiedniej kinetycznej energii ruchu, która może stać się źródłem pracy. Miarą energii potencjalnej jest praca, jaką należy wykonać, aby zmienić konfiguracje układu. Zawsze należy jednak pamiętać, aby dobrać odpowiedni układ odniesienia i w sposób arbitralny określić, jaką konfiguracje przyjmuje się za nową wartość energii potencjalnej.
Energia potencjalna ciała znajdującego się w polu grawitacyjnym Ziemi na wysokości h nad powierzchnia Ziemi jest równa:

Epot= mgh
(m – masa ciała; g – przyspieszenie ziemskie)

Aby udowodnić równoważność pracy i energii posłużymy się wzorami na energię kinetyczna i na pracę: Ek=mgh, W=F∆s (F – wartość siły wykonującej pracę, s – przesunięcie). Wyobraźmy więc sobie wspinaczkę. Wykonujemy pracę przeciwko sile ciężkości Fc=mg. Startujemy w punkcie h0 i kończymy wspinaczkę na wysokości hk. Przesunięcie wynosi więc ∆s=hk-h0=∆h, z czego wynika, że wykonana praca jest równa W=mg∆h. Energia potencjalna w punkcie h0 jest równa Ep0=mgho, w punkcie hk jest równa Epk=mghk, więc różnica energii wynosi ∆Ep=mghk – mgh0= mg(hk – h0)= mg∆h. W ten sposób udowodniliśmy równoważność pracy i energii.



Energia elektryczna


Energia elektryczna jest kolejnym pojęciem, które można traktować niejako na dwóch płaszczyznach: życia codziennego oraz ścisłej nauki. W pierwszym przypadku bowiem hasło to rozumie się jako prace wykonywaną lub ciepło dostarczane przez urządzenia elektryczne (np. grzejniki, suszarkę). Wartości te mierzy się za pomocą liczników energii elektrycznej, stosując najczęściej (przeważnie w gospodarstwach domowych) jednostki, jaką jest kilowatogodzina (1 kWh = 3,6 ∙ 106 J). Ponieważ zajmujemy się przemianami energii, istotne jest podanie wzoru na energię E przepływającego prądu elektrycznego w czasie t:

E = UIt = I2Rt
(I - natężenie prądu, U - napięcie wywołujące jego przepływ,
R - opór elektryczny)

W ujęciu bardziej naukowym energia elektryczna jest jedną z postaci energii potencjalnej związaną ze wzajemnym oddziaływaniem ładunków elektrycznych. W dużym uogólnieniu energię tę można traktować jako energię pola elektrycznego (dokładniej mówiąc w sytuacji, gdy nie ma punktowych ładunków elektrycznych, występuje jedynie ciągły rozkład ładunku). Istotne jest rozróżnienie energii elektrodynamicznej i elektrostatycznej: pierwsza występuje w sytuacjach, gdy ładunki elektryczne się poruszają, druga zaś, gdy pozostają w spoczynku.