Energia säästmine

Originaal artikkel: https://faculty.wcas.northwestern.edu/infocom/Ideas/energy.html

Esimene asi, mida peame tegema, on määratleda oma tingimused. Jõud, energia ja võim on kõik üksteisega seotud väga spetsiifilisel viisil. Pidades meeles, et kiirendus on defineeritud kui kiiruse muutumise kiirus või a = v / t, saame järgmise tabeli:

Või sõnadega öeldes: energia on jõud, mis toimib läbi kauguse, ja võimsus on sekundis kulutatud energia. Džaul on energia hulk, mis on vajalik ühe njuutoni suuruse jõu avaldamiseks läbi ühe meetri. Näiteks kui tõstate ühekilose raskuse ühe meetri, siis energiat peate kulutama:

E = Fd = (ma)d = mgd = (1 kg) (9,8 m/s 2 ) (1 m) = 9,8 kg m 2 /s 2 = 9,8 džauli.

Alternatiivne energia definitsioon, kalorid, on defineeritud kui soojusenergia kogus, mis on vajalik 1 grammi vee temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra. (Oli aeg, mil inimesed ei mõistnud, et soojusenergia ja mehaaniline energia on tegelikult üks ja sama, nii et nad lõid nende jaoks eraldi määratlused.) Termodünaamilised mõõtmised näitavad, et üks kalor = 4,186 džauli.

Muide – toiduenergia mõõtmisel tavaliselt kasutatav "kalor" on tegelikult kilokalor ehk lühendatult Kcal. Üks Kcal = 1000 cal = 4168 džauli. Näiteks sisaldab 200 kalorit sisaldav Hostess Twinkie 200 X 4168 = 833 600 džauli ehk piisavalt energiat, et tõsta 100-kilose kaalu poole miili kaugusele! (Nüüd teate, miks Twinkies ei peeta tavaliselt dieettoiduks.)

Selle asemel, et kasutada džauli, kasutatakse elektritööstuses tavaliselt energiaühikuna "kilovatt-tundi". (Kw-hr EI OLE võimsuse ühik. Vaatamata sellele, et selle nimes on võimsustermin "vatt", on kw-hr energia ühik. Kuna võimsus = energia / aeg , on tõsi ka see, et energia = võimsus X aeg .) Kw-hr on elektritööstuses mugav suurus, sest see on energiaekvivalendina ühe kilovatise seadme ühe tunni jooksul töötamisele. Kilovatt-tunni teisendamine džaulideks on lihtsalt:

kilovatt-tund = (1000 J/s)(1 h) X (60 min/h)(60 sek/min) = 3 600 000 J

Võõrenergia salapärane vorm?

Energia vormid

Energia on salapärane kontseptsioon, muu hulgas seetõttu, et sellel on palju erinevaid kujundeid. Siin on loetelu tavalistest vormidest:

kineetiline energia – liikuvate kehade energia. Kineetilise energia valem on järgmine:

E = ½ mv 2

elastsusenergia – venitatud või pingutatud materjalides sisalduv energia. Kummipaelad, vedrud, kõik, millel on pinge jne. Lihtsa vedru puhul on elastse energia valem järgmine:

E = ½ K(x - x 0 )2

kus K = vedru konstant (N/m ühikud), x 0 = vedru tasakaaluasend ja x = kaugus, mille jooksul vedru on venitatud või kokku surutud.

soojusenergia – tuntud ka kui soojus. See on enam-vähem kineetilise energia ja elastse energia erijuht, sest see, mida me nimetame soojusenergiaks, koosneb paljude aatomite energiast. Gaasi puhul, kus molekulid liiguvad vabalt, saab keskmist kineetilist energiat molekuli kohta seostada absoluutse temperatuuriga järgmiselt:

½ mv 2 = 3 / 2 k B T

kus m = gaasimolekuli mass (oletame, et gaas sisaldab ainult ühte tüüpi molekule), v = molekulide keskmine kiirus, k B = Boltzmanni konstant = 1,38 X 10 -23 J/K° ja T = temperatuur K°-des.

