Energia Energia on mateeria liikumise ja vastastikmõjude üldistatud

Παρουσίαση με θέμα: "Energia Energia on mateeria liikumise ja vastastikmõjude üldistatud"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Energia Energia on mateeria liikumise ja vastastikmõjude üldistatud
kvantitatiivne mõõt. Energiat (erinevalt jõust) saab koguda ja säilitada Slaididel kasutatud:

2 Potentsiaalne energia
Mehaaniline energia Oma kogemusest teame, et energiavarud vallanduvad vaid siis, kui teha selleks pingutusi ja kui pingutuse tulemusena õnnestub midagi liigutada. Energia muundub ühest liigist teise ainult siis, kui jõu mõjul toimub liikumine. Samas on selge, et energiat on rippuval õunal ka siis, kui ta on liikumatu. Mida kõrgemalt õun langeb ja mida suurema massiga ta on, seda valusam on ka löök. Potentsiaalne energia Kui energia olemaolu on põhjustatud kehade vastastikmõjust, siis nimetatakse seda potentsiaalseks energiaks. Seega, üksik keha potentsiaalset energiat omada ei saa. Potentsiaalne energia võib näiteks puududa ka kehal, mis on sattunud punkti Maa ja Kuu vahel, kus mõlemad taevakehad tõmbavad keha enda poole võrdse jõuga. Potentsiaalset energiat nimetatakse ka varjatud energiaks. Ep omav keha ei pea ilmtingimata tööd tegema.

3 Energia muundumine ühest vormist teise
Selleks, et energiat ühest vormist teise muundada, peab kehale mõjuma jõud ja see jõud peab suutma keha liigutada – tuleb teha tööd. Töö on seda suurem, mida suurem on jõud ja mida pikemal teel see mõju avaldab. Sest seda rohkem suudab jõud keha energiat muuta. Lühidalt töö = jõud • teepikkus, valemi kujul A = F • s • cos α, kus A – töö; F – jõud; s – teepikkus, millel see jõud mõjub. Kui 1 N suurune jõud mõjub 1 m pikkusel teel, siis teeb see tööd ühe džauli. Tööd saavad teha ainult need kehad, mis omavad energiat. Töö on energia muutumise mõõduks. Tehtud töö on võrdne kulutatud energiaga

4 Liikumise suunaga ristiolev jõud tööd ei tee
Niisiis võib öelda, et tööd teeb jõud, aga mitte igas olukorras. Sest kui see keha energiat ei suuda muuta, siis see tööd ei tee. Näide, kus keha liigub, jõud mõjub, aga tööd ei tee. Taevakeha tõmbab tema umber tiirlejat pidevalt enda poole, aga see ei lähene ega eemaldu. Seega taevakeha tõmbejõud tööd ei tee, sest tiirleja energia sellest ei muutu. Samaks jääb sateliidi kineetiline energia, kuna selle kiirus ei muutu; samaks jääb ka vastastikmõju potentsiaalne energia, kuna ei muutu ka kaugus taevakehast. Liikumise suunaga ristiolev jõud tööd ei tee Mehaanilist tööd tehakse keha nihutamisel temale rakendatud jõu mõjul. Inertsi tõttu (varem mõjunud jõu mõjul) liikuv keha ei tee tööd Orbiidil tiirlemine toimub samal kõrgusel maapinnast (ekvipotentsiaalsel pinnal), seega potentsiaalne energia jääb samaks. Kui kehale mõjub jõud aga keha ei liigu, siis tööd ei tehta.

5 Seega kõrgusel h on keha potentsiaalne energia Ep = mgh,
Kui tõstame keha massiga m maapinnast kõrgusele h, teeme tööd A = mgh, kus m on keha mass ja g = 9.8 m/s2. Kehal on potentsiaalset energiat täpselt sama palju, kui Maa peab tööd tegema, et keha Maapinnale tuua. Seega kõrgusel h on keha potentsiaalne energia Ep = mgh, Kukkumisel keha kiirus suureneb, seega suureneb ka tema kineetiline energia. Samal ajal potentsiaalne energia väheneb. Potentsiaalsest energiast muundub kineetiliseks sama palju, kui raskusjõud tööd teeb. Keha kineetilise energia muut võrdub keha poolt tehtud tööga Kuhu jääb energia, kui keha vastu maad on kukkunud? muundub keha kui terviku energia tema osakeste kineetiliseks energiaks. Osa energiat saab muidugi ka see keha, mille vastu liikuv keha põrkab.

