ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Παρουσίαση με θέμα: "ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Φυσική Α’ Λυκείου Κατεύθυνσης ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΗΣ ΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΑΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

2  Εισαγωγή (Ψύξη και θέρμανση στην καθημερινότητα (Ι))
Από την αρχαιότητα μέχρι σήμερα, ο άνθρωπος πάλεψε για να πετύχει την θέρμανση ή την ψύξη κάποιων σωμάτων. Π.χ. έπρεπε να βρει τρόπο να ζεστάνει κάποια σώματα για ν’ ανάψει φωτιά… Αλλά και να κρατήσει μακριά από τις ακτίνες του ήλιου ένα κομμάτι πάγου αν δεν ήθελε να λιώσει…

3  Εισαγωγή (Ψύξη και θέρμανση στην καθημερινότητα (ΙΙ))
Αργότερα κατάλαβε… …ότι ζεσταίνοντας μια ποσότητα αερίου μπορούσε να πάρει κινητική ενέργεια κι έτσι έφτιαξε τις πρώτες ατμομηχανές… …ότι με τη θέρμανση ενός σύρματος μπορούσε να φωτίσει έναν χώρο κι έτσι έφτιαξε τους πρώτους λαμπτήρες πυράκτωσης … …αλλά και ότι χρησιμοποιώντας τις ακτίνες του ηλίου μπορούσε να πάρει πιο φθηνή και «καθαρή» ηλεκτρική ενέργεια.

4  Εισαγωγή (Ψύξη και θέρμανση στην καθημερινότητα (ΙΙΙ))
Σε όλα τα προηγούμενα παραδείγματα έχουμε ενεργειακές μετατροπές τις οποίες πραγματοποιούμε για να βελτιώσουμε τη ζωή μας. Οπότε γεννιούνται τα ερωτήματα:  Τι είναι ακριβώς η θερμότητα που παράγει ή απορροφά ένα σώμα;  Σε τι διαφέρει η «θερμότητα» από την «θερμοκρασία» που έχει ένα σώμα;  Τι παθαίνει ένα σώμα (από μοριακή άποψη) όταν ζεσταίνεται ή όταν κρυώνει;  Σε τι διαφέρει η συμπεριφορά ενός αέριου από ένα υγρό ή στερεό όταν αλλάξει η θερμοκρασία του; Σ’ αυτά και άλλα ερωτήματα θα προσπαθήσουμε να απαντήσουμε σ’ αυτό το κεφάλαιο.

5  Εισαγωγή (Τρόποι θέρμανσης/ψύξης (I))
Υπάρχουν τρεις (3) τρόποι με τους οποίους μπορούμε να θερμάνουμε ή να ψύξουμε ένα σώμα: 1) Θέρμανση/ψύξη με αγωγή: Είναι η περίπτωση που δύο σώματα διαφορετικής θερμοκρασίας βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους. Τότε μεταφέρεται θερμότητα από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας σ’ αυτό με χαμηλότερη. 2) Θέρμανση/ψύξη με μεταφορά: Είναι η περίπτωση που κάποιο ρευστό (υγρό ή αέριο), με τη κίνηση του, μεταφέρει θερμότητα από ένα σώμα με ψηλότερη θερμοκρασία, σ’ ένα σώμα με χαμηλότερη. 3) Θέρμανση/ψύξη με ακτινοβολία: Σ’ αυτή τη περίπτωση η ενέργεια μεταφέρεται από το ένα σώμα στο άλλο μέσω ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, χωρίς τη μεσολάβηση κάποιου υλικού (όπως στους άλλους δύο τρόπους).

6  Εισαγωγή (Τρόποι θέρμανσης/ψύξης (II))
Σε κάποιες περιπτώσεις μπορούμε να έχουμε περισσότερους από ένα τρόπους θέρμανσης ταυτόχρονα.  Παράδειγμα όταν ανάψει ο λαμπτήρας: α) ακτινοβολεί φως, β) θερμαίνει τον αέρα με τον οποίο έρχεται σε επαφή, γ) δημιουργεί ρεύματα μεταφοράς του αέρα που μεταφέρουν θερμότητα στο χώρο.  Άλλο παράδειγμα: η αναμμένη θερμάστρα: α) θερμαίνει με τα ρεύματα μεταφοράς που δημιουργεί, β) εκπέμπει όμως και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στις υπέρυθρες ακτίνες (που είναι αόρατες για το ανθρώπινο μάτι).