Tahke või vedeliku massiga m korral saab soojusenergia muutust seostada temperatuurimuutusega järgmiselt:

dQ = mc dT

kus dQ = soojuse muutus, c on erisoojusmaht cal/gm K° ja dT = temperatuuri muutus (kas C° või K°).

keemiline energia – energia, mis on seotud aatomisidemete katkemise või loomisega, st keemiliste muundumisega.

latentne soojus – tahkete ainete sulatamiseks või vedelike keetmiseks vajalik energia. See energia sarnaneb mõnevõrra keemilise energiaga, kuna see on energia, mis on seotud molekulaarsete sidemete purunemise või loomisega, mitte aatomisidemetega . Tahke aine sulatamiseks või vedeliku keetmiseks vajalik koguenergia (soojus) on vaid Q = ml, kus m on vedeliku või tahke aine mass ja L on varjatud soojustegur (antud kas J või cal kilogrammi kohta). sulamine või keemine.

gravitatsiooni potentsiaalne energia – energia, mille kehad omandavad või kaotavad, kui nad liiguvad gravitatsiooniväljas. Maale väga lähedal asuvate objektide jaoks on gravitatsioonipotentsiaalne energia antud valemiga E = mgh, kus m on objekti mass, g on gravitatsioonikiirendus (9,8 m/s 2 ) ja h on kõrgus, milleni objekt on . tõstetud.

elektromagnetiline energia – elektromagnetväljades sisalduv energia. Tavalisteks näideteks on majapidamiselekter, magnetit ümbritsev väli ja staatiline elekter. Kodumajapidamises kasutatava elektri puhul on vooluringi poolt hajutatud energia E = IVt, kus I on vool (amprites), V on pinge ja t on voolu kulgemise aeg (sekundites).

kiirgav energia – raadiolainete, mikrolainete, infrapunavalguse, nähtava valguse, UV-valguse, röntgeni- ja gammakiirguse energia. Kõik annab mingil määral kiirgavat energiat. Mis tahes objekti poolt kiirgusenergiana eraldatud energia koguhulk on ligikaudu:

E = SA(T - T 0 ) 4

kus S = Stefan-Boltzmanni konstant = 5,67 X 10 -8 W/m 2 °K 4

A = objekti pindala

T = objekti absoluutne temperatuur

T 0 = objekti ümbruse absoluutne temperatuur

Ülaltoodud valem töötab ainult siis, kui T on suurem kui T 0 ; vastasel juhul neelab objekt ümbritsevast kiirgusenergiat, kuna soojus liigub alati kuumast külma.

tuumaenergia – radioaktiivsuse ja tuuma vastasmõjuga seotud energia. Seda kvantifitseeritakse lihtsa, kuid sügava valemiga E = mc 2 , mis ütleb meile, et mass ise on vaid üks energia vorm.

Ajalooliselt mõistsid füüsikud alles umbes 1800. aastate keskpaigas, et kõiki energiavorme saab üksteiseks muundada. Soojusenergia arvati olevat teatud vedelik, mida nimetati "kaloriks", mis voolas ühest kohast teise nagu vesi. Kineetilist energiat peeti täiesti eraldiseisvaks asjaks (ja seda aeti sageli segi lineaarse impulsiga). Valgus.... inimesed ei olnud päris kindlad isegi mis valgus on, ükskõik kuidas see energiaküsimusega sobis.

1798. aastal demonstreeris krahv Rumford, et soojuse kaloriteooria peab olema vale. Rumford vastutas Preisi sõjaväelaste suurtükkide väljapuurimise eest ja ta oli märganud, et kahurite igavlemisel jahutamiseks vajalik vesi soojendati jätkuvalt ka pärast seda, kui puuriotsad olid muutunud nii nüriks, et need ei torganud sisse. enam metalli. Kaloriteooria ütles, et metalli puurimine pressib väikestest laastudest välja kalorivedeliku, mistõttu kahurid läksid kuumaks – kuid Rumford mõistis, et see seletus oli võimatu. Ta korraldas avaliku demonstratsiooni, kus nüri vardaid keerutati tundide kaupa vastu lamedat metalli, tekitades lõpuks nii palju soojust, et jahutusvesi hakkas keema – kuid laastud ei tekkinud. Rumford väitis, et ainuüksi liikumisest piisas soojuse tekitamiseks, st