6 Vt. loenguslaid Gravitatsiooniline potentsiaalne energia

7 Liikuva keha kineetiline energia sõltub keha liikumise kiirusest.
Liikuva keha peatumisel võib ta enese ees lükata teist keha mõjudes sellele jõuga ja tehes tööd. Kui auto sõidab vastu puud, siis auto kineetiline energia liigutab plekke paigast ja murrab sõitjate luid. Tähelepanu, auto kiiruse suurenemisel kaks korda suureneb kineetiline energia neli korda! Niisugustel deformeerivatel põrgetel muutub kineetiline energia peamiselt molekulide soojusenergiaks. Kineetiline energia muutub potentsiaalseks energiaks kui liikuvat keha peatab jõuväli, näiteks kui viskame kivi ülespoole. Gravitatsioonivälja jõud peatab lõpuks kivi liikumise, kuid kivi kineetiline energia on muundunud tema potentsiaalseks energiaks. Sama juhtub elektronidega, kui nad saavad lisaks kineetilist energiat (näiteks aatomite põrgetel või valguse neeldumisel): nad liiguvad tuumast kaugemale.

8 Auto kiirus on 36 km/h. Kui kiiresti peaks auto sõitma, et tema
Kineetiline energia Näide liiklusest. Mis juhtub, kui juht, kes sõidab kiirusega 90 km/h, eirab nõuet vähendada kiirust 30 kilomeetrini tunnis? Siis ta sõidab 3 korda kiiremini lubatust (90 : 30 = 3), aga auto kineetiline energia on 9 korda lubatust suurem (3 ruudus on 9)! Kui on vaja autot seisma saada, siis on vaja teha tööd 9 korda rohkem kui lubatud kiiruse korral! Kahjuks ei püsi see meeles mitte kõigil autojuhtidel. Auto kiirus on 36 km/h. Kui kiiresti peaks auto sõitma, et tema liikumisenergia oleks 2 korda suurem?

9 Töötada võib kiiresti ja aeglaselt.
Võimsama mootoriga saab hoo kiiremini sisse. Võimsam lamp annab rohkem valgust. Võimsus Võimsus on füüsikaline suurus, mida mõõdetakse ajaühikus tehtud töö hulgaga või ühe ajaühiku jooksul ühest liigist teise muundunud energiahulgaga Kui 1 sekundiga muundub ühest liigist teise 1 džaul energiat (selleks tuleb teha tööd 1 džaul), siis on võimsus 1 vatt (W). Hobujõud on mittesüsteemne võimsuse mõõtühik, mida tähistatakse (hj). Hobujõu suurus on 735,499 W. Inglismaal ja USAs on hobujõu suurus 745,7 W. 1 m kõrguse hüppe ajal on hobuse N = 5000 W = 6.8 hj

10 Veel eksamiülesandeid

11 Mis on jõud? Jõud kui energiavälja muutumise kiirus ruumis Energiaväljas mõjub kehale välja energia kahanemise suunaline jõud Jõud on seda suurem, mida kiiremini energia ruumis muutub; Ühik: J/m=N Keha liigub spontaanselt energia vähenemise suunas, valides kõikidest võimalikest suundadest suurima jõu mõju suuna (jõu kiireima muutumise suuna). Jõu kolm definitsiooni (vt. loenguslaid) F = ma F = dp/dt F = - grad E

12 Keemiline energia on potentsiaalne energia,
mis on seotud aatomite ja molekulide struktuursete ümberkorraldustega Keskmiselt tuumale lähemal asuvad elektron(id) omavad madalamat energiat (on stabiilsemad) Energia/aine hajumisel on kaks aspekti: 1.Hajumine ruumis (suurema arvu energiaolekute vahel) 2.Liikumise või ruumilise korrapära (koherentsuse) kadumine Näiteks, energia muutumine soojuseks.

13 Energiat on 2 liiki – kineetiline ja potentsiaalne.
Energia avaldub erinevates vormides: gravitatsioon soojus kehade deformatsioonienergia valgus tuumaenergia keemiline energia Energia vormid erinevad üksteisest energia tööks konverteerimise efektiivsuse poolest. Töö on ühelt kehalt teisele energia ülekande viis.

