دانشکده ها | دانلود مقاله کتاب پاورپوینت پاسخ فعالیت ها تحقیق
دانشکده ها : دانلود مقاله ، کتاب ، تحقیق ، جزوه ، پاسخ فعالیت ها ، حل تمرین ، طرح درس ، پاورپوینت ، طرح تدبیر ، نمونه سوال امتحانی ، daneshkadeha

قانون حفظ انرژی : چرا ما نمی توانیم انرژی ایجاد کنیم یا از بین ببریم؟

حفظ انرژی

0

پنج موز را خاموش کنید و حدود یک ساعت انرژی کافی برای شنا خواهید داشت . دلیل این است که بدن شما یک ماشین پیچیده است که قادر است یک نوع انرژی (مواد غذایی) را به نوع دیگری (حرکت) تبدیل کند. اتومبیل می تواند همان ترفند را از بین ببرد. بسته به اینکه کدام یک از آن ها را بسازید و از آن استفاده کنید ، احتمالاً می دانید که کیلومترها یا مایل تا گالن این کار را انجام می دهد. به عبارت دیگر ، با استفاده از مقدار مشخصی از بنزین سرشار از انرژی ، می تواند شما را (و یک بار متوسط) مسافت معینی را در جاده منتقل کند. آنچه ما در اینجا داریم دو نمونه از ماشین آلات – بدن انسان و اتومبیل – که از مهمترین قوانین فیزیک پیروی می کنند: حفظ انرژی. به ساده ترین شکل نوشته شده ، می گوید که شما نمی توانید انرژی را ایجاد یا از بین ببرید ، اما می توانید آن را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل کنید. هر آنچه که در جهان اتفاق می افتد بسیار مطابق با این قانون اساسی است. اما چرا و به هر حال چه فایده ای دارد؟ بیایید نگاه دقیق تری داشته باشیم! با ما تا آخر انتهای این مقاله باشید.

عکس: ذخیره انرژی: در طبقه بالا قدم بزنید و هنگام رسیدن به بالاتر از آنچه در پایین بود ، انرژی بالقوه بیشتری داشته باشید – اما شما از هوای نازک انرژی ایجاد نکرده اید. ماهیچه های بدن شما باید در مقابل نیروی جاذبه کار کنند تا شما را به سمت بالا حرکت دهند و بدن در هنگام صعود انرژی خود را از دست می دهد. این انرژی است که بدن شما به عنوان انرژی بالقوه بازیابی می کند. موتور آسنکرون

حفظ انرژی چیست؟

 

اولین موردی که باید به آن توجه کنیم این است که قانون حفظ انرژی کاملاً متفاوت از صرفه جویی در مصرف انرژی است . صرفه جویی در مصرف انرژی به معنای صرفه جویی در مصرف انرژی از طریق مواردی مانند عایق بندی منزل یا استفاده از وسایل حمل و نقل عمومی است. به طور کلی باعث صرفه جویی در پول شما می شود و به سیاره کمک می کند. صرفه جویی در انرژی هیچ ارتباطی با صرفه جویی در مصرف انرژی ندارد: همه چیز مربوط به این است که انرژی از کجا می آید و به کجا می رود. موتور استرلینگ

قانون را به طور رسمی بنویسید و به نظر می رسد مانند این:

در یک سیستم بسته مقدار انرژی ثابت است. شما نمی توانید انرژی بیشتری را در داخل سیستم ایجاد کرده یا انرژی دیگری را که در آنجا موجود است نابود کنید. اما می توانید انرژی مورد نیاز خود را از یک فرم به فرم دیگر (و بعضی اوقات دوباره دوباره) تبدیل کنید.

“سیستم بسته” کمی شبیه به یک جعبه مهر و موم شده در اطراف هر چیزی است که ما در حال مطالعه هستیم: هیچ انرژی ای نمی تواند از درون داخل جعبه نشت کند (یا از خارج به جعبه معرفی شود).