7  Εισαγωγή (Διαστολή των σωμάτων)
Γενικά τα σώματα διαστέλλονται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία τους. Η διαστολή αφορά και τις 3 διαστάσεις των σωμάτων: Αν όμως η μία διάσταση είναι πολύ μεγαλύτερη από τις άλλες (π.χ. ράβδος), τότε η διαστολή που υφίσταται το σώμα σ’ αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από τις υπόλοιπες. Τότε λέμε ότι έχουμε γραμμική διαστολή: 00C 1000C Τη γραμμική διαστολή του υδραργύρου εκμεταλλευόμαστε στα θερμόμετρα για να τα βαθμολογήσουμε από τους 00 C (λιώσιμο πάγου), ως τους 1000 C (βρασμός νερού).

8  Εισαγωγή (Πίεση) Όταν δύο επιφάνειες έρθουν σε επαφή, δεν μας ενδιαφέρει μόνο πόση δύναμη ασκείται μεταξύ τους, αλλά και σε πόσο εμβαδόν ασκείται αυτή η δύναμη. Αν π.χ. δοκιμάσουμε να περπατήσουμε με απλά παπούτσια πάνω σε μαλακό χιόνι, βουλιάζουμε. Δεν συμβαίνει το ίδιο όμως αν χρησιμοποιήσουμε σανίδα, γιατί τότε η δύναμη απλώνεται σε μεγαλύτερη επιφάνεια. Χρειαζόμαστε λοιπόν ένα μέγεθος που να μας δείχνει πόση δύναμη ασκείται στην μονάδα εμβαδού (π.χ. στο 1 m2 ή στο 1 cm2) Αυτό το μέγεθος είναι η πίεση (p) και ισχύει: όπου F: η δύναμη που ασκείται και S: το εμβαδόν της επιφάνειας Μονάδα μέτρησης: 1 Ν/m2 (Pa) ή 1kPa=103 Pa ή 1 atm=1,013105 N/m2

9  Εισαγωγή (Αλλαγή φάσης (Ι))
Ξέρουμε ότι οι καταστάσεις της ύλης είναι τρεις: στερεά, υγρή κι αέρια. Κάθε σώμα, ανάλογα με τις συνθήκες μπορεί να βρεθεί και στις τρεις καταστάσεις. Κλασσικό παράδειγμα είναι το νερό: Αλλά και άλλα σώματα, όπως π.χ. το άζωτο: Όταν ένα σώμα αλλάζει φυσική κατάσταση, λέμε ότι έχουμε αλλαγή φάσης.

10  Εισαγωγή (Αλλαγή φάσης (ΙΙ))
Για να έχουμε αλλαγή φάσης θα πρέπει να αλλάξουν οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Ο γενικός κανόνας είναι: θερμοκρασία στερεά υγρή αέρια πίεση Αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί προς την αέρια κατάσταση. Αύξηση της πίεσης οδηγεί προς τη στερεά. Δεξιά φαίνονται οι αλλαγές φάσης του νερού υπό πίεση 1 atm. Όμως τα σημεία βρασμού και τήξης μπορεί ν’ αλλάξουν, αν αλλάξει η πίεση. Π.χ. μείωση της πίεσης (βουνό) μειώνει το σημείο βρασμού, ενώ αύξηση της πίεσης (χύτρα) το ανεβάζει.

11  Η κινητική θεωρία της ύλης και η θερμότητα (Ι) (& 2.2.1)
Όλοι ξέρουμε ότι η θερμοκρασία είναι ένα θεμελιώδες μέγεθος με το οποίο μετράμε το πόσο θερμό είναι ένα σώμα. Επίσης είναι γνωστό ότι θέρμανση ή ψύξη ενός σώματος σημαίνει αύξηση ή μείωση της θερμοκρασίας του. Άσχετα με ποιον τρόπο πραγματοποιείται, η θέρμανση ή ψύξη ενός σώματος απαιτεί τη μεταφορά ενέργειας. Το ποσόν ενέργειας που μεταφέρεται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας δύο σωμάτων ονομάζεται θερμότητα και συμβολίζεται με Q. Q Έχει μονάδα μέτρησης το J στο (S.I.) ή την θερμίδα (cal) που είναι μεγαλύτερη μονάδα: 1 cal = 4,186 J  Η θερμότητα δεν πρέπει να συγχέεται με την θερμοκρασία. Η πρώτη είναι ενέργεια ενώ η δεύτερη μας δείχνει πόσο θερμό είναι ένα σώμα.

