Energian muuntamistekniikka

Energian säästö ja muuntaminen

Energian säästön käsite

Peruslaki, jota on havaittu pitävän voimassa kaikissa luonnonilmiöissä, vaatii energian säästämistä - ts. Että kokonaisenergia ei muutu kaikissa monissa luonnossa tapahtuvissa muutoksissa. Energian säästö ei ole kuvaus mistään luonnossa tapahtuvasta prosessista, vaan pikemminkin se on lausunto siitä, että energiaksi kutsuttu määrä pysyy vakiona riippumatta siitä, milloin sitä arvioidaan tai mitä prosesseja - mahdollisesti mukaan lukien energian muuntamiset muodoista toisiin - jatka peräkkäisten arviointien välillä.

Energiansäästölakia ei sovelleta paitsi luontoon kokonaisuutena myös suljettuihin tai eristettyihin järjestelmiin myös luonnossa. Siten, jos järjestelmän rajat voidaan määritellä siten, että järjestelmään ei lisätä tai poisteta energiaa, niin energiaa on säilytettävä järjestelmässä riippumatta järjestelmän rajojen sisällä tapahtuvien prosessien yksityiskohdista. Tämän suljetun järjestelmän lausunnon seuraus on, että aina kun kahdessa peräkkäisessä arvioinnissa määritetty järjestelmän energia ei ole sama, ero on sen energian määrän mitta, joka on joko lisätty järjestelmään tai poistettu järjestelmästä kahden arvioinnin välinen aikaväli.

Energiaa voi esiintyä monissa muodoissa järjestelmässä ja se voidaan muuntaa muodoista toisiin säilyttämislain rajoissa. Nämä eri muodot sisältävät painovoimaisen, kineettisen, termisen, elastisen, sähköisen, kemiallisen, säteily-, ydin- ja massaenergian. Se on niin houkutteleva ja hyödyllinen energian käsitteen yleismaailmallisesta sovellettavuudesta kuin myös sen säilyttämistä koskevan lain täydellisyydestä eri muodoissa.

Energian muutos

Ihanteellinen järjestelmä

Yksinkertainen esimerkki järjestelmästä, jossa energia muunnetaan muodosta toiseen, saadaan heitettäessä palloa, jonka massa on m. Kun pallo heitetään pystysuoraan maasta, sen nopeus ja siten sen kineettinen energia vähenee tasaisesti, kunnes se lepää hetkellisesti korkeimmassa pisteessä. Sitten se kääntää itsensä, ja sen nopeus ja kineettinen energia kasvavat tasaisesti palautuessaan maahan. Kineettinen energia E _k pallon hetkellä, se lähti maahan (kohta 1) oli puoli tuotteen massan ja nopeuden neliöön, tai ¹ / ₂ mv ₁ ², ja väheni tasaisesti nollaan korkein kohta (kohta 2). Kun pallo nousi ilmaan, se sai painovoimapotentiaalienergiaa E _p. Tässä mielessä potentiaali ei tarkoita, että energia ei ole todellista, vaan pikemminkin, että se varastoituu jossain piilevässä muodossa ja sitä voidaan käyttää työn tekemiseen. Painovoimapotentiaalienergia on energiaa, joka varastoituu kehoon sen aseman vuoksi painovoimakentässä. Massan m gravitaatiopotentiaalienergiaa havaitaan antavan massan, saavutetun korkeuden h suhteessa jonkin vertailukorkeuden ja ruumiin kiihtyvyyden g, joka johtuu maan vetovoiman vetäessä painosta, tai mgh. Pallo poistui maasta korkeudella h _1, sen potentiaalienergia E _p1 on mgh ₁. Sen korkein kohta, sen potentiaalienergia E _p2 on mgh ₂. Sovellettaessa energiansäästölakia ja olettaen, ettei ilmassa ole kitkaa, ne muodostavat seuraavat yhtälöt:

Tässä idealisoidussa esimerkissä pallon kineettinen energia maanpinnan tasolla muunnetaan työksi nostamalla pallo arvoon h _2, missä sen painovoimapotentiaalienergia on noussut milligrammoilla (h ₂ - h ₁). Kuten pallo putoaa takaisin maanpinnan h ₁, tämä painovoiman potentiaalienergia on muunnettu takaisin kineettinen energia ja sen kokonaisenergia h ₁ taas on ¹ / ₂ mv ₁ ² + mgh ₁. Tässä tapahtumaketjussa pallin kineettinen energia on muuttumaton h _{1: ssä}; siten palloon kohdistuva työ, jota siihen vaikuttava painovoima vaikuttaa tähän tapahtumasykliin, on nolla. Tämän järjestelmän sanotaan olevan konservatiivinen.