This translation was done by StudyCrumb, a premier academic service provider dedicated to student success. If you're looking for a service to "write an essay for me," StudyCrumb is here to offer top-quality writing tailored to your unique needs. Our team of professional writers is skilled in various academic disciplines, ensuring that your essay is meticulously researched and expertly written. Trust StudyCrumb to provide the support you need to excel in your academic journey.
Оригінал: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/energy.html
Перше, що ми повинні зробити, це визначити наші умови. Сила, енергія та влада пов’язані між собою дуже специфічними способами. Пам’ятаючи, що прискорення визначається як швидкість зміни швидкості, або a = v / t, ми отримуємо наступну таблицю:
|
Кількість |
Визначення |
одиниці |
Назва підрозділу |
Абревіатура |
|
сила |
= ма |
кг м/с 2 |
Ньютон |
Н |
|
енергії |
= Fd |
кг м 2 /с 2 |
джоуль |
Дж |
|
потужність |
= E/t |
кг м 2 /с 3 |
ват |
В |
Іншими словами, енергія — це сила, що діє на відстані, а потужність — це енергія, що витрачається за секунду. Джоуль — це кількість енергії, необхідна для того, щоб надати силу в один ньютон через один метр. Наприклад, якщо ви піднімаєте вагу в один кілограм на один метр, то енергія, яку ви повинні витратити, становить:
E = Fd = (ma)d = mgd = (1 кг)(9,8 м/с 2 )(1 м) = 9,8 кг м 2 /с 2 = 9,8 джоуля.
Альтернативне визначення енергії, калорія, визначається як кількість теплової енергії, необхідної для підвищення температури 1 г води на 1 C°. (Був час, коли люди не усвідомлювали, що теплова енергія та механічна енергія – це одне й те саме, тому вони створили для них окремі визначення.) Термодинамічні вимірювання говорять нам, що одна калорія = 4,186 джоуля.
До речі, «калорія», яка зазвичай використовується для вимірювання харчової енергії, насправді є кілокалорією, або скорочено Ккал. Одна ккал = 1000 кал = 4168 джоулів. Так, наприклад, Hostess Twinkie з 200 калоріями містить 200 X 4168 = 833 600 джоулів, тобто достатньо енергії, щоб підняти 100-кілограмову вагу на півмилі! (Тепер ви знаєте, чому Twinkies зазвичай не вважають дієтичною їжею.)
Замість використання джоулів, "кіловат-година" зазвичай використовується в електротехнічній промисловості як одиниця енергії. (КВт-год НЕ є одиницею потужності. Незважаючи на те, що в назві є термін потужності «ват», квт-год є одиницею енергії. Оскільки потужність = енергія / час, також вірно, що енергія = потужність X час .) КВт-год є зручною величиною в електричній промисловості, оскільки це енергетичний еквівалент роботи приладу потужністю один кіловат протягом однієї години. Перетворення кіловат-години в джоулі таке:
кіловат-година = (1000 Дж/с) (1 год) X (60 хв/год) (60 сек/хв) = 3 600 000 Дж
Таємнича форма інопланетної енергії?
Форми енергії
Енергія — загадкова концепція, не в останню чергу тому, що вона буває в багатьох іпостасях. Ось перелік поширених форм:
кінетична енергія – енергія рухомих тіл. Формула кінетичної енергії:
E = ½ mv 2
пружна енергія – енергія, що міститься в розтягнутих або деформованих матеріалах. Гумки, пружини, будь-що, що має натяг, тощо. Для простої пружини формула пружної енергії така:
E = ½ K(x - x 0 ) 2
де K = постійна пружини (одиниці Н/м), x 0 = положення рівноваги пружини, а x = відстань, на яку пружина була розтягнута або стиснута.
теплова енергія -- також відома як тепло. Це більш-менш окремий випадок кінетичної енергії та енергії пружності, тому що те, що ми називаємо тепловою енергією, складається з енергії багатьох атомів. У випадку газу, де молекули рухаються вільно, середня кінетична енергія на молекулу може бути пов’язана з абсолютною температурою за допомогою:
½ mv 2 = 3 / 2 k B T
де m = маса молекули газу (ми припускаємо, що газ містить лише один вид молекул), v = середня швидкість молекул, k B = постійна Больцмана = 1,38 X 10 -23 Дж/К°, а Т = температура в К°.
