Энергия, работа, мощность, единицы измерения. Закон сохранения энергии

метки: Энергия, Работа, Мощность, Кинетический, Потенциальный, Изменение, Понятие, Взаимодействие

Существует экспериментальный факт: вечное движение механических устройств и машин невозможно.

Недопустимость вечного движения говорит о том, что есть некая физическая величина, сохраняющаяся со временем.

Эта величина в физике получила название энергии. Энергия — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает, она может переходить из одной формы в другую — закон сохранения энергии.

Этот закон налагает строгие ограничения на возможности преобразования и использования энергии.

Закон сохранения энергии для механических процессов установлен Лейбницем в 1686 г., для немеханических явлений Майером в 1845 г., Джоулем в 1843 и Гельмгольцем в 1847.

1.Работа

Сила, действующая на движущееся тело, совершает над ним работу.

Количественно совершаемая силой работа равна произведению составляющей силы в направлении движения на пройденное расстояние.

Например, на рис. 1 человек перемещает санки с детьми на расстояние r, прилагая к веревке постоянную силу F. Работа, которую производит человек над санками, равна: A = F _r ×r.

Работа равна произведению F _r ×r, а не F, где F_r – составляющая полной силы F в направлении r. Поскольку F_r = Fcosα, приведенное выше выражение можно записать в виде:

A = Frcosα.

r

a

F

Рис. 1

В механике работа служит мерой передачи движения от одного тела к другому, или мерой перехода энергии от одного тела к другому.

Когда сила действует на движущееся тело и направление силы и скорости движения совпадают, то работу силы считают положительной.

Если же направление силы и перемещение тела противоположны, то работа силы считается отрицательной.

Работа и энергия измеряются в СИ в единицах произведения силы на расстояние, т.е. в ньютонах на метр (Н×м)

Эта единица нашла довольно широкое употребление и называется джоулем (Дж).

В атомной и ядерной физике в качестве единицы измерения энергии широко используется электроновольт (эВ):

1 эВ = 1,6×10 ^-19 Дж.

2. Мощность

Часто имеет значение быстрота, с которой совершается работа. Скажем, на практике важно знать, какую работу сможет выполнить данное устройство за фиксированное время.

Курсовая работа сила трения в науке и технике

... на вопрос: зависит ли сила трения скольжения от величины площади соприкасающихся в движении тел? Механики того времени были глубоко убеждены, что чем больше площадь касания, тем больше сила трения. ... имена, но были еще рядовые труженики науки. Все ученые, участвовавшие в этих исследованиях, ставили опыты, в которых совершалась работа по преодолению силы трения. Историческая справка Шел 1500 год . ...

Так, экскаватор способен выкопать котлован под фундамент дома за сутки.

Человек на ту же работу будет вынужден затратить год.

Иными словами, мощность – величина, характеризующая скорость совершения работы.

Мощность N есть отношение работы A ко времени t, за которое эта работа совершена:

N=A/t

Мощность измеряется в ваттах (Вт).

1 Вт=1Дж/с, то есть 1 Вт – это такая мощность, при которой работа в 1 Дж совершается за 1 с.

Также есть другая формула расчета мощности:

N=FVcosα

3. Кинетическая энергия тела.

Движущееся тело представляет собой самую простейшую форму движения материи.

Мерой величины этого движения является кинетическая энергия.

Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v, равна

K = mv ² /2.

Размерность кинетической энергии совпадает с размерностью работы (Дж)

Теорема о кинетической энергии: Изменение кинетической энергии тела (материальной точки) равно работе, совершенной приложенными к телу внешними силами за рассматриваемый промежуток времени.

Если работа внешних сил положительна, то кинетическая энергия увеличивается (тело разгоняется)

Если работа внешних сил отрицательна, то кинетическая энергия уменьшается (тело замедляет движение) Пример – торможение под действием силы трения, работа которой отрицательна.

4. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли).

Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными.

Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю.

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Работа силы тяжести

Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh, взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести

E _р = mgh.

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком. A = –(Eр2 – Eр1).

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину:

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x1, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Курсовая работа разработка салона красоты

... оказываться на современном оборудовании с высококачественными материалами. Салон красоты имеет лучших высококачественных специалистов, полных сил к работе и новых идей. Компания имеет надежных поставщиков ... маникюр в компьютерной программе. Благодаря таким новинкам салон сможет быстро развиваться и вытеснять потенциальных конкурентов. Салон красоты «Леди шарм» оказывает своим клиентам следующие ...

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой посредством сил упругости.

Свойством консервативности наряду с силой тяжести и силой упругости обладают некоторые другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия между заряженными телами. Сила трения не обладает этим свойством. Работа силы трения зависит от пройденного пути. Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

5. Закон сохранения полной механической энергии

Закон сохранения энергии – один из центральных Закон физики и техники.

Этот закон налагает строгие ограничения на возможности извлечения энергии и её преобразования из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии запрещает существование вечных двигателей.

Согласно этому закону, сумма кинетической и потенциальной энергий всех тел в любой замкнутой консервативной системе остается постоянной.

Под замкнутой мы понимаем систему, в которой отсутствуют любые внешние силы.

Консервативность означает, что все силы взаимодействия в системе консервативны.

6. Энергия в биологии

Химическая энергия – одна из форм потенциальной энергии. В процессе образования молекул межатомные силы притяжения совершают работу, и высвобождается энергия в виде тепла.

В живых организмах источниками химической энергии служат углеводы (соединений углерода с водородом).

Соединяясь с кислородом, углеводы образуют Н2О и СО2 с высвобождением энергии.

Количество высвобождающейся энергии составляет 20000 Дж на 1 г углеводов. Почти вдвое больше химической энергии на 1 г запасено в жире животных.

Организм человека может совершать в единицу времени механическую работу около 100 Вт.

Даже во время сна лишь для поддержания нормальных функций организма у взрослого человека «топливо» сгорает со скоростью 80 Вт.

Эта величина называется основной скоростью обмена веществ. Такую же мощность потребляет электрическая лампочка средней величины.

В бодрствующем состоянии, например на лекции по физике, студент расходует около 150 Вт, в том числе: 80 Вт плюс около 40 Вт затрачиваются на работу мозга и 15 Вт на работу сердца.

При умеренных физических нагрузках, например, во время езды на велосипеде или во время плавания человек затрачивает около 500 Вт.

Более тяжелые нагрузки, например игра в баскетбол, футбол требуют затраты до 700 Вт.

Задача.

Подсчитаем, насколько хватит 450 г жира для поддержания умеренных нагрузок (500 Вт).

Иными словами, сколько времени должен выполнять физические упражнения человек с избытком веса, чтобы избавиться от 450 г жира?

Решение:

В одном грамме жира как «топливе» запасено около 40000 Дж энергии. Таким образом, 450 г жира имеют энергию Е = 18*10 ⁶ Дж.

Мощность Р связана с энергией соотношением Р = E/t, отсюда находим:

Проделывая в течение 10 ч физические упражнения, можно сбросить 450 г жира, но при этом появляется сильный аппетит.