12  Η κινητική θεωρία της ύλης και η θερμότητα (ΙΙ) (& 2.2.1)
Το ερώτημα που προκύπτει είναι: Με τι μορφή αποθηκεύεται η θερμότητα που μεταφέρεται σ’ ένα σώμα; Εδώ καθοριστική υπήρξε η συνεισφορά της Χημείας, η οποία απέδειξε ότι τα σώματα αποτελούνται από μόρια τα οποία σχηματίζονται από άτομα. Δύο είναι τα βασικά χαρακτηριστικά των ατόμων και μορίων: α) κινούνται συνεχώς β) ασκούν μεταξύ τους ελκτικές και απωστικές δυνάμεις Εξαιτίας του πρώτου χαρακτηριστικού τους, τα μόρια και άτομα έχουν κινητική ενέργεια. Εξαιτίας του δεύτερου, έχουν δυναμική ενέργεια. Το άθροισμα αυτών των δύο ενεργειών μας δίνει την εσωτερική ενέργεια του σώματος για την οποία θα μιλήσουμε σε επόμενες παραγράφους. συνέχεια 

13  Η κινητική θεωρία της ύλης και η θερμότητα (ΙΙ) (& 2.2.1)
Στα αέρια (ιδίως τα αραιά και ζεστά) τα μόρια και άτομα του αερίου είναι πολύ μακριά το ένα από το άλλο και οι μεταξύ τους δυνάμεις θεωρούνται αμελητέες). Το αποτέλεσμα είναι η εσωτερική τους ενέργεια να οφείλεται αποκλειστικά στην κινητική ενέργεια των ατόμων – μορίων τους. Στα υγρά οι αποστάσεις των ατόμων – μορίων είναι μικρότερες, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται ελκτικές και απωστικές δυνάμεις μεταξύ τους. Άρα η εσωτερική ενέργεια του υγρού οφείλεται, εκτός από την κινητική, και στην δυναμική ενέργεια των ατόμων – μορίων του. Στα στερεά όχι μόνο οι αποστάσεις των ατόμων – μορίων είναι πολύ μικρές, αλλά αυτά βρίσκονται σε σταθερές θέσεις γύρω από τις οποίες ταλαντώνονται. Συνεπώς, όπως και στα υγρά και στα πυκνά αέρια, τα μόρια – άτομα των στερεών θα περιέχουν εκτός από κινητική και δυναμική ενέργεια.

14  Η κινητική θεωρία της ύλης και η θερμότητα (ΙΙ) (& 2.2.1)
Το παρακάτω σχήμα μας δείχνει τις αλλαγές φάσης του νερού και από μοριακή άποψη:

15 Ιδιότητες των αερίων – Πίεση (Ι) (& 2.2.2 α))
Ιδιότητες των αερίων – Πίεση (Ι) (& α)) Ξέρουμε, από την εμπειρία μας, ότι μπορούμε να συμπιέσουμε τον όγκο ενός αερίου. Αυτό βέβαια δεν είναι περίεργο, αφού γνωρίζουμε ότι υπάρχει μεγάλο κενό ανάμεσα στα μόρια των αερίων. Χάρις σ’ αυτό το κενό, τα αέρια μπορούν να μειώσουν τον όγκο τους. Λέμε λοιπόν ότι τα αέρια είναι συμπιεστά. Παρατηρούμε όμως ότι μπορεί τα αέρια να δέχονται μείωση του όγκου τους, αυξάνουν όμως την πίεση που ασκούν στα τοιχώματα του δοχείου. Γεννάται το ερώτημα λοιπόν: Που οφείλεται η πίεση που ασκεί το αέριο στα τοιχώματα του δοχείου του; Πώς μπορεί π.χ ένα τόσο αραιό σώμα να συγκρατεί το βάρος ενός εμβόλου;