Для твердого або рідкого тіла масою m зміна теплової енергії може бути пов’язана зі зміною температури:
dQ = mc dT
де dQ = зміна тепла, c — питома теплоємність у кал/г K°, а dT = зміна температури (у C° або K°).
хімічна енергія – енергія, пов'язана з розривом або утворенням атомних зв'язків, тобто з хімічними перетвореннями.
прихована теплота – енергія, необхідна для плавлення твердих тіл або кип'ятіння рідин. Ця енергія дещо схожа на хімічну енергію, оскільки це енергія, пов’язана з розривом або створенням молекулярних зв’язків, а не атомних зв’язків. Загальна енергія (тепло), необхідна для плавлення твердої речовини або кип’ятіння рідини, дорівнює лише Q = мл, де m — маса рідини або твердої речовини, а L — коефіцієнт прихованої теплоти (вказаний у Дж або кал на кг) плавлення або кип'ятіння.
гравітаційна потенційна енергія – енергія, яку набувають або втрачають тіла, коли вони рухаються в межах поля тяжіння. Для об’єктів, розташованих дуже близько до Землі, потенційна енергія гравітації визначається формулою E = mgh, де m — маса об’єкта, g — прискорення тяжіння (9,8 м/с 2 ), а h — висота, на яку піднімається об’єкт . піднятий.
електромагнітна енергія – енергія, що міститься в електромагнітних полях. Типовими прикладами є побутова електрика, поле навколо магніту та статична електрика. Для побутової електроенергії енергія, що розсіюється ланцюгом, дорівнює E = IVt, де I — сила струму (в амперах), V — напруга, а t — час (у секундах), протягом якого протікає струм.
промениста енергія – енергія радіохвиль, мікрохвиль, інфрачервоного світла, видимого світла, ультрафіолетового світла, рентгенівського та гамма-променів. Усе певною мірою випромінює енергію випромінювання. Загальна кількість енергії, випромінюваної будь-яким об’єктом, становить приблизно:
E = SA(T - T 0 ) 4
де S = постійна Стефана-Больцмана = 5,67 X 10 -8 Вт/м 2 °K 4
A = площа поверхні об'єкта
T = абсолютна температура об'єкта
T 0 = абсолютна температура оточення об'єкта
Наведена вище формула працює, лише якщо T більше, ніж T0; інакше об’єкт поглинатиме енергію випромінювання з оточення, оскільки тепло завжди тече від гарячого до холодного.
ядерна енергія -- енергія, пов'язана з радіоактивністю та ядерними взаємодіями. Це кількісно визначається простою, але глибокою формулою E = mc 2 , яка говорить нам, що сама маса є лише іншою формою енергії.
Історично склалося так, що лише приблизно в середині 1800-х років фізики зрозуміли, що всі форми енергії можуть перетворюватися одна в одну. Вважалося, що теплова енергія є різновидом рідини, яку називають «калорією», яка перетікає з одного місця в інше, як вода. Кінетична енергія розглядалася як абсолютно окрема річ (і часто плуталася з лінійним імпульсом). Світло... ну, люди навіть не були впевнені, що таке світло, неважливо, як воно вписується в енергетичне питання.
Саме в 1798 році граф Рамфорд продемонстрував, що калорійна теорія тепла повинна бути хибною. Рамфорд відповідав за розточування гармат для прусської армії, і він помітив, що вода, необхідна для охолодження гармат під час їх розточування, продовжувала нагріватися навіть після того, як наконечники свердла стали настільки тупими, що вони не врізалися в метал більше. Калорична теорія стверджувала, що свердління металу вичавлює калорійну рідину з дрібної стружки, через що гармати розжарюються, але Румфорд зрозумів, що це пояснення неможливо. Він влаштував публічну демонстрацію, де тупі стрижні годинами поспіль оберталися проти плоского металу, зрештою створюючи стільки тепла, що охолоджуюча вода почала кипіти, але стружки не утворювалося. Рамфорд стверджував, що для створення тепла досить одного руху, тобто
Джеймс Джоуль виміряв еквівалентність механічної та теплової енергії в 1843 році (тобто він визначив, що один кал = 4,186 Дж), досліджуючи, наскільки сильно нагрівалася вода в теплоізоляційних калориметрах, коли її хвилювали лопаті, що рухалися падаючими вантажами. Основна ідея його експерименту показана справа. У 1847 році на основі цього експерименту та інших міркувань Герман Гельмгольц оголосив Принцип збереження енергії. Коротко кажучи:
Енергія зберігається
Усі різні форми енергії (наприклад, перелічені вище) можуть перетворюватися одна в одну або переноситися з одного місця в інше, але загальна енергія у Всесвіті завжди залишається незмінною. Дозвольте мені повторитися, тому що це один із найважливіших принципів у фізиці:
Повна енергія Всесвіту постійна.