چند روش ساده تر و آشناتر برای بیان انرژی و انرژی وجود دارد. “بدون درد ، فایده ای ندارد” معادل روزمره خشن است: اگر چیزی می خواهید ، باید برای آن کار کنید. “هیچ چیز به عنوان ناهار رایگان وجود ندارد” و “شما به طور رایگان چیزی دریافت نمی کنید” نمونه های دیگری هستند.

خانه ای به عنوان نمونه ای از سیستم انرژی بسته ، با تابش نور خورشید از بیرون به داخل خانه.

آثار هنری: این خانه نمونه ای از یک سیستم بسته است: انرژی موجود در داخل خط قرمز نقطه ای همانطور که هست می ماند یا به اشکال دیگر تبدیل می شود. ما به هیچ وجه نمی توانیم هیچ انرژی جدیدی را در خانه ایجاد کنیم و نمی توانیم بدون هیچ اثری انرژی داخل خانه را از بین ببریم ، اگرچه می توانیم آن را به اشکال دیگر تبدیل کنیم. پس اگر ناگهان یک اتاق خانه داغ تر شود ، چه اتفاقی می افتد؟ انرژی گرمایی که اتفاق می افتد باید از انرژی موجود در داخل خانه به شکلی متفاوت باشد (شاید این چوب در آتش است که برای آزاد کردن انرژی شیمیایی قفل شده در داخل آن سوخته است). اگر اینگونه نباشد ، ما یک سیستم بسته نداریم: گرمای “اضافی” باید از خارج وارد خانه شود (شاید تابش شدید نور خورشید از طریق پنجره).

نمونه هایی از صرفه جویی در حفظ انرژی

 

صرفه جویی در مصرف انرژی (و ایده “سیستم بسته”) کمی انتزاعی به نظر می رسد ، اما وقتی نمونه هایی از زندگی واقعی را در نظر می گیریم بسیار واضح تر می شود. استپر موتور

راندن یک خودرو

 

یک ماشین را با بنزین پر کنید و یک سیستم بسته داشته باشید. تمام انرژی شما در اختیار شما در داخل مخزن شما به شکل شیمیایی قفل می شود. وقتی گاز وارد موتور شما می شود ، با اکسیژن موجود در هوا می سوزد. انرژی شیمیایی موجود در گاز ابتدا به انرژی حرارتی تبدیل می شود : سوخت سوزان باعث ایجاد گاز در حال گسترش گرم می شود ، که پیستون ها را در سیلندرهای موتور فشار می دهد. به این ترتیب گرما به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. پیستونها میل لنگ ، چرخ دنده ها و میل محور و در نهایت چرخ های ماشین را چرخانده اند . با چرخش چرخ ها ، آنها وسیله نقلیه را در طول جاده سرعت می بخشند و به آن انرژی جنبشی (انرژی حرکت) می دهند.

اگر یک اتومبیل ۱۰۰ درصد کارآمد باشد ، تمام انرژی شیمیایی که در ابتدا درون بنزین قفل شده بود به انرژی جنبشی تبدیل می شود. متأسفانه در هر مرحله از این فرآیند انرژی تلف می شود. برخی از قطعات هنگام شکستن قطعات فلزی در برابر یکدیگر و گرم شدن ، در اثر اصطکاک از بین می روند. 

مقداری انرژی در اثر صدا از بین می رود (اتومبیل ها بسیار پر سر و صدا هستند. صدا نیز انرژی ای است که باید از جایی بدست بیاید) تمام انرژی تولید شده توسط اتومبیل شما را به پایین جاده منتقل نمی کند: باید خیلی زیاد علیه هوا فشار بیاورید (بنابراین گم می شود.

