• 1. Физически концепции за енергията.
  • 1.1. Определение?.
  • 1.2. Формите на енергия.
  • 1.3. Законите на термодинамиката.
  • 1.4. Мерни единици.
  • 2. Енергия в природните екосистеми.
  • 3. Библиография.

потенциална енергия

1. Физически понятия за енергията.

1.1. Определение.

Във физиката енергията се определя като способност за работа. Когато една система изпълнява работа върху друга, енергията се прехвърля между двете системи.

Може да се каже, че енергията се проявява в изпълнението на работата. Добър пример за това е работата, приложена към определена маса. Ако го вдигнем, прилагаме сила за определено разстояние. Извършената работа се съхранява под формата на потенциална енергия по силата на положението на масата в гравитационното поле на Земята. Ако се освободи, масата пада, връщайки съхранената енергия.

1.2. Формите на енергия.

Начините, по които може да се представи енергията, се класифицират в две големи групи:

  • Външна или макроскопична енергия.
  • Вътрешна или микроскопична енергия.

Макроскопичната енергия може да се дължи на две причини:

  • Масата и скоростта на определено тяло, от което произхожда така наречената кинетична енергия.
  • Положението му в референтна рамка, което поражда потенциалната енергия.

Кинетичната енергия се дължи на движение и за обект с маса m, движещ се по права линия с постоянна скорост v, тя се изчислява по следната формула:

E кинетика = 1/2 mv 2

Един пример ще илюстрира концепцията за потенциална енергия. Планетата Земя генерира гравитационно поле, което привлича всички тела. Те имат потенциална енергия като функция от относителното им положение по отношение на земната повърхност, което се изчислява по следната формула: E потенциал = mgh, където m е масата на тялото, g е ускорението на гравитацията и h, относителното му положение по отношение на земната повърхност.

Сумата от двете енергии, кинетична и потенциална, се нарича механична енергия:

Механична енергия = Кинетична енергия + Потенциална енергия

Вътрешната или микроскопичната енергия се крие в структурата на материята, в молекулите, атомите и частиците, които я изграждат.

В зависимост от формата или физическата система, в която се проявява, се разглеждат различни форми на енергия:

  • Механична енергия, свързана с движението на маса (кинетична) или поради факта, че сила, зависима от положението (потенциала), действа върху споменатата маса.
  • Електрическа енергия, свързана с потока на електрически заряди или тяхното натрупване.
  • Електромагнитна енергия, транспортирана от електромагнитни вълни и която може да се тълкува като енергия, носена от фотона, частицата, свързана с електромагнитните вълни.
  • Топлинна енергия, която може да се разбира като вътрешна кинетична енергия на частиците, атомите и молекулите, които изграждат тяло. Измерва се чрез температура. Топлината е енергията, която се прехвърля от едно тяло в друго въз основа на различните им температури.
  • Химическа енергия, съхранявана в връзките между атомите, изграждащи различните молекули.
  • Ядрена енергия, която се намира в атомните ядра.
  • И накрая, масова енергия се съдържа във всяка маса по силата на нейното съществуване. През 1905 г. Айнщайн установява формулата: E = mc 2, която определя количеството енергия, което остава свободно, когато количество маса m изчезне, където константата c е равна на 300 000 km/s, което е скоростта на светлината във вакуума.

1.3. Законите на термодинамиката.

Видяхме, че енергията може да се трансформира от една форма в друга по много начини. Натрупаната потенциална енергия се трансформира в кинетична енергия и обратно. Химическата енергия на горивото се трансформира в двигател с вътрешно горене в топлинна енергия и след това в механична енергия. Електрическата енергия се съхранява под формата на химическа енергия в батерия, докато електрическата енергия може да се превърне в механична енергия в електрически двигател, за да дадем само няколко примера.

Всички тези енергийни преобразувания се определят от два закона, известни като Принципи на термодинамиката, които ги ограничават и които, посочени по прост начин, са:

  • 1-ви закон на термодинамиката: енергията нито се създава, нито се унищожава, тя може само да се трансформира от една от нейните форми в друга. С други думи, общата енергия на Вселената е постоянна. Известен е още като Закон за опазване на енергията.
  • 2-ри закон на термодинамиката: енергията непрекъснато се разгражда до топлинна енергия. С други думи, при всяко преобразуване на енергия никога не може да се постигне 100% ефективност, тъй като част неизбежно се влошава и се губи под формата на топлина.

И двата закона имат фундаментални последици върху енергийните трансформации. Първо, Законът за опазване на енергията ни казва, че не можете да получите нещо за нищо; количеството енергия, получено в процеса, не може да надвишава вложеното. Никога не можем да проектираме и произведем нито едно човешко устройство, което произвежда повече енергия, отколкото консумира.

От друга страна, 2-ри закон на термодинамиката ни казва, че качеството на енергията винаги клони към по-малко полезна форма, която е еквивалентна на факта, че разстройството във Вселената има тенденция да расте. Това разстройство е свързано с физически термин, наречен ентропия. Тази тенденция към увеличаване на ентропията се проявява в това, че без външни енергийни входове системите са склонни към по-голямо разстройство. Например, човешките творения без подходяща поддръжка естествено са склонни да се разпадат и изчезнат, а не обратно, да се регенерират. Друг начин да се разглежда това е, че всички системи спонтанно се стремят към най-ниската потенциална енергия, което предполага изоставяне на топлината навън. По този начин водата винаги има тенденция да тече по склона, естествено.

