Ce este munca?

În termeni de fizică clasică, lucrați asupra unui obiect atunci când exercitați o forță asupra obiectului determinându-l să se deplaseze oarecare distanță. Cantitatea de muncă pe care o efectuați poate avea puține relații cu cantitatea de efort pe care o depuneți. De exemplu, dacă împingeți o mașină blocată într-o drift de zăpadă, puteți exercita multă forță (și efort), dar dacă mașina nu se mișcă, nu ați făcut niciun lucru! Pentru ca lucrarea să poată fi făcută asupra unui obiect, obiectul trebuie să se deplaseze oarecare distanță ca urmare a forței pe care o aplicați. Există, de asemenea, constrângeri cu privire la forța pe care o aplicați. Doar forța exercitată în aceeași direcție ca mișcarea obiectului duce la lucru. S-ar putea să credeți că faceți multă muncă dacă purtați un braț plin de cărți de acasă la școală. În realitate nu faceți deloc muncă! Când purtați teancul de cărți, exercitați o forță ascendentă pentru a ține cărțile, astfel încât acestea să nu cadă la pământ. Nu există nicio mișcare asociată cu această forță. Pe măsură ce mergeți, mișcarea cărților este orizontală, nu verticală. Deoarece forța aplicată cărților este verticală, iar mișcarea este orizontală, nu faceți nicio lucrare asupra cărților.

energiei

Munca este un transfer de energie, deci se lucrează la un obiect atunci când transferați energie către acel obiect. Cantitatea de muncă efectuată asupra unui obiect depinde de cantitatea de forță exercitată asupra obiectului și de distanța pe care o mișcă obiectul.

Munca = Forța x Distanța

Conform celei de-a doua legi a mișcării lui Newton, forța netă asupra unui obiect depinde de masa obiectului și de accelerația acestuia în timpul mișcării.

Forță = Masă x Accelerație

Unitatea comună de forță este Newton (N). Un Newton este forța necesară pentru a accelera un kilogram de masă la 1 metru pe secundă pe secundă.

Cantitatea de muncă depusă pentru a împinge o mașină de 10.000 N pe o distanță de 10 metri ar fi

10.000 N x 10 m = 100.000 N m sau 100.000 J

Newtonmetrii sunt denumiți jouli (J). Joule-ul poartă numele lui James Prescott Joule (1818-1889), care a calculat mai întâi cantitatea de muncă electrică necesară pentru a produce o unitate de căldură. În experimentele sale, Joule a descoperit că aceeași cantitate de căldură a fost produsă de aceeași cantitate de lucru electric sau mecanic („echivalentul mecanic al căldurii”).

Aflați mai multe despre locul de muncă aici.

Ce este Energia?

Pe 10 martie 2005, sunând ca o locomotivă care se apropia, o tornadă a căzut din nori negri care se înfășurau în orașul Greymouth din Noua Zeelandă. Vânturile au aruncat un camion într-o lagună, au rupt stâlpii electrici în jumătate, acoperișurile au navigat prin aer și clădirile au fost distruse (du-te aici pentru a vedea un videoclip al acestui dezastru).

Deși vântul este doar aer în mișcare, el posedă energie. Când vântul mișcă frunza pe un copac sau ridică și aruncă un camion, a provocat o schimbare a poziției obiectului. Prin urmare, a lucrat. O măsură a capacității de a lucra sau de a provoca schimbări se numește energie. De fiecare dată când un obiect lucrează asupra unui alt obiect, o parte din energia obiectului de lucru este transferată către acel obiect ridicându-și starea de energie. La fel ca munca, unitățile de energie sunt jouli.

Energia este cantitatea de muncă pe care o poate efectua un sistem fizic, astfel încât energia poate fi definită ca cea care schimbă poziția, compoziția fizică sau temperatura unui obiect. Există două categorii de energie, energia cinetică și energia potențială. Diferența dintre ele este dacă energia este transferată (cinetică) sau stocată (potențial). Sunt interconvertibile.