مقاومت هوا یا کشیدن) ، در حالی که برخی از آنها برای تأمین انرژی از قبیل چراغهای جلو ، تهویه هوا استفاده می شوند، و غیره با این وجود ، اگر انرژی خود را از ابتدا شروع کنید (در بنزین) اندازه گیری کنید و میزان انرژی خود را که با آن تمام می شوید و در راه از دست می دهید محاسبه کنید (همه چیز از انرژی جنبشی مفید و انرژی بی فایده از دست رفته در اصطکاک ، صدا ، مقاومت در برابر هوا و غیره) ، حساب انرژی را همیشه متعادل می کنید: انرژی که با آن شروع می کنید ، انرژی ای است که با آن به پایان می رسانید. موتور حرارتی

صرفه جویی در انرژی در عمل: انرژی شما در اتومبیل ، به عنوان سوخت ، دقیقاً با کار مفیدی که اتومبیل انجام می دهد ، به علاوه تلفات مختلف انرژی متعادل می شود.

آثار هنری: اتومبیل ها مانند هر چیز دیگر باید از قانون حفظ انرژی پیروی کنند. آنها انرژی سوخت موجود در سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند که شما را به سمت پایین حرکت می کند ، اما انرژی زیادی را در این فرایند هدر می دهد. اگر ۱۰۰ واحد انرژی را داخل یک ماشین قرار دهید (به شکل سوخت) ، فقط ۱۵ واحد یا به همین ترتیب شما را به سمت پایین حرکت می کنند. بقیه به عنوان تلفات گرما در موتور تلف می شوند (۷۴ درصد). تلفات انگلی (۶٪ ، ساختن برق ، برای مثال ، چراغهای جلو). و تلفات رانندگی (۵٪ ، ارسال نیرو به چرخ ها). از ۱۵ واحد مفید انرژی برای غلبه بر کشیدن (مقاومت هوا) ، اصطکاک (در ترمزها) و مقاومت در برابر نورد (در لاستیک) استفاده می شود. هر انرژی کمی که وارد خودرو می شویم باید به جایی برود ، بنابراین خروجی انرژی (۷۴٪ + ۶٪ + ۵٪ + ۱۵٪) باید همیشه دقیقاً به ورودی اصلی انرژی (۱۰۰٪) بیفزاید. ارقام مربوط به رانندگی در شهر ازاز کجا انرژی می رود ،

حال این تنها در صورتی صدق می کند که ماشین شما “یک سیستم بسته” باشد. اگر شما در مسیر مستقیم رانندگی می کنید و جاده ناگهان شروع به سرازیری می کند ، می توانید خیلی بیشتر از آنچه که می خواهید پیش بروید ، پیش بروید. آیا این امر موجب حفظ انرژی می شود؟ نه ، زیرا ما دیگر با یک سیستم بسته سر و کار نداریم. اتومبیل شما از بنزین موجود در مخزن خود انرژی جنبشی به دست می آورد ، اما به دلیل پایین آمدن آن ، انرژی جنبشی نیز به دست می آورد. این یک سیستم بسته نیست بنابراین حفاظت از انرژی دیگر اعمال نمی شود.

جوشاندن یک کتری

 

کتری برقی پلاستیکی سفید.

عکس: یک کتری برقی مانند این ، انرژی الکتریکی را به انرژی گرما تبدیل می کند. این برعکس فرآیندی است که در نیروگاهی که خانه شما را تأمین می کند اتفاق می افتد ، جایی که برق با استفاده از انرژی گرمایی که با سوختن سوختی مانند زغال سنگ ، روغن یا گاز تولید می شود ، تولید می شود.