16 Ιδιότητες των αερίων – Πίεση (ΙΙ) (& 2.2.2 α))
Ιδιότητες των αερίων – Πίεση (ΙΙ) (& α)) Η πίεση του αερίου οφείλεται στις κρούσεις των μορίων στα τοιχώματα του δοχείου. Έστω ένα μόριο του αερίου το οποίο κινείται προς το έμβολο και συγκρούεται μ’ αυτό. Το μόριο ασκεί μια δύναμη F΄ στο έμβολο… …και σύμφωνα με τον 3ο νόμο του Νεύτωνα, θα δεχτεί μια αντίδραση F και θα γυρίσει πίσω με την ίδια ταχύτητα. Αν σκεφτεί κανείς ότι σε έναν ελάχιστο χώρο, όσος είναι η κεφαλή της καρφίτσας, υπάρχουν τρισεκατομμύρια μόρια, καταλαβαίνουμε τον τεράστιο αριθμό των μορίων που προσπίπτουν σε μια επιφάνεια. Η πίεση του αερίου οφείλεται στις αναρίθμητες συγκρούσεις των μορίων του στα τοιχώματα του δοχείου.

17 Ιδιότητες των αερίων – Πίεση (ΙΙΙ) (& 2.2.2 α))
Ιδιότητες των αερίων – Πίεση (ΙΙΙ) (& α)) Τι θα συμβεί αν τοποθετήσουμε ένα σώμα βάρους Β πάνω στο έμβολο και αυξηθεί η πίεση που δέχεται το αέριο; B Bεμ S Patm Κατ’ αρχάς το αέριο δέχεται την πίεση του αέρα που ονομάζουμε ατμοσφαιρική πίεση: Patm P Επιπλέον όμως δέχεται και τη πίεση λόγω του βάρους Β του σώματος και του βάρους Βεμ του εμβόλου : PΒολ = Βολ/S (όπου Βολ = Β + Βεμ και S: το εμβαδόν της επιφάνειας του εμβόλου) Άρα η συνολική πίεση που πρέπει να εξουδετερώσει το αέριο είναι: Πώς καταφέρνει να αυξήσει την πίεση του το αέριο; Μειώνοντας τον όγκο του. Έτσι οι συγκρούσεις των μορίων γίνονται συχνότερες και αυξάνεται συνισταμένη δύναμη που ασκούν στα τοιχώματα.

18 Ιδιότητες των αερίων – Θερμοκρασία (& 2.2.2 β))
Ιδιότητες των αερίων – Θερμοκρασία (& β)) Ας υποθέσουμε ότι κάνουμε το πείραμα του σχήματος: Θερμαίνουμε την ποσότητα της φιάλης, ενώ ταυτόχρονα μετράμε α) τη θερμοκρασία του (με το θερμόμετρο) και β) τη πίεση του (με το μανόμετρο). Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία του αερίου, τόσο μεγαλώνει και η πίεση που ασκεί αυτό στα τοιχώματα της φιάλης. Πώς εξηγείται αυτό από την άποψη της κινητικής θεωρίας; Αυξημένη θερμοκρασία, σημαίνει ότι το αέριο έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια. Συνεπώς τα μόρια του θα κτυπούν με μεγαλύτερες ταχύτητες στα τοιχώματα και θα ασκούν μεγαλύτερη πίεση σ΄ αυτά. (Link:

19 Εσωτερική ενέργεια (Ι) (& 2.2.3)
Εσωτερική ενέργεια (Ι) (& 2.2.3) Είπαμε ότι η εσωτερική ενέργεια των αερίων οφείλεται αποκλειστικά στην κινητική ενέργεια των μορίων τους. Έχουν όμως όλα τα μόρια την ίδια κινητική ενέργεια; Ασφαλώς όχι. Οπότε, εύλογο το ερώτημα: «Πως μπορούμε να υπολογίσουμε το άθροισμα των κινητικών ενεργειών τόσων αναρίθμητων μορίων;» Εδώ χρησιμοποιούμε την έννοια της «μέσης τιμής» από το χώρο της στατιστικής. Ορίζουμε λοιπόν ως «μέση κινητική ενέργεια των μορίων» το άθροισμα των κινητικών ενεργειών όλων των μορίων του αερίου δια του πλήθους τους: Μέση κινητική ενέργεια των μορίων: συνέχεια 