Energia cinetică este energia mișcării (mișcarea undelor, electronilor, atomilor, moleculelor) în timp ce energia potențială este energie stocată sau energie de poziție care are potențialul de a lucra (urmați legăturile de energie cinetică și potențială pentru o discuție mai aprofundată ). Energia cinetică a unui obiect este dependentă atât de masa obiectului, cât și de viteza acestuia.

Astfel, o mașină de 3.000 lb care se deplasează cu o viteză de 50 mph va transfera mai multă energie cinetică decât o mașină de 2.000 lb care se deplasează în același ritm. Energia poate fi stocată într-un obiect ridicându-l în sus. Cantitatea de energie potențială ar fi

unde m este masa obiectului; h este înălțimea obiectului și g este forța de greutate care acționează asupra obiectului.

Această animație arată cum energia se convertește între energia cinetică și energia potențială .

Animație oferită de: http://www.bsharp.org/physics/stuff/swings.html

Vedeți modul în care energia cinetică și energia potențială sunt corelate folosind o demonstrație de roller coaster.

O cascadă posedă atât energie potențială, cât și energie cinetică. Apa din vârful căderilor posedă energie potențială. Pe măsură ce apa curge peste marginea căderilor, energia sa este transformată în energie cinetică.

Forme de energie

Atât energia potențială, cât și energia cinetică vin într-o varietate de forme.

Legea conservării energiei

În cadrul unui sistem, cantitatea de energie este constantă. Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă. Cu toate acestea, poate fi transferat de la o formă la alta. Joi, când apa din vârful cascadei se aruncă peste margine, energia potențială este convertită în energie cinetică. Energia unei molecule de aer care se mișcă în vânt poate fi convertită în energie de rotație atunci când se deplasează rotorul unei mori de vânt care poate fi apoi convertită în electricitate de către un generator de turbină eoliană. În aproape toate aceste procese, o anumită energie este, de asemenea, convertită în energie termică.

Unități de energie

Deoarece folosim energia pentru a face multe tipuri diferite de lucrări, cum ar fi lucrările electrice, mecanice și termice, există multe unități diferite utilizate pentru a măsura cantitățile de energie utilizate. De exemplu, joul este o măsură a energiei electrice, în timp ce unitatea termică britanică sau calorică (BTU) este de obicei utilizată pentru măsurarea energiei termice.

Energia necesară pentru a crește temperatura de 1 gram de apă cu 1 o C

nutrițional C aloria este în realitate o kilocalorie (kcal)

1 C = 1 kcal = 4.184 J

Energia necesară pentru a crește temperatura de 1 kilogram de apă cu 1 o F.

unitatea utilizată pe scară largă în aplicații de inginerie

unitățile de încălzire și răcire (aparate de aer condiționat) sunt clasificate în unități BTU

Următorii factori pot fi utilizați pentru a converti între aceste unități de energie:

1 J = 0,2388 cal
1 cal = 4,1868 J
1 BTU = 1.055 kJ = 0.252 kcal

Pentru a compara energia care poate fi extrasă din diferite surse de combustibil, trebuie să putem să echivalăm unitatea standard de măsură, joulul, cu unitățile utilizate în mod obișnuit cu diferiți combustibili, cum ar fi galonii de benzină, picioarele cubice de gaz natural și metrică tone de cărbune. Tabelul următor prezintă câteva dintre aceste echivalențe energetice.