Обобщавайки законите на термодинамиката, те ни казват, че е невъзможно да се получи повече енергия, отколкото сме инвестирали в определен процес, и дори, че количеството на получената енергия винаги е по-малко от това, което е вложено, защото неизбежно една част в форма на топлина. Може да постигнем по-висока възвръщаемост на конверсията, но те никога не могат да бъдат 100%.

1.4. Мерни единици.

Международната система от единици използва джаула (J) като мерна единица, която представлява енергията, произведена от силата на нютон при преместване на точката му на приложение с един метър в същата посока и посока. В много полета калориите (кал) традиционно се използват като единица енергия, която се определя като количеството енергия, което трябва да се предаде на грам чиста вода, така че температурата му да премине от 14,5 ° C до 15,5 ° C до постоянно налягане от 1 атмосфера.

1 кал = 4.18398 Дж

Единицата за мощност в SI. е вата и това е мощността, генерирана или консумирана от всяка машина, която консумира или произвежда един джаул всяка секунда.

И накрая, в международната търговия и статистиката се използват други мерки:

Тон петролен еквивалент (пръст). Това е количеството енергия, освободено от изгарянето на тон масло. 1 пръст = 42 GJ.

Еквивалентен тон въглища (tec). Същото като по-горе. 1 tec = 28 GJ.

Барел петролен еквивалент (бое). Енергия, отделена при горенето на барел петрол. 1 бое = 5730 MJ.

2. Енергия в природните екосистеми.

Колкото и сложен и изкуствен да е станал животът на човешките общества, неговата основа се поддържа от естествените екосистеми. Нашите запаси са разположени във върха на екологичната пирамида, в основата на която е слънчевата енергия, която е фиксирана от растенията и след това преминава през различни животни, за да стигне до края на веригата до нас.

Екосистемата може да бъде определена като съвкупност от няколко вида растения, животни и микроби, взаимодействащи помежду си и с околната среда. Всъщност това е изолирана част от Природата за изследване. Възможно е да се разглежда екосистемата като сложна термодинамична система, отворена за нейната среда. Нуждае се от енергия и материали, които взема от околната среда и от своя страна се връща към нея по други начини.

В основата е енергията от Слънцето, която се улавя от зелени растения (автотрофни организми), които използват енергията на светлината в процеса на фотосинтеза, за да произвеждат въглехидрати (глюкоза) от въглероден диоксид.въглерод и вода, генерирайки кислород в процеса:

Слънчева енергия
|
V
6 CO 2 + 6 H 2 O -----> C 6 H 12 O 6 + 6 O 2

Енергията от електромагнитното излъчване (светлина) се абсорбира от хлорофила и се съхранява като химическа енергия в връзките на молекулите на глюкозата.

Глюкозата, произведена при фотосинтезата, играе три роли в растението:

а) Заедно с абсорбираните от почвата и водата азот, фосфор, сяра и други минерални хранителни вещества се използва за генериране на протеини, въглехидрати и др. които съставляват растителния организъм.
б) Синтезът на тези молекули и усвояването на хранителни вещества предполага консумация на енергия, получена чрез клетъчно дишане:

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 -----> 6 CO 2 + 6 H 2 O
|
V
Енергия

в) Накрая част от глюкозата се съхранява в растението за бъдещи нужди, под формата на нишесте (въглехидрати) и масла (липиди).

В горния слой на пирамидата са организмите, които трябва да се хранят с други, тъй като те не са способни да фиксират енергия сами, както правят автотрофите, те се наричат ​​хетеротрофи. На първо място трябва да разгледаме организмите, които се хранят изключително с растения (фитофаги). Над тях има организми, които се хранят с други животни (месоядни животни). Има и някои организми като хората, които могат да се хранят едновременно и с двете. На трето място са организмите, които се хранят с отпадъци, мъртви вещества и трупове (детритивори) и които в своите най-малки форми, бактерии и гъби, причиняват изчезването на органичното вещество и отделят неговите компоненти в околната среда, тъй като се наричат ​​минерализатори.

Можем да наблюдаваме как на всяко ниво организмите живеят и се развиват, като вземат енергията и материалите, необходими за тяхното развитие, от други организми от по-ниско ниво. В процеса всеки организъм абсорбира голямо количество енергия, но съхранява относително малко количество във веригите на своите молекули. Както видяхме преди, съгласно 2-ри закон на термодинамиката, в резултат на техния метаболизъм, те трябва да се откажат, голямо количество енергия разгражда околната среда под формата на топлина от клетъчното дишане. По този начин екосистемата се пресича от постоянен поток от енергия.

Две важни концепции за управление са биомасата и производителността. Първият се определя като масата на живите организми, изразена в маса на сухото вещество или като енергиен еквивалент на единица площ (тонове/хектар или килокалории/м2). Производителността е количеството жива материя, произведено през даден период от биомаса.

3. Библиография

222 въпроса за енергията. [Мигел Барачина Лопес и др. ]. Мадрид: Форум на испанската ядрена индустрия, 2001. Достъпно в мрежата, в съкратена версия: http://www.foronuclear.org/faqs.jsp

DELÉAGE, Жан Пол. Енергия: интердисциплинарна тема за екологично образование. Мадрид: MOPT, 1990. 209 с. ISBN 84-7433-679-1

НЕБЕЛ, Бернард Дж .; WRIGHT, Richard T. Наука за околната среда: начинът, по който работи светът. Лондон: Prentice-Hall International, 1996. XXI, 698 с. ISBN 0-1339-8124-X

TIPLER, Paul A. Физика за наука и техника. 4-то изд. Барселона: Reverté, 2003. 2 v. ISBN 84-291-4384-X

Последна актуализация: 31.03.16 .

За всякакви въпроси относно страницата или нейното съдържание се свържете с UNED библиотеката