James Prescott Joule i energija Napravila Marieta Gal

James Prescott Joule i energija Napravila: Marieta Gal 7. d

• • • James Prescott Joule RAD SILE Rad je fizička veličina kojom opisujemo djelovanje sile na nekom putu Oznaka za rad je W (work) Formula za izračunavanje rada je: W= F * s (F je sila tijela, a s je pređeni put na kojem djeluje ta sila) • • rođen je 24. prosinca 1818. godine, a umro 11. listopada 1889. godine u Sale, Cheshire bio je engleski fizičar i utemeljio je Prvi zakon termodinamike Zakon o očuvanju energije zaključio je da su različiti oblici energije (mehanička, električka, toplina) u suštini iste i samo mijenjaju oblike iz jedne u drugu 1835. studirao je s engleskim kemičarom John Daltonom na Sveučilištu u Manchesteru opisujući Jouleov zakon i proizvodnju topline iz galvanske energije, utvrdio je da je toplina proizvedena strujom u vodiču proporcionalna umnošku otpora vodiča i kvadrata struje 1843. objavio je svoju jedinicu za količinu rada potrebnog za proizvodnju jedinice topline, nazvanu mehaničkim ekvivalentom topline koristio je razne materijale i utvrdio je da je toplina oblik energije povezan sa materijalom koji je grijan 1852. su Joule i William Thompson (kasnije Lord Kelvin) otkrili da se izoliranom plinu sa povećavanjem volumena smanjuje temperatura, taj efekt je u toku 19. stoljeća zauzeo važno mjesto u rashladnoj industriji mjerna jedinica za energiju, džul (J) dobila je ime po njemu

Energija • Jouleova ideja o energiji se isprva nije prihvaćala, djelom zbog toga što je zahjevala precizna mjerenja, što nije bilo tako uobičajeno u fizici tog vremena • njegov najpoznatiji eksperiment je uključivao korištenje padajućeg utega koji je vrtio kotač u izoliranoj bačvi vode, čije je smanjenje temperature mjeriti temperaturu do preciznosti od 1/200 stupnjeva Fahrenheita, u što njegovi suvremenici nisu vjerovali jer su to smatrali nemogućim • Jouleovi eksperimenti su upotpunili rad Rudolfa Clausiusa, za kojeg se smatra da je bio jedan od stvoritelja koncepta energije • na daljnje otpore je naišao jer je njegov rad bio u kontradiktornosti sa rasprostranjenim vjerovanjem da je toplina tekućina «kalorija» , koja se nije mogla stvoriti niti uništiti, dok je Joule tvrdio da je toplina samo jedan od mnogih oblika energije i samo je ukupna suma svih oblika sačuvana • predložio je kinetičku teoriju topline (Joule je vjerovao da je kinetička energija oblik rotacijske, a ne translacijske energije) i trebao je pojmovni skok: ako je toplina bila oblik molekularnog gibanja, zašto to gibanje s vremenom ne trne? Jouleova ideja je zahtjevala da se vjeruje kako su sudari molekula savršeno • Iako je danas teško shvatiti privlačnost kaloričke teorije, u ono vrijeme se činilo da ona ima neke očite prednosti, Carnotova uspješna teorija toplinskih strojeva se također bazirala na kaloričkoj pretpostavci i tek je kasnije Lord Kelvin dokazao da je Carnotova matematika jednako valjana bez kaloričke teorije

• riječ energija nastala je od grčke riječi energos što znači aktivnost • energija je karakteristika sustava kojom se opisuje sposobnost tog sustava da vrši neki rad • prema međunarodnom sustavu mjernih jedinica, u čast britanskom fizičaru James Prescott Joule-u mjerna jedinica za energiju nazvana je džul (J) • važno svojstvo energije je da ne može niti nastati niti nestati pa je prema tome količina energije u zatvorenom sustavu uvijek konstantna (‘Zakon o očuvanju energije’) • svi do sad poznati prirodni procesi i fenomeni mogu se objasniti s nekoliko oblika energije premadefinicijama: kinetička energija, potencijalna energija, toplinska energija, gravitacija, elastičnost, elektromagnetizam, kemijska energija, nuklearna energija i masa • iako ne može niti nastati niti nestati, energija može prelaziti iz jednog oblika u drugi (rad ili snaga) • u čast škotskom inženjeru i izumitelju James Watt-u mjerna jedinica za rad nazvana je vat (W), a jedan vat je rad obavljen u jednoj sekundi prelaskom jednog džula energije iz jednog oblika u drugi (W = 1 J/s)

Sunce kao izvor energije • Sunce je najveći izvor energije u solarnom sustavu zbog toga jer je relativno malo u odnosu na ostale zvijezde i zato jer je žuto • Sunce spada u klasu zvijezda koje nazivamo žuti patuljak, iako je relativno malo usporedimo li ga s ostalim zvijezdama, Sunce je golemo u usporedbi s planetima koji ga okružuju (u Suncu je sadržano 99, 8% mase cijelog sunčevog sustava) • glavni energetski proces koji se odvija na Suncu je nuklearna fuzija, to je spajanje dva laka atoma u jedan teži, uz oslobađanje energije proporcionalne razlici masa prije i nakon reakcije (prema Einstein-ovoj formuli E = mc 2) • nuklearnom fuzijom se svake sekunde u Suncu pretvori oko 700. 000 tona vodika u oko 695. 000 tona helija, a razlika od 5. 000 tona se pretvori po Einstein-ovoj formuli u energiju u obliku gama zračenja, kada se tih 5. 000 tona u sekundi pretvori u rad odnosno snagu dobije se da je snaga Sunca oko 386 milijardi megawata