با یک کتری برقی آب را بجوشانید و دوباره شاهد صرفه جویی در انرژی در محل کار هستید. انرژی الکتریکی حاصل از پریز برق روی دیواره شما به عنصر گرمایش در پایه کتری شما جریان می یابد . از آنجا که جریان از طریق عنصر جریان می یابد ، این عنصر به سرعت گرم می شود ، بنابراین انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی تبدیل می شود که به آب سرد اطراف آن منتقل می شود. بعد از چند دقیقه ، آب جوش می آید و (در صورت روشن بودن انرژی) شروع به چرخش به بخار می کند. چگونه حفاظت از انرژی در اینجا اعمال می شود؟ بیشتر انرژی الکتریکی که وارد کتری می شود به انرژی گرما در آب تبدیل می شود ، اگرچه برخی از آنها برای تأمین گرمای نهان تبخیر استفاده می شوند.(گرمای لازم برای دادن مایعات به مایعات برای تبدیل آنها به گازهایی مانند بخار). اگر کل انرژی الکتریکی “گم شده” با منبع برق و کل انرژی به دست آمده از آب را اضافه کنید ، باید بدانید که تقریباً دقیقاً یکسان هستند. چرا دقیقاً برابر نیستند؟ فقط به این دلیل که ما در اینجا سیستم بسته نداریم. برخی از انرژی اصلی به صدا تبدیل شده و به هدر می رود (کتری ها می توانند کاملاً پر سر و صدا باشند). کتری ها همچنین گرمای زیادی به محیط اطراف خود می دهند ، بنابراین این انرژی نیز هدر می رود. موتور القایی

هل دادن ماشین به سمت سربالایی

 

در دنیای روزمره ، “کار” کاری است که برای بدست آوردن پول انجام می دهید. در فیزیک ، کار معنای متفاوتی دارد. هنگامی که شما یک کار مفید را با یک نیرو (فشار یا فشار) انجام می دهید ، مانند حرکت ماشین با سربالایی ، ما می گوییم کار می کنید ، و این باعث انرژی می شود. اگر به سربالایی ماشین سوار شوید ، از پتانسیل بالای تپه انرژی بالقوه بیشتری نسبت به آنچه در انتها وجود دارد ، دارد. آیا شما با ایجاد انرژی بالقوه در خارج از هوای نازک ، موجب حفظ مصرف انرژی شده اید؟ The conservation of energy

 

نه! برای فشار دادن ماشین ، شما باید در مقابل نیروی گرانش کار کنید. بدن شما برای انجام کار باید از انرژی استفاده کند. بیشتر انرژی ای که بدن شما از آن استفاده می کند در هنگام حرکت به سمت ماشین شما به وسیله اتومبیل به دست می آید. انرژی ای که بدن شما از دست می دهد تقریباً برابر با کارهایی است که در برابر گرانش انجام می دهد. و انرژی ای که اتومبیل به دست می آورد همان کار انجام شده است. بنابراین هیچ انرژی ای در اینجا ایجاد و از بین نمی رود: شما به سادگی انرژی ذخیره شده به عنوان سوخت درون بدن خود را به انرژی بالقوه ذخیره شده توسط ماشین (به دلیل ارتفاع آن) تبدیل می کنید.

 

چه کسی باعث حفظ انرژی شد؟

 

چگونه می دانیم حفاظت از انرژی صحیح است؟ اول ، به نظر می رسد معقول است. اگر یک تخته سنگین را روی آتش بگذارید ممکن است برای یک ساعت بسوزد. اگر یک چوب دوم ، تقریباً به همان اندازه ، روی آتش بگذارید ، منطقی است که تصور کنید شما دو برابر گرما می گیرید یا آتش دو برابر بیشتر می سوزد. به همین معنا ، اگر پنج موز بتوانند انرژی یک ساعته بدن شما را تأمین کنند ، ده موز باید شما را به مدت دو ساعت دویدن حفظ کند – اگرچه ممکن است از یکدست کردن همه آنها به یکباره لذت نبرید! به عبارت دیگر ، انرژی موجود در آن (سیاهههای مربوط به آتش یا موزهایی که می خورید) برابر با انرژی خارج شده است (گرمای حاصل از سوختن سیاهههای مربوط به انرژی یا انرژی شما با خوردن موز به دست می آید).

آزمایش جیمز پرستوت ژول برای نشان دادن معادل مکانیکی گرما و قانون حفظ انرژی.