20 Εσωτερική ενέργεια (ΙΙ) (& 2.2.3)
Αν με οποιονδήποτε τρόπο υπολογίσουμε τη μέση κινητική ενέργεια των μορίων του αερίου, τότε μπορούμε να βρούμε και τη συνολική ενέργεια των μορίων του: Και επειδή στη περίπτωση των αερίων θεωρούμε ότι τα μόρια έχουν μόνο κινητική ενέργεια, η εσωτερική ενέργεια του αερίου θα είναι: * Αν το αέριο είναι μονοατομικό, θεωρούμε ότι τα μόρια του είναι υλικά σημεία χωρίς διαστάσεις, οπότε η κινητική τους ενέργεια οφείλεται μόνο στην μεταφορική τους κίνηση. (Δεν έχουν δηλαδή ενέργεια λόγω στροφικής κίνησης). ** Στη περίπτωση των υγρών και στερεών η εσωτερική τους ενέργεια είναι μεγαλύτερη αφού τα μόρια τους έχουν εκτός από κινητική και δυναμική ενέργεια.

21 Εσωτερική ενέργεια (ΙΙΙ) (& 2.2.3)
Είχαμε πει ότι η θερμότητα μεταφέρεται πάντα από ένα σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας σε ένα άλλο χαμηλότερης. Q Συνεπώς η θέρμανση ενός σώματος σημαίνει αύξηση της εσωτερικής του ενέργειας και είναι αποτέλεσμα της ψύξης κάποιου άλλου σώματος και της αντίστοιχης μείωσης της δικής του εσωτερικής ενέργειας». Το παραπάνω φαινόμενο θα συμβαίνει μέχρι να εξισωθούν οι δύο θερμοκρασίες: Τότε λέμε ότι έχουμε: θερμική ισορροπία. Αν π.χ. βάλουμε ένα δοχείο με ζεστό νερό μέσα σε μια λεκάνη με κρύο, θα έχουμε μεταφοράς θερμότητας από νερό του δοχείου προς το νερό της λεκάνης, μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες τους.

22 Προσφερόμενη θερμότητα = Αύξηση της εσωτερικής ενέργειας
Θερμότητα και διατήρησης της ενέργειας (Ι) (& 2.2.4) Ας υποθέσουμε ότι έχουμε μια ποσότητα αερίου μέσα σε δοχείο σταθερού όγκου. Q Αν προσφέρουμε στο αέριο θερμότητα Q... …εφόσον ο όγκος του παραμένει σταθερός, αυτή απορροφάται από τα μόρια του αερίου. Το αποτέλεσμα είναι να θερμαίνεται το αέριο και να αυξάνεται η θερμοκρασία του. ΔU Οπότε σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας θα έχουμε: Προσφερόμενη θερμότητα = Αύξηση της εσωτερικής ενέργειας Q = ΔU

23 Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος:
Θερμότητα και διατήρησης της ενέργειας (IΙ) (& 2.2.4) Ας υποθέσουμε τώρα ότι θερμαίνουμε μια ποσότητα αερίου μέσα σε δοχείο το οποίο φέρει έμβολο. Q Σ’ αυτή τη περίπτωση… … αφενός θα ζεσταθεί το αέριο, με αποτέλεσμα να αυξηθεί η εσωτερική του ενέργεια… ΔU + … αφετέρου το αέριο (λόγω αύξησης των κρούσεων των μορίων) θα μετακινήσει το έμβολο και θα παράγει έργο. Από την αρχή διατήρησης της ενέργειας έχουμε: W Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος: Q = ΔU + W συνέχεια 

24 Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος:
Θερμότητα και διατήρησης της ενέργειας (IΙΙ) (& 2.2.4) Πρώτος Θερμοδυναμικός Νόμος: Q = ΔU + W Μερικές επισημάνσεις για τα πρόσημα:  Η θερμότητα Q είναι θετική όταν την προσφέρουμε στο αέριο… Q>0 …και αρνητική όταν την παίρνουμε απ’ αυτό. Q<0  Η αύξηση της εσωτερικής ενέργειας ΔU είναι θετική όταν θερμαίνεται το αέριο… ΔU>0 …και αρνητική όταν κρυώνει. ΔU<0  Tο έργο είναι θετικό όταν εκτονώνεται το αέριο… W>0 …και αρνητικό όταν συμπιέζεται. W<0