Echivalențe energetice
Luat din: Craig, Vaughan, Skinner, Resursele Pământului, Ed. A III-a. Prentice Hall

1 milion (10 6) BTU este egal cu aproximativ:

90 kg de producție de cărbune butuminos și lignit
125 kg de lemn uscat la cuptor
8 galoane de benzină (suficientă pentru a muta o mașină pasengar medie

124 mile)
10 termice de gaz natural uscat
11 galoane de propan
2 luni de aport alimentar al unui muncitor
20 de cazuri (240 de cazuri) de vin de masă

Iată câteva alte echivalente de energie utile și factori de conversie care vor fi utili în compararea conținutului de energie al diferitelor surse de combustibil:

Unitățile energetice standard WEC (World Energy Council)
1 tonă de ulei echivalent (deget) = 42 GJ * (putere calorică netă) = 10 034 Mcal
1 tonă de echivalent cărbune (tce) = 29,3 GJ (putere calorică netă) = 7.000 Mcal
* NOTĂ: GJ (gigajoule) = 10 9 J

Echivalenți volumetrici
1 butoi = 42 galoane SUA = 158,9 litri = 0,1589 m 3
1 metru cub = 35.315 metri cubi = 6.2898 butoaie

Factori medii reprezentativi de conversie
1 tonă de țiței = aprox. 7.3 butoaie
1 tonă de lichide de gaze naturale = 45 GJ (putere calorică netă)
1 000 metri cubi standard de gaze naturale = 36 GJ (putere calorică netă)
1 tonă de uraniu
(reactoare cu apă ușoară, ciclu deschis) = 10 000 ? 16.000 de picioare
1 tonă de turbă = 0,2275 tep
1 tonă de lemn de foc = 0,3215 tep
1 kWh (echivalent energie primară) = 9,36 MJ = aprox. 2 236 Mcal
1 Termica gazului natural = 100.000 BTU

Un calculator la îndemână pentru conversia între unități de energie poate fi accesat aici. Puteți descărca o foaie de calcul de conversie a unității Excel sau puteți utiliza acest tabel de conversie a energiei .

Pentru a compara două surse de energie diferite, ar trebui să le convertiți pe amândouă în aceeași unitate de energie. Să presupunem că folosești gaz natural ca combustibil pentru încălzirea locuinței, în timp ce fratele tău folosește ulei de încălzire pentru a încălzi aproximativ 2.000 de metri pătrați. case. Consumați 80.000 de metri cubi de gaz natural, iar fratele dvs. folosește 500 de litri de ulei pentru încălzire în timpul iernii. Care dintre voi a folosit mai multă energie pentru a vă încălzi casa?

1 gal de ulei de încălzire = 139.000 BTU

1 ft cub gaz natural = 1, 026 BTU

# BTU gaz natural utilizat = (80.000 ft 3) (1.026 BTU/3) = 82.080.000 sau 8,2 x 10 7 BTU

# Ulei de încălzire BTU folosit = (500 gal) (139.000 BTU/gal) = 69.500.000 sau 6,9 x 10 7 BTU

Sunteți un executiv pentru compania locală de energie electrică. Generatoarele de energie ale companiei vor funcționa fie cu gaz natural, fie cu păcură reziduală. Este treaba dvs. să comutați generatoarele între cei doi combustibili, astfel încât să folosiți întotdeauna combustibilul mai puțin costisitor pentru a menține costurile mai mici. Generatoarele dvs. funcționează în prezent cu gaze naturale, dar prețul gazului natural crește mai rapid decât prețul păcurii reziduale. Pe baza faptului că gazul natural costă 4,87 dolari pe mie de metri cubi, iar păcura reziduală costă 28,30 dolari pe baril, determinați dacă ar trebui să treceți la păcură reziduală sau să rămâneți pe gaz natural. (Pentru a verifica răspunsul, plasați mouse-ul peste Mozilla.)

1 picior cub de gaze naturale = 1.026 BTU

1 butoi de păcură reziduală = 6.287.000 BTU

Ce este Puterea?

Energia este o măsură a cât de multă muncă se poate face fără a lua în considerare cât timp durează pentru a realiza lucrarea. Puterea este măsura cât de repede se lucrează, deci este o funcție dependentă de timp. Astfel, doi alergători de maraton fac aceeași cantitate de muncă atunci când rulează cele 26 de mile, 385 de metri sau 42 de kilometri. Cu toate acestea, alergătorul care termină maratonul în 2 ore și 30 de minute rulează de două ori mai puternic decât alergătorul care termină în 5 ore. Puterea este cantitatea de energie utilizată pe unitate de timp. Diferența dintre energie și putere este că puterea poate fi măsurată în orice moment, în timp ce energia trebuie măsurată într-o anumită perioadă de timp, cum ar fi o secundă sau o oră.