عکس: معادل مکانیکی گرما: در آزمایش معروف جیمز پرسکات ژول ، یک وزن افت (۱) روی طنابی می رود که از روی قرقره عبور می کند (۲). طناب یک محور (۳) می چرخد ​​که یک واگن را درون یک ظرف آب بسته شده تبدیل می کند (۴). با چرخیدن دست و پا ، آب گرم می شود. ژول ثابت کرد که انرژی حرارتی حاصل از آب دقیقاً برابر با انرژی بالقوه از دست رفته در وزن است.

” … مقدار گرمای تولید شده توسط اصطکاک اجسام ، چه جامد یا مایع ، همیشه متناسب با مقدار نیرویی است که صرف می شود. 

جیمز پرسکات ژول ، معادل مکانیکی گرما ، ۱۸۴۵٫

حدس معقول خردل را کاملا در علم خرد نمی کند. واقعاً ، باید اطمینان داشته باشیم که انرژی شروع شده در یک سیستم بسته ، همان انرژی است که در آخر به آن خواهیم رسید. پس چگونه این را می دانیم؟ یکی از اولین افرادی که قانون حفاظت از انرژی را به طور آزمایشی تأیید کرد ، فیزیکدان انگلیسی جیمز پرسکات ژول بود (۱۸۱۸-۱۸۱۸) ، که از دستگاه هوشمندانه ای استفاده کرد تا آنچه را او “معادل مکانیکی گرما” نامید ، پیدا کند. او از وزنی در حال سقوط استفاده می کرد تا یک چرخ دستی بزرگ در محفظه آب بسته شود.

 او انرژی بالقوه وزن (انرژی مورد نیاز خود را به دلیل ارتفاع بالای زمین) محاسبه کرد و استدلال کرد که با کاهش وزن ، تقریباً تمام انرژی خود را به انرژی جنبشی در چرخ دنده انتقال می دهد. با چرخیدن چرخ دستی ، آب را درون ظرف بریزید و آن را با مقدار کمی اما قابل توجه گرم کنید. اکنون می دانیم که چقدر انرژی لازم برای گرم کردن جرم معینی از آب توسط درجه معینی از درجه ، بنابراین ژول قادر به دانستن چقدر انرژی آب به دست آورده است. با کمال خوشحالی او دریافت که این رقم دقیقاً با انرژی از دست رفته در اثر افتادن وزن مطابقت دارد. ژول ژول ) برای او نامگذاری شد.

ژول بر اساس کارهای قبلی فیزیکدان انگلیسی-آمریکایی بنیامین تامپسون (۱۷۵۳-۱۸۱۴) ، همچنین به عنوان Count Rumford معروف شد. رامفورد در حین کار در یک کارخانه توپخانه آلمان ، خاطرنشان کرد که در هنگام حفاری بشکه های توپ داغ می شوند. او به سرعت فهمید که گرما خاصیت جادویی فلز نیست (همانطور که بسیاری افراد تصور می کردند) بلکه از فرآیند مکانیکی و اصطکاک حفاری ناشی می شود: هرچه بیشتر حفاری کنید ، این فلز داغ تر می شود. محاسبات ساده رامفورد نتیجه هایی را به وجود آورد که به گفته ژول “بسیار متفاوت از آنچه من از آزمایش های خودم نتیجه گرفته ام نیست”. این یک نشانه بود که هر دو مرد در مسیر درست قرار داشتند.

 

چرا دستگاه های حرکتی دائمی هرگز کار نمی کنند

 

یک دستگاه حرکت دائمی است که با استفاده از پیچ آب و پیچ ارشمیدس آب را به صورت بی سیم چرخه می دهد

در قرن نوزدهم ، مخترعین شارلاتان گاه به گاه ماشینهای معجزه آسایی ظاهر می شدند که به نظر می رسید قادر به رانندگی خود برای همیشه هستند. اختراعاتی از این دست ماشینهای حرکت دائمی نامیده می شوند : به نظر می رسد آنها قادر به حرکت برای همیشه هستند بدون اینکه کسی انرژی بیشتری بخورد. اغلب ماشین آلات مانند این کار ترفندهای آشکار بودند: مکانیسم ها توسط یک دستیار پنهان کار می کردند که در سایه ها می چرخید و یک دسته پنهان می چرخید! برخی از ماشین آلات به نظر می رسد قابل قبول است ، اما متأسفانه همه آنها از پس انداز انرژی صرفه جویی می شوند.