25 Έργο αερίου σταθερής πίεσης (& 2.2.4)
Στη περίπτωση του αερίου που φέρει έμβολο, καθ’ όλη τη διάρκεια της θέρμανσης η πίεση του θα είναι ίση με την ατμοσφαιρική. Patm P Άρα: P = Patm = σταθερή Δx Συνεπώς και η δύναμη που ασκεί το αέριο στο έμβολο θα είναι: F ΔV F = PA = σταθερή A Άρα το έργο που παράγει το αέριο είναι: WF = FΔx = PAΔx Και αφού ΑΔx μας κάνει την αύξηση ΔV του αερίου, έχουμε: W = pΔV

26 Θερμότητα και διατήρησης της ενέργειας – Αριθμητικό παράδειγμα (& 2.2.4)
Το δοχείο του σχήματος περιέχει ποσότητα αερίου η οποία κλείνεται στο πάνω μέρος με έμβολο εμβαδού 100 cm2 το οποίο μπορεί να κινείται κατακόρυφα χωρίς τριβές. Το αέριο ασκεί στο έμβολο σταθερή πίεση 2105 Ν/m2. Θερμαίνουμε το αέριο, με αποτέλεσμα το έμβολο να κινείται προς τα πάνω κατά Δx = 10 cm. Αν η εσωτερική ενέργεια του αερίου αυξήθηκε κατά 300 J, α) πόση είναι το έργο του αερίου; β) πόση είναι η προσφερόμενη θερμότητα στο αέριο; ΛΥΣΗ α) Το έργο του αερίου είναι: W = pΔV = pAΔx = 210510010-410-1 = 200 J β) Η προσφερόμενη θερμότητα: Q = ΔU + W = = 500 J

27 Θερμότητα και διατήρησης της ενέργειας – Αριθμητικό παράδειγμα (& 2.2.4)
Το δοχείο του σχήματος περιέχει ποσότητα αερίου η οποία κλείνεται στο πάνω μέρος με έμβολο εμβαδού 100 cm2 το οποίο μπορεί να κινείται κατακόρυφα χωρίς τριβές. Το αέριο ασκεί στο έμβολο σταθερή πίεση 2105 Ν/m2. Θερμαίνουμε το αέριο, με αποτέλεσμα το έμβολο να κινείται προς τα πάνω κατά Δx = 10 cm. Αν η εσωτερική ενέργεια του αερίου αυξήθηκε κατά 300 J, α) πόση είναι το έργο του αερίου; β) πόση είναι η προσφερόμενη θερμότητα στο αέριο; ΛΥΣΗ α) Το έργο του αερίου είναι: W = pΔV = pAΔx = 210510010-410-1 = 200 J β) Η προσφερόμενη θερμότητα: Q = ΔU + W = = 500 J

28 Η θερμότητα και η μηχανική ενέργεια (Ι) (& 2.2.5)
Από την αρχαιότητα μέχρι τον 18ο αιώνα, ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε τις λεγόμενες απλές μηχανές. Με τον όρο απλές εννοούμε τις μηχανές που μετατρέπουν το προσφερόμενο μηχανικό έργο (από άνθρωπο ή ζώο ή την ίδια τη φύση) σε μηχανικό έργο άλλης μορφής. Τέτοιες μηχανές είναι π.χ.: Ο μοχλός Ο μύλος Η τροχαλία

29 Η θερμότητα και η μηχανική ενέργεια (ΙΙ) (& 2.2.5)
Στις αρχές του 18ου αιώνα συνελήφθη η ιδέα μιας μηχανής που θα μπορούσε να παράγει έργο χρησιμοποιώντας σαν ενδιάμεσο ένα θερμαινόμενο αέριο. Μια τέτοια μηχανή λέγεται θερμική. Θερμικές μηχανές ονομάζουμε τις διατάξεις που μετατρέπουν τη θερμότητα σε μηχανικό έργο. Η πατρότητα της 1ης θερμικής μηχανής αποδίδεται στον Άγγλο Newcomen γύρω στο Χρησιμοποιείτο για την άντληση νερού από φρεάτια. Ήταν όμως χοντροκομμένη και με μικρή απόδοση. Το 1769 ο Σκωτσέζος Watt τριπλασίασε την απόδοση της μηχανής Newcomen και έφτιαξε μια πιο ευέλικτη μηχανή η οποία κυριάρχησε σε όλη τη Βρετανία τα επόμενα χρόνια σε διάφορες εφαρμογές.