14 10 km/h = / 3600 = 2.78 m/s

15

16 19. Graafikud esitavad erinevad tasakaaluolekud
19. Graafikud esitavad erinevad tasakaaluolekud. Kuidas nimetatakse olekuid A, B ja C? Stabiilne, ebastabiilne, ükskõikne Mis on nende graafikute koordinaattelgedeks? X – asukoht, y- potentsiaalne energia

17 Võttes aluseks keskmise õppuri energiakulu W-des (siia peate arvu ise panema 100W) arvutage, kui palju toitu (kg-des) tuleb 5-aastase õpinguperioodi jooksul omastada (toidu arvestuslik energiasisaldus on 2000 kcal/kg). 100 Js-1·3600s ·24h ·365p · 5a/4.19J cal-1 = 37.6 ·108 cal 5a jooksul 37.6 ·108cal / 2 ·106 cal kg-1= 1880 kg 5 a jooksul Kas võrreldava energiakoguse ostmine elektri kujul tuleb odavam või kallim kui toidu supermarkitist ostmine? Inimese võimsus on ~ 100W=100 J/s Ööpäeva jooksul kulub *3600*24= J (24h) 1 kWh= J maksab 0.14 EUR J on 2.4 kWh, mis elektrina maksaks EUR 24h jooksul tarbitav toit maksab rohkem

18 Ühik kWh on energia, mitte võimsuse ühik
Kõikidel elektriseadmetel on kirjas nende poolt tarvitatav võimsus. Näiteks: Mikser W Praeahi - kuni 2000 W Arvuti - kuni 400 W Triikraud – 500 kuni 2000 W Elektripliit – max W Mikrolaineahi – 800 W Kilovatt on võimsuse ühik = 1000W. Kilovatt-tund on energiaühik. Üks kilovatt-tund on energia, mida tarbib (või toodab) võimsusel üks kilovatt töötav masin ühe tunni jooskul. 1 kWh = 1000 Js-1 · 3600 s = 3.6·106 J Kui praadisite liha praeahjus 1.5 h, siis tarbisite 2 kW ·1.5h = 3 kWh ≈ 11·106 J elektrienergiat

19 38. Vee aurumissoojus on 560 cal g-1.
Kui kaua tuleb vett keeta võimsusel 1 kW et 1 l vett täielikult aurustuks? 1 l vett on 1000 g. Selle aurustamiseks kulub cal. Võimsus 1 kW = 1000 J s-1 = 240 cal s-1. cal genereeritakse /240 = 2333 s = 38.9 min jooksul = 38 min 54 s.

20 . Kui kaua võib põleda 200-vatine pirn selle energia arvel,
mis saadakse ühe milligrammi aine (hüpoteetilisel) täielikul muundumisel energiaks? E = mc2, N = A / t Soolveega täidetud anumasse asetatud nael lasti täielikult ära roostetada. Seejuures eraldus (hajus) ümbritsevasse keskkonda 1 MJ soojust. Kui suur (ja mis märgiga?) oli sellega kaasnev veeklaasi massi muutus? Hinnake, kas seda massi muutust on kaasaegsete vahenditega võimalik mõõta?

21 Räägime kahest energia ülekande viisist: Töö vormis Soojuse vormis
Töö ja soojus Mis vahe on tööl ja soojusel? Töö ja soojus. Mis neid seob ja mis neid eristab? Räägime kahest energia ülekande viisist: Töö vormis Soojuse vormis Energia ülekanne töö vormis on jälgitav kogu keha asendi muutumise kaudu. Tööna ülekanduva energia hulka gaasis arvutame kui: W=pdV Soojuse vormis toimuv energia ülekanne (soojusülekanne): Kehade makroskoopiline liikumine puudub. Soojus ei ole substants. Soojusena ülekanduva energia hulk on arvutatav kui: Q=RT

22 Eksamiküsimused: Formuleerige sõnades elektrivälja potentsiaalse energia sõltuvus kehadevahelisest kaugusest. Elektriväljas oleva keha potentsiaalne energia avaldub kui Kas energia kauguse suurenedes kasvab või kahaneb? Tehke joonis. sõltub laengutest, samanimeliste korral kasvab, erinimeliste korral kahaneb...