Енергія ніколи не може бути створена або знищена.
Енергію можна лише перемістити або трансформувати.
Енергія – це еквівалент грошей матері-природи. Усе, що ви хочете зробити (пройти через кімнату? увімкнути стереосистему? кинути бейсбольний м’яч? підірвати сейф?) потребує грошей на енергію. Ви можете витрачати його як завгодно, але якщо ви витрачаєте його, щось інше отримує його. У матінки-природи немає ні прибутку, ні збитків. На відміну від паперу, який друкує федеральний уряд, енергетичні гроші не піддаються руйнуванню й не можуть бути підроблені.
Однак переключитися з однієї валюти на іншу досить легко. Просто подивіться на свою машину. Спочатку ядерна енергія Сонця перетворюється на електромагнітну енергію випромінювання, потім рослини на Землі перетворюють енергію випромінювання на хімічну енергію (нафта), потім ви запускаєте свій автомобіль і перетворюєте її на кінетичну енергію, і нарешті ви натискаєте на гальма, які використовують тертя для перетворення кінетичної енергії в тепло.
Людина отримує енергію переважно від Сонця. Сонячне світло поглинається рослинами і перетворюється на органічні молекули, тобто вони перетворюють променисту енергію в хімічну. Коли ви чуєте, як гуру фізичних вправ говорять про «спалювання калорій», це абсолютно правильно. Люди перетворюють хімічну енергію, яку вони споживають, у тепло тіла та кінетичну енергію, буквально спалюючи цукор, вуглеводи та жири.
Забавно вбік – вони визначають калорійність їжі, поміщаючи її в теплоізоляційні печі та підпалюючи їжу. Після того, як їжа спалена до купи дрібного чорного попелу, вони вимірюють загальну температуру духовки. Оскільки вони точно знають, скільки енергії вони ввели в піч, щоб спалити їжу, будь-яке додаткове підвищення температури може відбуватися лише від самої горіючої їжі. Це абсолютно правильний спосіб вимірювання, навіть незважаючи на те, що людське тіло (як ви могли помітити) не спалює свої калорії в одній неконтрольованій пожежі. Швидше, він генерує тепло через мільйони маленьких «вогнів» розміром молекули, що поширюються по всьому тілу.
Але в будь-якому випадку ви виділяєте однакову кількість енергії. Уявіть собі, що ви нагрієте пляшку води зсередини за допомогою мільйонів крихітних іскор, що спалахують у воді, і ви отримаєте гарне уявлення про те, як люди підтримують тепло свого тіла, не спалюючи їжу в одному вогні, як це відбувається під час вимірювання вмісту калорій.
Більшість енергетичних потреб нашого суспільства забезпечується газом, нафтою та вугіллям. Це сильно спресовані та хімічно ферментовані залишки лісів, які росли мільйони років тому. (Газ і нафта — це справді скам’янілі сонячні промені, якщо ви приступите до цього.) Багато інших форм енергії, таких як гідроелектроенергія та енергія вітру, також походять від Сонця, оскільки саме сонячне опалення впливає на погоду та створює дощі. що заповнюють греблі гідроелектростанцій. Насправді, єдині типи енергії, що використовуються на Землі і не надходять від Сонця, це геотермальна енергія, ядерна енергія та гідроелектроенергія, яка генерується припливами, а не опадами. Усе це разом становить лише незначну частину загального споживання енергії людством.