James Joule mõõtis mehaanilise ja soojusenergia samaväärsust 1843. aastal (st tegi kindlaks, et üks cal = 4,186 J), uurides, kui palju kõrgelt isoleeritud kalorimeetrites olevat vett kuumutati, kui seda segati langevate raskuste poolt juhitavate labade abil. Tema katse põhiidee on näidatud paremal. 1847. aastal kuulutas Hermann Helmholtz selle katse ja muude kaalutluste põhjal välja energiasäästu põhimõtte. Lühidalt öeldes:

Energiat hoitakse kokku

Kõik erinevad energiavormid (nagu need, mis on loetletud eespool) võivad muutuda üksteiseks või kanduda ühest kohast teise, kuid koguenergia universumis jääb alati samaks. Lubage mul ennast korrata, sest see on füüsika üks olulisemaid põhimõtteid:

Universumi koguenergia on konstantne.

Energiat ei saa kunagi luua ega hävitada.

Energiat saab ainult liigutada või muundada.

Energia on emakese looduse raha ekvivalent. Kõik, mida soovite teha (üle ruumi kõndida? stereo sisse lülitada? pesapalli visata? seifi õhku lasta?) nõuab energiaraha. Saate seda kulutada nii, nagu soovite, kuid kui kulutate, võidab see midagi muud. Emakeses looduses pole kasumit ega kahjumit. Erinevalt föderaalvalitsuse prinditavast paberist on energiaraha hävimatu ja seda ei saa võltsida.

Siiski on ühelt valuutalt teisele üleminek üsna lihtne. Lihtsalt vaadake oma autot. Kõigepealt muundatakse Päikese tuumaenergia kiirguselektromagnetenergiaks, seejärel muudavad taimed Maal kiirgusenergia keemiliseks energiaks (õliks), seejärel käivitate auto ja muundate selle kineetiliseks energiaks ning lõpuks vajutate pidurit, mis kasutab hõõrdumist. kineetilise energia muundamiseks soojuseks.

Inimene ammutab oma energia enamasti Päikeselt. Taimed neelavad päikesevalguse ja muutuvad orgaanilisteks molekulideks, st muundavad kiirgusenergia keemiliseks energiaks. Kui kuulete treeninggurusid "kalorite põletamisest" rääkimas, on see täpselt õige. Inimesed muudavad söödud keemilise energia kehasoojuseks ja kineetiliseks energiaks, põletades sõna otseses mõttes suhkruid, süsivesikuid ja rasvu.

Naljakas – nad määravad toiduainete kalorisisalduse, pannes need isoleeritud ahjudesse ja süüdates toidu. Pärast seda, kui toit on kõrvetatud peeneks mustaks tuhaks, mõõdavad nad ahju üldist temperatuuri. Kuna nad teavad täpselt, kui palju energiat nad toidu põletamiseks ahju sisestasid, võib igasugune täiendav temperatuuri tõus tuleneda ainult põlevast toidust endast. See on täiesti sobiv viis mõõtmiseks, kuigi inimkeha (nagu olete märganud) ei põleta oma kaloreid ühes kontrollimatus põlengus. Pigem tekitab see soojust miljonite väikeste molekulisuuruste "tulekahjude" kaudu, mis levivad kogu kehas.

Kuid igal juhul vabastate sama palju energiat. Kujutage ette, et soojendate veepudelit seestpoolt miljonite pisikeste sädemete kaudu, mis vee sees vilksatavad, ja teil on üsna hea pilt sellest, kuidas inimesed säilitavad oma kehasoojust ilma, et nad põletaksid toitu ühes tules, nagu nad teevad kalorisisalduse mõõtmisel.

Suurema osa meie ühiskonna energiavajadusest katab gaas, nafta ja kivisüsi. Need on tugevalt kokkupressitud ja keemiliselt kääritatud metsajäänused, mis kasvasid miljoneid aastaid tagasi. (Gaas ja nafta on tegelikult kivistunud päikesevalgus.) Paljud muud energialiigid, nagu hüdro- ja tuuleenergia, pärinevad samuti Päikesest, sest päikeseküte on see, mis juhib ilma ja tekitab vihma. mis täidavad hüdroelektrijaama tammid. Tegelikult on ainsad Maal kasutatavad energialiigid, mis ei tule Päikeselt, geotermiline energia, tuumaenergia ja hüdroelektrienergia, mida toodavad pigem looded kui sademed. Kõik need kokku moodustavad vaid tühise killu inimkonna kogu energiakasutusest.