23 Elektriväli Analoogiliselt gravitatsioonivälja näitega, laengu liikudes elektriväljas raadiuselt ra raadiusele rl teeme tööd:

24 Teljed: y – potentsiaalne energia, x – kaugus, r
Elektrivälja potentsiaalse energia sõltuvus kehadevahelisest kaugusest Tõukuvate (samanimeliste) laengute korral muutub potentsiaalne energia positiivsemaks. Tõmbuvate (erinimeliste) laengute korral muutub potentsiaalne energia negatiivsemaks. Teljed: y – potentsiaalne energia, x – kaugus, r

25 Sarnased, kuid erinevad
Gravitatsioonjõud on alati tõmbejõud, elektrilised jõud võivad olla nii tõmbe- kui tõukejõud. (ii) Elektrilised jõud on ka väga tugevad ületades gravitatsioonijõude aktuaalses energia piirkonnas rohkem kui 40 suurusjärgu võrra.

26

27 Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahe on üks V
kui laengu üks C viimisel ühestpunktist teise tehakse tööd üks J. 1 J = 1C ·1V Ühe elektroni viimisel läbi potentsiaalide vahe üks volt tehakse tööd üks elektronvolt. 1 eV = ·10-19 C ·1V Energeetiliselt on siis elektronvolt dzaulist niisama palju kordi väiksem kui elektroni laeng on väiksem kulonist, seega 1 eV = ·10-19 J. Silm näeb ‘valgust’, mis on defineeritud kui elektromagnetiline kiirgus lainepikkuste vahemikus nm, ehk kvandi energiavahemik 3.1 kuni 1.8 eV.

28 Elektronvolt oli töö, mida tuli teha, et elektron viia ühe voldi
võrra negatiivsemale potentsiaalile: 1eV=1.602 · J. Kui viime terve mooli elektrone 1V võrra kõrgemale energiale, teeme tööd 1.602·10-19 · 6.023·1023 = J mol-1V-1 See arv on tuntud Faraday arvuna ja tähistab tööd, mida tuleb teha, et üks mool elektrone viia läbi potentsiaalide vahe 1V.

29 Faraday arv ehk Faraday konstant
Defineerige, mis on Faraday arv? Millistes ühikutes teda mõõdetakse? Faraday arv ehk Faraday konstant (F, mitte segi ajada jõuga!) on füüsikas ja keemias kasutatav konstantne arv, mis näitab ühe mooli elektronide elektrilaengu absoluutväärtust Faraday arv saadakse Avogadro arvu korrutamisel elektroni laenguga. Faraday konstandi väärtus on 96485,3415 C/mol

30 Kuidas sõltub elektrivälja potentsiaal laengute vahelisest kaugusest
Kuidas sõltub elektrivälja potentsiaal laengute vahelisest kaugusest? 1/r Aga nende vahel mõjuv jõud? 1/r 2 . Alljärgnev valem on esitatud kahel võrdväärse kujul. Tegemist on kelle seadusega? Mida tähistab R ja millistes ühikutes teda mõõdetakse? Mis tüüpi matemaatiliste võrranditega/sõltuvustega R-i suhtes on tegemist? Esitage vastavad graafikud. Graafikutel: võrdeline sõltuvus ja pöördvõrdeline

31 Kui suur vool läbib 220 -voldisel pingel töötavat veekannu, mille
võimsus on 1700 vatti? Kui suur on selle kannu keeduspiraali takistus? U = IR; N = UI Joonisel on esitatud kahe juhi voolu-pinge tunnusjooned. Kumba juhi takistus on suurem R1 või R2? Põhjendage (ka valemitega)

32 Arvutage ja esitage graafikul võimsuse sõltuvus pingest
100 Ω takisti jaoks. P = UI= U2/R Elektrikaitsmed toas on 10 A-sed. Kas võite kasutada toas televiisorit (50 W), põletada kolme 100 W-st elektripirni ja kütta tuba elektriradiaatoriga võimsusega 2 kW? Esitage arvutused. Kogu võimsus = 2150W P = U·I I = 2150W/230V = 9.35A

33 . Formuleerige sõnades elektrivälja potentsiaalse energia sõltuvus
Kuidas sõltub elektrivälja potentsiaal laengute vahelisest kaugusest? Aga nende vahel mõjuv jõud? Elektron siseneb magnetvälja (hall piirkond joonisel). Magnetilise induktsiooni vektor on suunatud risti joonise pinnaga suunaga tahapoole. Märkida, mis suunas mõjub elektronile jõud välja sisenemise hetkel ja skitseerida elektroni võimalik trajektoor. . Formuleerige sõnades elektrivälja potentsiaalse energia sõltuvus kehadevahelisest kaugusest. Kujutage seda graafiliselt.