30 Η θερμότητα και η μηχανική ενέργεια (ΙΙΙ) (& 2.2.5)
Με τον ερχομό της βιομηχανικής επανάστασης, η εξέλιξη των θερμικών μηχανών ήταν ραγδαία. Θα έχουμε τις πρώτες μηχανές diesel, που χρησιμοποιούσαν πετρέλαιο αντί για το κάρβουνο των πρώτων μηχανών. Θ’ ακολουθήσουν οι βενζινοκινητήρες, οι οποίοι με τη βενζίνη σαν καύσιμο θα είχαν πολύ καλύτερη απόδοση. Και θα φτάσουμε στους αεροστρόβιλους (jet) των αεροπλάνων που χρησιμοποιούν κηροζίνη για καύσιμη ύλη.

31 Η θερμότητα και η μηχανική ενέργεια (ΙV) (& 2.2.5)
Για την επίτευξη όλων των προηγουμένων χρειάστηκαν κάποιες θεωρητικές επισημάνσεις που σφράγισαν την πορεία της Θερμοδυναμικής:  Ο Αμερικανός Benjamin Thomson το 1799 ασχολούμενος με εκρήξεις και πυροβόλα όπλα, θα διαπιστώσει ότι η θέρμανση δεν αυξάνει το βάρος των σωμάτων.  Ο Γερμανός Julius Mayer το 1842 θα διατυπώσει μια από τις βασικότερες αρχές της Φυσικής: την αρχή διατήρησης της ενέργειας.  Ο Άγγλος James Joule το 1845 με το περίφημο πείραμα του, που θα αναφερθεί παρακάτω, θα συσχετίσει τα μεγέθη της θερμότητας και της μηχανικής ενέργειας.

32 Η θερμότητα και η μηχανική ενέργεια (V) (& 2.2.5)
Για το πείραμα του ο Joule χρησιμοποίησε τη διάταξη του σχήματος: Το σώμα αρχικά ανυψώνεται για να αποκτήσει δυναμική ενέργεια (η οποία μετριέται στο S.I. σε Nm ή μετέπειτα J). Όταν αφήνεται ελεύθερο, κινεί τα μεταλλικά πτερύγια μέσα στο νερό, και του ανεβάζει τη θερμοκρασία. Ξέροντας ότι 1 cal (θερμίδα) είναι η θερμότητα που χρειάζεται 1 g νερού για να ανέβει η θερμοκρασία του κατά 1οC, μπόρεσε από τη σχέση Q = cmΔθ να μετρήσει τη θερμότητα που απορρόφησε το νερό, μετρώντας τη μάζα του (σε g) και τη μεταβολή της θερμοκρασίας του. Κάνοντας επανειλημμένες μετρήσεις ο Joule απέδειξε ότι ο λόγος της θερμότητας που παίρνει το νερό (μετρημένη σε cal) σε σχέση με την αρχική του δυναμική ενέργεια (μετρημένη σε J) είναι U/Q = 4,18. Άρα ισχύει η ισοδυναμία: 1 cal = 4,18 J

33 Μηχανές και ενέργεια (& 2.2.6)
Η ανακάλυψη των μηχανών, όπως είπαμε και προηγουμένως, είχε σαν αποτέλεσμα ο άνθρωπος να παράγει ενέργεια πιο «ξεκούραστα» και πιο αποτελεσματικά. Κάθε μηχανή, από τον απλό ηλεκτροκινητήρα μιας ηλεκτρικής οδοντόβουρτσας, μέχρι τη μηχανή προώθησης ενός πυραύλου, βασίζεται στη παρακάτω αρχή λειτουργίας: Η μηχανή απορροφά μια Ενέργεια Μορφής Α, π.χ θερμική (η θερμική μηχανή) ή ηλεκτρική (o ηλεκτροκινη-τήρας), και την μετατρέπει σε μια Ενέργεια Μορφής Β΄, π.χ. μηχανική (κινητήρας) ή φωτεινή (λαμπτήρας), ενώ ταυτόχρονα έχει απώλειες σε θερμότητα λόγω τριβών και αντιστάσεων.