Putere = Muncă/Timp = (Forță x Distanță)/timp

Unități de putere

Unitatea de putere este jouli pe secundă sau J/s când lucrul este măsurat în jouli și timpul în secunde. Unitatea de bază a puterii, 1 J/s se numește watt (W), numit după James Watt care a adus îmbunătățiri importante motorului cu aburi. Prin definiție, un watt este consumul unui joule de energie pe secundă.

O macara ridică o grindă de 8.000-N la 75 de metri până la vârful unei clădiri în 30 de secunde. Câtă putere folosește macaraua?

(Pentru a verifica răspunsul, plasați mouse-ul peste Mozilla.)

Dacă munca este transferul de energie, puterea este rata la care energia este transferată de la un obiect la altul sau convertită dintr-o formă în alta. Becurile sunt evaluate în funcție de puterea lor. Puterea unui bec, puterea acestuia, este rata la care becul transformă energia electrică în lumină radiantă și energie termică. Un bec de 100 W este mai luminos decât un bec de 60 W, deoarece convertește 100 de jouli de energie electrică pe secundă, în timp ce un bec de 60 W convertește 60 de jouli în fiecare secundă.

Wattul este o cantitate relativ mică de putere. Produceți aproximativ 1 W putere ridicând un pahar de apă la gură într-o perioadă unică. Deoarece wattul este o unitate atât de mică, puterea este adesea măsurată în kilowați (KW). La descrierea puterii motoarelor, unitatea de putere utilizată este adesea puterea de cai. Pentru a-și promova motoarele cu aburi, James Watt a comparat cantitatea de muncă pe care o putea face un motor cu sursa de energie comună de la sfârșitul anilor 1700, calul. O putere (CP) a fost definită ca cantitatea de muncă pe care o face un cal pentru a ridica o greutate de 33.000 de lire sterline la o distanță de un picior într-un minut. Aceasta poate părea o definiție ciudată, dar s-a bazat pe munca pe care o făcea un cal transportând cărbune (Watt încerca să încurajeze utilizarea motoarelor cu aburi în exploatarea cărbunelui).

1 CP = 33.000 picioare-livre (ft/lb)/min

Un cal care mișcă 33.000 de kilograme de cărbune la o distanță de un picior; unul care se deplasează 330 de lire sterline la o distanță de 100 de picioare; sau altul care se deplasează 33 de kilograme la 1.000 de picioare într-un minut, toate exercită aceeași putere.

Termenul de putere înseamnă cantitatea de mușchi pe care o are un anumit motor, în timp ce energia indică cât de mult „lucru” efectuează motorul într-o anumită perioadă de timp.

1 KW = 1000 W = 1000J/s

Megawattul (MW) este unitatea prin care sunt adesea evaluate centralele electrice

1 MW = 1.000.000 W

o unitate de putere reprezentând puterea exercitată de un cal în tragere

Luați în considerare luarea unui cal de 1 cai putere și punerea acestuia pe o bandă de alergare pentru a acționa un generator.

Kilowatt-ora (kWh) este o unitate comercială de energie electrică. Este cantitatea de energie care rezultă din producția sau consumul constant de un kilowatt de energie pe o oră. Este echivalent cu 3,6 megajuli de energie sau 3412 BTU. Deși aceasta nu este o unitate de măsură standard pentru niciun sistem științific, este unitatea prin care se măsoară consumul electric în locuințe și întreprinderi.

Sugestii directe, comentarii și întrebări despre această pagină către Arlene Courtney
Ultima modificare pe 9 ianuarie 2020