34 Suhteline dielektriline läbitavus kirjeldab, mitu korda nõrgeneb
. Mida näitab keskkonna suhteline dielektriline läbitavus? Kuidas (kvalitatiivselt) sõltub polaarsete keskkondade suhteline dielektriline läbitavus temperatuurist? (Miks?) Suhteline dielektriline läbitavus kirjeldab, mitu korda nõrgeneb laengute vahel mõjuv jõud, kui laengud asuvad (vaakumist erinevas) Dielektrilises keskkonnas (nt raku vedelikus või vees) Dimensioonitu suurus, mis varieerub 1 (vaakum) ja 81 (destilleeritud vesi) . Mis on dielektrik? Mis on keskkonna suhtelise dielektrilise läbitavuse füüsikaline sisu?

35 Vastavalt laengute liikuvusele jagunevad ained:
JUHID Laengud liiguvad vabalt metallid Elektrolüüdid POOLJUHID Laengud seotud nõrgalt, vabanevad välismõju toimel. DIELEKTRIKUD Laengud on seotud kristallvõresse või neutraalsetesse molekulidesse. kristallid vedelikud Gaasid Kui laetud osakesed võivad ainetükis vabalt liikuda, nimetatakse ainet elektrit juhtivaks (lühemalt: juhiks) Dielektrikke nimetatakse elektrotehnikas ka isolaatoriteks.

36 Juht elektriväljas. Et laetud osakesed võivad juhis vabalt liikuda, algab elektrivälja
mõjul laengute ümberpaiknemine, mis kestab seni, kuni neile mõjuv jõud saab nulliks. See on võimalik, kui: väljatugevus juhi sees on null; elektrivälja potentsiaal on kogu juhi ulatuses konstantne; kõik lisalaengud on koondunud juhi pinnale; väljatugevuse vektor juhi pinnal on pinnaga risti. Juhtivast ainest keha elektriväljas:  vabad laengud võtavad sellise asukoha, et väljatugevus juhi sees oleks null. Laetud elektrijuht: "ülearune" laeng koguneb juhi pinnale nii, et kõigile laetud osakestele mõjuv jõud oleks suunatud risti välispinnaga.

37 Väli dielektrikus.  Kui laenguid ümbritsevaks keskkonnaks on dielektrik, ei saa selles olevad laengud vabalt liikuda. Nimetatakse selliseid laenguid seotud laenguteks, ja see tähendab, et tavaolukorras on neile mõjuvad jõud tasakaalus. Kui lisandub elektriväljast tingitud jõud, leiavad osakesed uue, varasemaga võrreldes nihutatud asendi. Kui tekitada aines elektriväli ioonid nihkuvad oma varasemast asendist, vaba molekul võib ka pöörduda, joondudes välja järgi paigalt nihkunud laengud (positiivne naatriumi ioon on nihkunud paremale, negatiivne kloori ioon vasakule) tekitavad täiendava elektrivälja E'.Mõlemal juhul tekitab laengute nihkumine täiendava elektrivälja, mida nimetatakse indutseeritud väljaks. Et see väli on vastassuunaline nihet esile kutsuva väljaga, siis summaarne väli nõrgeneb ning koos välja nõrgenemisega vähenevad ka sellesse välja paigutatud laengutele mõjuvad jõud. Vedela dielektriku polarisatsioon: dipoolmomenti omavad molekulid orienteeruvad välja sunas.

38 Määrake vooluahelat läbiva voolu suund
. Kahe laetud osakese süsteemi potentsiaalne energia avaldub kujul kus q1 ja q2 on osakeste laengud. Kas kauguse r suurenedes potentsiaalne energia kasvab või kahaneb a) kui mõlemad laegud on negatiivsed b) kui üks on positiivne ja teine negatiivne? Tehke mõlema juhu jaoks joonis ja märkige graafikutele, kas see kirjeldab osakeste tõmbumist või tõukumist? . Millistes ühikutes mõõdetakse pinget ehk potentsiaalide vahet? Voltides Kuidas on pinge juhi otstel seotud juhti läbiva voolu ja juhi takistusega? Esitada valem. Määrake vooluahelat läbiva voolu suund (on kokku lepitud, et voolusuund on plussilt miinuse poole) Katood

39 Varsti on eksam... ...aga olge tublid ja saate hakkama