34 Μηχανές και ενέργεια - Παραδείγματα (& 2.2.6)
 Η μηχανή του αυτοκινήτου κατασκευάζεται για να μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια… …αλλά θα ζεστάνει και το καπό του αυτοκινήτου.  Ο ανεμιστήρας χρειάζεται για να μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική… …ξέρουμε όμως ότι, «ανάβει» κιόλας.  Ο ηλεκτρικός λαμπτήρας μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε φωτεινή… …αλλά θα ζεστάνει και το περιβάλλον γύρω του.

35 Απόδοση μηχανής (& 2.2.7) Εφόσον λοιπόν κάθε μηχανή έχει ενεργειακές απώλειες, χρειαζόμαστε ένα μέγεθος που να μας δείχνει το ποσοστό της αρχικής ενέργειας που εκμεταλλεύεται μια μηχανή. Αυτό το μέγεθος είναι η απόδοση α της μηχανής. Παραδείγματα:  Στη περίπτωση του ηλεκτροκινητήρα η απόδοση είναι: α = U/Eηλ. Όπου U: η δυναμική ενέργεια που αποκτούν τα κιβώτια και Εηλ: η ηλεκτρική ενέργεια που προσφέρουμε στον κινητήρα για να δουλέψει.  Στη περίπτωση του λαμπτήρα η απόδοση είναι: α = Εφωτ/Eηλ. Όπου Εφωτ: η φωτεινή ενέργεια που εκπέμπει και Εηλ: η ηλεκτρική ενέργεια που του προσφέρουμε για να παραμένει αναμμένος.

36 Απόδοση μηχανής – Αριθμητικό παράδειγμα (& 2.2.7)
 Ο κινητήρας του σχήματος ανεβάζει τα 4 κιβώτια, τα οποία έχουν μάζα 20 Kg έκαστο, σε ύψος 5 m. Αν η προσφερόμενη ηλεκτρική ενέργεια είναι 5000 J, πόση είναι η απόδοση του; Δίνεται g = 10 m/s2. ΛΥΣΗ Η ενέργεια που αποδίδει ο κινητήρας είναι η δυναμική ενέργεια των κιβωτίων: U = 4mgh = 420105 = 4000 J. Άρα η απόδοση του είναι α = U/Eηλ = 4000/5000 = 0,8 = 80%  Αν το 95% της ηλεκτρικής ενέργειας ο λαμπτήρας το μετατρέπει σε θερμότητα, πόση είναι η απόδοση του; ΛΥΣΗ Προφανώς μετατρέπει σε φωτεινή ενέργεια το υπόλοιπο 5%. Άρα η απόδοση του είναι α = 5%

37 Απόδοση μηχανής – Πίνακας τιμών (& 2.2.7)

38 Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος:
Υποβάθμιση ενέργειας (& 2.2.9) Όπως είδαμε δεν υπάρχει μηχανή που να μας αποδίδει όλη την ενέργεια που της προσφέρουμε. Πάντα θα έχουμε απώλειες λόγω παραγωγής θερμότητας, ακτινοβολίας κλπ. Μπορεί να αναρωτηθεί λοιπόν κάποιος: «Είναι δυνατόν να φτιάξουμε στο μέλλον, μια ιδανική μηχανή που δεν θα έχει απώλειες. Που θα έχει δηλαδή απόδοση 100%;». Το ερώτημα αυτό απαντήθηκε ξεκάθαρα από τους φυσικούς στα μέσα του 19ου αιώνα: Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος: Είναι αδύνατον (από την ίδια τη φύση) να φτιαχτεί μια μηχανή που να έχει απόδοση 100% Συνεπώς, κάθε μηχανή όταν λειτουργεί, αναγκαστικά παράγει μια ποσότητα θερμότητας που διαφεύγει στο περιβάλλον και δεν μπορεί να αξιοποιηθεί. Αυτό το φαινόμενο λέγεται υποβάθμιση της ενέργειας.

39 Υποβάθμιση ενέργειας – Πηγές ενέργειας (& 2.2.9)
Δίπλα έχουμε τις διάφορες πηγές ενέργειας και τις ανάγκες που καλύπτονται απ’ αυτές: