- 1. Фізичні поняття про енергію.
- 1.1. Визначення?.
- 1.2. Форми енергії.
- 1.3. Закони термодинаміки.
- 1.4. Одиниці виміру.
- 2. Енергія в природних екосистемах.
- 3. Бібліографія.
1. Фізичні поняття про енергію.
1.1. Визначення.
У фізиці енергія визначається як здатність виконувати роботу. Коли одна система виконує роботу над іншою, енергія передається між двома системами.
Можна сказати, що енергія проявляється у виконанні роботи. Хорошим прикладом цього є робота, застосована до певної маси. Якщо його підняти, ми застосовуємо силу на певну відстань. Виконана робота зберігається у вигляді потенційної енергії в силу положення маси в гравітаційному полі Землі. У разі випуску маса падає, повертаючи накопичену енергію.
1.2. Форми енергії.
Способи подання енергії класифікуються на дві великі групи:
- Зовнішня або макроскопічна енергія.
- Внутрішня або мікроскопічна енергія.
Макроскопічна енергія може бути зумовлена двома причинами:
- Маса і швидкість певного тіла, з якого походить так звана кінетична енергія.
- Його положення в системі відліку, що породжує потенційну енергію.
Кінетична енергія обумовлена рухом, і для об'єкта маси m, що рухається по прямій з постійною швидкістю v, вона обчислюється за такою формулою:
E кінетична = 1/2 мв 2
Приклад проілюструє концепцію потенційної енергії. Планета Земля породжує гравітаційне поле, яке приваблює всі тіла. Вони мають потенціальну енергію як функцію їх взаємного розташування відносно земної поверхні, яка обчислюється за такою формулою: E потенціал = mgh, де m - маса тіла, g - прискорення сили тяжіння та h, його взаємне розташування відносно земної поверхні.
Сума обох енергій, кінетичної та потенціальної, називається механічною енергією:
Механічна енергія = Кінетична енергія + Потенційна енергія
Внутрішня або мікроскопічна енергія лежить у структурі речовини, у молекулах, атомах та частинках, що її складають.
Залежно від форми або фізичної системи, в якій вона проявляється, розглядаються різні форми енергії:
- Механічна енергія, пов'язана з рухом маси (кінетичною) або внаслідок того, що на цю масу діє сила, яка залежить від положення (потенціалу).
- Електрична енергія, пов’язана з потоком електричних зарядів або їх накопиченням.
- Електромагнітна енергія, що транспортується електромагнітними хвилями, і яку можна інтерпретувати як енергію, яку несе фотон, частинка, пов'язана з електромагнітними хвилями.
- Теплова енергія, яку можна розуміти як внутрішню кінетичну енергію частинок, атомів і молекул, що складають тіло. Вимірюється температурою. Тепло - це енергія, яка передається від одного тіла до іншого залежно від різної температури.
- Хімічна енергія, що зберігається у зв’язках між атомами, що складають різні молекули.
- Ядерна енергія, яка лежить в атомних ядрах.
- Нарешті, масова енергія міститься в кожній масі завдяки самому її існуванню. Ейнштейн встановив формулу в 1905 році: E = mc 2, яка визначає кількість енергії, яка залишається вільною, коли кількість маси m зникає, де константа c дорівнює 300000 км/с, що є швидкістю світла у вакуумі.
1.3. Закони термодинаміки.
Ми бачили, що енергія може трансформуватися з однієї форми в іншу різними способами. Накопичена потенційна енергія перетворюється на кінетичну енергію і навпаки. Хімічна енергія палива перетворюється в двигуні внутрішнього згоряння в теплову енергію, а потім в механічну. Електрична енергія зберігається у вигляді хімічної енергії в акумуляторі, тоді як електрична енергія може бути перетворена в механічну енергію в електродвигуні, щоб навести лише кілька прикладів.
Всі ці перетворення енергії визначаються двома законами, відомими як Принципи Термодинаміки, які обмежують їх і якими, викладеними простими способами, є:
- 1-й закон термодинаміки: енергія не створюється і не руйнується, вона може лише перетворюватися з однієї зі своїх форм в іншу. Іншими словами, загальна енергія Всесвіту постійна. Він також відомий як Закон збереження енергії.
- 2-й закон термодинаміки: енергія постійно деградує до теплової енергії. Іншими словами, при будь-якому перетворенні енергії ніколи не можна отримати 100% ефективності, оскільки частина неминуче руйнується і втрачається у вигляді тепла.
Обидва закони мають принципові наслідки для перетворень енергії. По-перше, Закон збереження енергії говорить нам, що щось не можна отримати бездарно; кількість енергії, отриманої в процесі, не може перевищувати вкладеної. Ми ніколи не можемо спроектувати та виготовити жоден людський пристрій, який виробляє більше енергії, ніж споживає.
З іншого боку, 2-й закон термодинаміки говорить нам, що якість енергії завжди прагне до менш корисної форми, що еквівалентно тому, що розлад у Всесвіті має тенденцію до зростання. Цей розлад пов’язаний з фізичним терміном, який називається ентропія. Ця тенденція до збільшення ентропії проявляється в тому, що без зовнішніх входів енергії системи прагнуть до більших безладів. Наприклад, людські творіння без належного обслуговування природним чином розпадаються та зникають, а не навпаки, відроджуються. Інший спосіб дивитись на це полягає в тому, що всі системи спонтанно прагнуть до найнижчої потенційної енергії, що означає відхід тепла назовні. Таким чином, вода завжди має тенденцію стікати вниз по схилу, природно.
Підводячи підсумки законів термодинаміки, вони говорять нам, що неможливо отримати більше енергії, ніж ми вклали в певний процес, і навіть, що кількість отриманої енергії завжди менше, ніж вкладена, оскільки, неминуче, частина форма тепла. Ми можемо досягти більшої віддачі від конверсії, але вони ніколи не можуть становити 100%.
1.4. Одиниці виміру.
Міжнародна система одиниць використовує джоуль (J) як одиницю виміру, тобто енергію, що виробляється силою ньютона при переміщенні його точки прикладання на один метр у тому ж напрямку та напрямку. У багатьох полях калорія (кал) традиційно використовується як одиниця енергії, яка визначається як кількість енергії, яку необхідно передавати на грам чистої води, щоб її температура переходила від 14,5 ° С до 15,5 ° С до постійний тиск 1 атмосфера.
1 кал = 4,18398 Дж
Одиниця виміру в СІ. - вата, і це потужність, яку виробляє або споживає будь-яка машина, яка споживає або виробляє один джоуль щосекунди.
Нарешті, в міжнародній торгівлі та статистиці використовуються інші заходи:
Тонна нафтового еквівалента (пальця ноги). Це кількість енергії, що виділяється при спалюванні тонни нафти. 1 палець ноги = 42 ГДж.
Еквівалентна тонна вугілля (тек). Так само, як вище. 1 тек = 28 ГДж.
Барель нафтового еквівалента (бое). Енергія, що виділяється при згорянні бареля нафти. 1 звуковий сигнал = 5,730 МДж.
2. Енергія в природних екосистемах.
Яким би витонченим і штучним не стало життя людських суспільств, його основу підтримують природні екосистеми. Наші запаси розташовані на вершині екологічної піраміди, в основі якої знаходиться енергія сонця, яка фіксується рослинами, а потім проходить через різних тварин, щоб дійти до кінця ланцюга до нас.
Екосистему можна визначити як сукупність декількох видів рослин, тварин та мікробів, що взаємодіють між собою та з навколишнім середовищем. Це насправді ізольована частина Природи для вивчення. Можна розглядати екосистему як складну термодинамічну систему, відкриту для навколишнього середовища. Він потребує енергії та матеріалів, які він бере з навколишнього середовища, а в свою чергу повертається до нього іншими способами.
В основі лежить енергія від Сонця, яку захоплюють зелені рослини (автотрофні організми), які використовують енергію світла в процесі фотосинтезу, для отримання вуглеводів (глюкози) з вуглекислого газу. Вуглецю та води, утворюючи кисень у процес:
Сонячна енергія
|
V
6 CO 2 + 6 H 2 O -----> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2
Енергія від електромагнітного випромінювання (світла) поглинається хлорофілом і зберігається як хімічна енергія в зв'язках молекул глюкози.
Глюкоза, що утворюється при фотосинтезі, відіграє в рослині три ролі:
а) Разом з азотом, фосфором, сіркою та іншими мінеральними поживними речовинами, що поглинаються з ґрунту та води, він використовується для утворення білків, вуглеводів тощо. що складають рослинний організм.
б) Синтез цих молекул та поглинання поживних речовин передбачає енергоспоживання, отримане клітинним диханням:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 -----> 6 CO 2 + 6 H 2 O
|
V
Енергія
в) Нарешті, частина глюкози зберігається у рослині для майбутніх потреб у вигляді крохмалю (вуглеводи) та олій (ліпідів).
У верхньому шарі піраміди знаходяться організми, яким доводиться харчуватися іншими, оскільки вони не здатні самостійно фіксувати енергію, як це роблять автотрофи, їх називають гетеротрофами. В першу чергу ми повинні розглянути організми, які харчуються виключно рослинами (фітофаги). Над ними розташовані організми, які харчуються іншими тваринами (хижими тваринами). Є також такі організми, як люди, які можуть харчуватися обома одночасно. На третьому місці - організми, які харчуються відходами, мертвими речовинами та трупами (детритиворами), і які у своїх найменших формах бактерії та гриби спричиняють зникнення органічної речовини та викид її компонентів у навколишнє середовище, що називається мінералізаторами.
Ми можемо спостерігати, як на кожному рівні організми живуть і розвиваються, забираючи енергію та матеріали, необхідні для їх розвитку, від інших організмів нижчого рівня. У процесі кожен організм поглинає велику кількість енергії, але зберігає відносно невелику кількість в ланцюгах своїх молекул. Як ми бачили раніше, згідно з 2-м законом термодинаміки, в результаті свого метаболізму вони повинні відмовитись, велика кількість енергії погіршує навколишнє середовище у вигляді тепла від клітинного дихання. Таким чином через екосистему проходить постійний потік енергії.
Дві важливі концепції управління - це біомаса та продуктивність. Перший визначається як маса живих організмів, виражена в масі сухої речовини, або як енергетичний еквівалент на одиницю площі (тонн/га або кілокалорій/м2). Продуктивність - це кількість живої речовини, виробленої за певний період біомасою.
3. Бібліографія
222 питання про енергію. [Мігель Баррачіна Лопес та ін. ]. Мадрид: Форум іспанської ядерної промисловості, 2001. Доступно в Інтернеті, у скороченій версії: http://www.foronuclear.org/faqs.jsp
ДЕЛЕАЖ, Жан Поль. Енергетика: міждисциплінарна тема екологічної освіти. Мадрид: MOPT, 1990. 209 с. ISBN 84-7433-679-1
НЕБЕЛЬ, Бернард Дж.; РАЙТ, Річард Т. Наука про довкілля: спосіб роботи світу. Лондон: Prentice-Hall International, 1996. XXI, 698 с. ISBN 0-1339-8124-X
ТІПЛЕР, Пол А. Фізика для науки і техніки. 4-е вид. Барселона: Реверте, 2003. 2 с. ISBN 84-291-4384-X
Останнє оновлення: 31.03.16 .
З будь-яких питань щодо сторінки чи її змісту звертайтесь до бібліотеки UNED