Oblici energije • Potencijalna energija - ime „potencijalna energija“ dolazi iz pretpostavke da se takva energija može lako pretvoriti u koristan rad - dvije najočitije vrste potencijalne energije su gravitacijska potencijalna energija i elastična potencijalna energija - gravitacijska potencijalna energija je energija povezana s gravitacijskom silom i djeluje između bilo koja dva objekta koji imaju masu - elastična potencijalna energija je potencijalna energija elastičnog objekta poput opruge, katapulta i sličnog, nastaje kao posljedica sila koje pokušavaju objekt vratiti u izvorni položaj, a to su najčešće elektromagnetske sile u atomima i molekulama koje tvore objekt - primjer iskorištavanja gravitacijske potencijalne energije su velike hidroelektrane kod kojih se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju kojom se tada pokreće turbina generatora električne energije • Kinetička energija - kinetička energija ili energija kretanja je energija potrebna da se neki objekt ubrza na neku brzinu, odnosno energija objekta kod određene brzine u odnosu na neki referentni objekt - prema klasičnoj mehanici kinetička energija proporcionalna je masi objekta i kvadratu brzine kretanja objekta - kod brzina usporedivih s brzinom svjetlosti kinetička energija se više ne može računati formulama koje vrijede u normalnoj klasičnoj mehanici, nego se mora upotrijebiti teorija relativnosti - energija objekta koji se kreće brzinom usporedivom s brzinom svjetlosti računa se Lorentz-ovim transformacijama prema kojima objekt koji bi se kretao brzinom svjetlosti mora imati beskonačnu energiju, pa je samim time i nemoguće ubrzati objekt na brzinu svjetlosti - primjer iskorištavanja kinetičke energije je pretvaranje energije vjetra u električnu energiju u vjetrenjačama

• Toplinska energija - energija nasumičnog gibanja mikroskopskih čestica koje tvore objekt, tj. energetski udio sustava koji se povećava s temperaturom - toplinska energija prelazi sa jednog objekta na drugi zbog razlike u temperaturi - toplina se prenosi na tri osnovna načina: kondukcijom, konvekcijom i zračenjem - kondukcija topline je spontani prijelaz toplinske energije kroz tvar iz toplijeg dijela u hladniji dio u svrhu izjednačavanja temperaturnih razlika - konvekcija je strujanje kapljevina ili plinova kod kojeg topliji fluid struji prema hladnijem i predaje toplinu okolini - toplije tijelo zrači jačim elektromagnetskim zračenjem jer što je neko tijelo toplije atomi koji čine to tijelo imaju sve veću energiju i titranje električnih naboja je intenzivnije, tim zračenjem se toplina može prenositi s jednog tijela na drugo - toplinska energije se može direktno koristiti za grijanje ili posredno za dobivanje ostalih oblika energije. tako se toplinska energija spremljena unutar Zemlje –geotermalna energija • Električna energija - oblik potencijalne energije u polju Kulonove sile u kojem se čestice istog naboja međusobno odbijaju, a čestice suprotnih naboja se međusobno privlače - električna energija nedvojbeno je trenutno najvažniji oblik energije koji koristi čovječanstvo jer se relativno jednostavno transportira i što je najvažnije – jednostavno se može pretvoriti u ostale korisne oblike energije poput kinetičke i toplinske energije - trenutno se najvećim dijelom proizvodi iz fosilnih goriva i to uglavnom iz ugljena, budući da fosilna goriva imaju negativne posljedice na okoliš i nisu neiscrpna, sve se više koriste alternativne metode proizvodnje električne energije poput iskorištavanja energije Sunca, energije vode, geotermalne energije, energije vjetra i drugih

• Kemijska energija - može se definirati kao rad koji obave električne sile prilikom preslagivanja električnih naboja – protona i elektrona – u kemijskim procesima - ako se kemijska energija sustava smanji u kemijskoj reakciji to znači da je razlika emitirana u okolinu u obliku svijetlosti ili topline, a ako se kemijska energija poveća to znači da je sustav iz okoline uzeo određenu količinu energije i to najčešće u obliku svijetlosti ili topline - vatra je jedan oblik prelaska kemijske energije u toplinu i svjetlost, a može nastati samo ako su zadovoljena tri osnovna uvjeta za lančanu reakciju: prisutnost dovoljne količine kisika, prisutnost gorivog materijala i prisutnost dovoljne količine topline - primjer iskorištavanja kemijske energije su fosilna goriva koja izgaranjem oslobađaju toplinu koja se onda direktno preko pritiska pretvara u kinetičku energiju ili se koristi za grijanje neke tekućine u svrhu isparavanja te tekućine i dobivanja kinetičke energije - - primjer pretvaranja kemijske energije u električnu energiju je elektrana na ugljen • Nuklearna energija - energija koja se dobiva postupcima nuklearne fuzije i nuklearne fisije - nuklearna fuzija je spajanje dva ili više laka atoma u jedan teži uz oslobađanje određene količine energije u obliku raznih zračenja - nuklearna fisija je također oslobađanje određene količine energije u obliku raznih zračenja, ali dobiva se cijepanjem teških atoma na dva ili više manja atoma - kod oba postupka uvijek je masa prije reakcije veća od mase nakon reakcije, a razlika u masama pretvorena je u energiju po Einsteinovoj formuli E=mc 2 - energija Sunca posljedica je neprestane nuklearne fuzije koja se odvija u jezgri zvijezde i u obliku zračenja dolazi do površine i onda zrači u svemir - istraživanja mogućeg iskorištavanja nuklearne fuzije na zemlji su još u početnoj fazi u obliku međunarodnog ITER projekta, ali za sad nema naznaka da bi se nuklearna fuzija mogla u skorijoj budućnosti koristiti na zemlji -nuklearna fisija je dovoljno jednostavan proces koji se široko iskorištava u nuklearnim reaktorima za proizvodnju električne energije