در یک نسخه از حرکت دائمی ، که در اینجا نشان داده شده است ، آب (۱) بر روی یک واترچل می چرخد ​​، و آن را به اطراف می چرخاند (۲). چرخ چرخش چرخ دنده ها (۳) را که دارای پیچ Archimedes هستند ، هدایت می کند، که آب را از بالا به بالا می کشد ، از نظر تئوری اجازه می دهد که کل چرخه خود را برای همیشه تکرار کند. اگرچه ممکن است فکر کنید با حرکت آب در حال بازیافت است ، اما همواره از بین می رود. آب در بالای انرژی دارای انرژی بالقوه ای است و در واقع می تواند به هنگام ریزش آن ، آب حامل آب را هدایت کند. اما با چرخش چرخ مقداری انرژی در اثر اصطکاک از بین می رود. انرژی بیشتری در اثر اصطکاک در چرخ دنده ها و پیچ از بین می رود. بنابراین بین آنها چرخ ، چرخ دنده و پیچ به اندازه انرژی بالقوه آبی که در ابتدا از دست داده است ، به اندازه انرژی نخواهند داشت. این بدان معنی است که پیچ نمی تواند به همان اندازه آب به حمام برگرداند که در ابتدا از آن سقوط کرده است – بنابراین دستگاه خیلی سریع متوقف می شود.

اطلاعات بیشتر در حفظ انرژی

 

  • موزه دستگاههای غیرقابل کار: وب سایتی عالی در مورد ماشینهای حرکتی مداوم (و دستگاههای غیرقابل کار مشابه) که توسط دونالد ا. سیمانک ، استاد پیشین فیزیک در دانشگاه لاکهاون تهیه شده است.

 

در مورد حفظ جرم چطور؟

 

به نظر می رسد که واکنشهای هسته ای باعث ایجاد انرژی از هر چیزی نمی شوند که اتمها را شکسته و یا به هم بپیوندند. آیا آنها باعث حفظ مصرف انرژی می شوند؟ نه!

معادله معروف آلبرت انیشتین E = mc ۲ نشان می دهد که انرژی و جرم اشکال مختلف یک چیز هستند. به طور آزادانه می توانید مقدار کمی از جرم را به مقدار زیادی انرژی تبدیل کنید (مانند نیروگاه هسته ای ، جایی که اتم های بزرگاز هم جدا شده و انرژی را در این فرآیند هدر می دهیم). معادله انیشتین به ما نشان می دهد که ما گاهی اوقات نیاز داریم که در صرفه جویی انرژی صرفه جویی کنیم. 

در یک واکنش هسته ای ، ما با یک مجموعه از اتم ها (مقدار مشخصی از انرژی به شکل جرم) شروع می کنیم و به مجموعه متفاوتی از اتم ها (مقدار متفاوتی از انرژی که در جرم آنها قفل شده است) ختم می شویم. حرارت. 

اگر در جرم اتمها قبل و بعد از واکنش ، به علاوه انرژی آزاد شده در فرایند ، عامل داشته باشیم ، می فهمیم که صرفه جویی در حفظ انرژی دقیقاً رضایت دارد. از آنجا که جرم نوعی انرژی است ، واضح است که ما نمی توانیم جرم را نابود کنیم یا از هیچ چیز به همان روشی که نمی توانیم انرژی ایجاد کنیم یا از بین ببریم ، ایجاد کنیم. گاهی اوقات این امر را به عنوان حفاظت از انبوه می بینید .

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.