انرژی و تبدیلهای آن

مقدمه فصل هشتم

انرژی در همه چیز و همه جا وجود دارد؛ اما وقتی به وجود آن پی ‌می‌بریم که منتقل یا تبدیل شود.

مفهوم کار

گزینه ۴. در سایر گزینه‌ها نیرویی موجب جابجایی نشده است؛ اما در گزینه چهارم، دست کودک نیرویی به سمت بالا به توپ وارد کرده است و این نیرو موجب حرکت توپ (به همراه دست کودک) به سمت بالا شده است.

اثرات نیرو

وارد کردن نیرو بر یک جسم ممکن است سبب:

• الف) شروع حرکت آن شود.
• ب) سریع‌تر شدن حرکت آن شود.
• پ) کند شدن حرکت آن شود.
• ت) توقف حرکت آن شود.
• ث) تغییر شکل آن شود.
• ج) تغییر جهت حرکت آن شود.

عوامل انجام کار

• نیرو
• جابجایی در راستای نیرو

تعریف کار

حاصلضرب جابجایی در نیرو را کار می‌گویند.

واحد کار

در رابطه‌ی محاسبه کار:

یکای نیرو نیوتن (N) و یکای جابجایی متر (m) است. بنابراین یکای کار، حاصلضرب نیوتن در متر می‌باشد که به پاس خدمات جیمز ژول، به نام ژول (J) نامگذاری شده است.

یکای کار همان یکای انرژی (ژول) است.

وقتی نیرو هست ولی کاری انجام نمی‌شود

• وزنه‌بردای که وزنه‌ای را بالای سرش نگه داشته است.
• شخصی که دیواری را هل می‌دهد.
• شخصی که جعبه‌ای را نگه داشته است و به آرامی حرکت می‌کند.

در دو حالت اول، جابجایی صفر است بنابراین حاصلضرب نیرو در جابجایی صفر می‌شود. در حالت سوم، جابجایی در جهت نیرو نداریم (نیرو عمودی است ولی جابجایی افقی است) بنابراین دراین حالت هم کار صفر است.

مراحل حل مسئله

1. خلاصه نویسی (نوشتن معلومات و مجهولات مسئله)
2. مشخص کردن معادله با توجه به اطلاعات مسئله.
3. مقایسه یکاهای معلومات مسئله و تبدیل یکاها در صورت لزوم.
4. جایگزینی معلومات مسئله در معادله
5. پیدا کردن مجهول مسئله (حل معادله ریاضی)

حالت‌های مختلف انرژی

حرکتی، گرمایی، نورانی، صوتی، شیمیایی

تبدیل انرژی در کشتی

بیشتر انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرکتی کشتی تبدیل می‌شود. بخشی از آن انرژی هم به انرژی گرمایی و انرژی صوتی و ... تبدیل می‌شود.

تبدیل انرژی در هیزم

انرژی شیمیایی ذخیره شده در چوب ه انرژی گرمایی و انرژی نورانی تبدیل می‌شود.

تبدیل انرژی در تلوزیون

انرژی الکتریکی وارد شده به تلوزیون به انرژی نورانی و انرژی صوتی و انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

تبدیل انرژی در رادیو

1. الکتریکی
2. صوتی

تبدیل انرژی در چراغ قوه

1. شیمیایی
2. الکتریکی
3. گرمایی
4. نورانی

تعریف انرژی جنبشی

هر جسمی که در حال حرکت است، انرژی حرکتی دارد. معمولا انرژی حرکتی را انرژی جنبشی می‌نامیم.

عوامل انرژی جنبشی

انرژی جنبشی هر جسم به جرم جسم و مقدار سرعت حرکت آن بستگی دارد.

عوامل انرژی جنبشی

1. سنگین‌تر
2. تندتر

اثر سرعت بر انرژی

خودروی سبز رنگ که سرعت بیشتری دارد، دارای انرژی جنبشی بیشتری است (جرم این دو مساوی است)

اثر جرم بر انرژی جنبشی

انرژی جنبشی کامیون بیشتر است چرا که جرم بیشتری دارد (سرعتشان یکی است)

تبدیل کار به انرژی پتانسیل

نادرست.

ممکن است کار انجام شده روی جسم، انرژی پتانسیل آن را تغییر دهد و تاثیری بر انرژی جنبشی آن نداشته باشد.

تعریف انرژی پتانسیل

وقتی کاری روی جسمی انجام شود و این کار به صورت انرژی در جسم ذخیره شود، به این انرژی ذخیره شده (که بعدا می‌تواند به صورت انرژی جنبشی آزاد شود)، انرژی پتانسیل می‌گویند.

انواع انرژی پتانسیل

• انرژی پتانسیل گرانشی
• انرژی پتانسیل شیمیایی
• انرژی پتانسیل کشسانی

مثالی از انرژی پتانسیل گرانشی

به شکل انرژی پتانسیل گرانشی در آن ذخیره می‌شود.

عوامل انرژی پتانسیل گرانشی

1. وزن جسم
2. ارتفاع جسم از سطح زمین

تعریف انرژی پتانسیل گرانشی

انرژی ذخیره شده در اجسامی که در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین قرار دارند.

مانند انرژی وزنه آویخته شده و انرژی آب در پشت سد

تعریف انرژی پتانسیل کشسانی

انرژی ذخیره شده در اجسام کشسان.

مانند انرژی ذخیره شده در یک فنر فشرده شده و یا انرژی ذخیره شده در یک نوار لاستیکی کشیده شده.

تعریف انرژی پتانسیل شیمیایی

انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد.

مانند انرژی ذخیره شده در انواع سوخت‌ها و انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد غذایی

تبدیل انرژی در ورزش تیروکمان

1. انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره شده در عضلات دست، روی زه کمان کار انجام می‌دهد و این کار، به صورت انرژی پتانسیل شیمایی در زه کمان ذخیره می‌شود.
2. با رها شدن تیر از کمان، انرژی پتانسیل کشسانی کمان به انرژی جنبشی موجود در تیر در حال حرکت تبدیل می‌شود.
3. تیر هنگام حرکت در هوا، مقداری از انرژی جنبشی خود را به مولکول‌های هوا منتقل می‌کند و این انرژی به شکل انرژی صوتی درمی‌آید.
4. اصطکاک بین مولکول‌های هوا و تیر، بخشی از انرژی جنبشی تیر را به انرژی گرمایی تبدیل می‌کند.
5. تیر اندکی به سمت بالا حرکت می‌کند، بنابراین از سرعت آن کاسته می‌شود. یعنی بخشی از انرژی جنبشی آن به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می‌شود.
6. هنگام فرود آمدن تیر، ارتفاع آن کم می‌شود (انرژی پتانسیل گرانشی آن کم می‌شود) و در عوض سرعت آن اندکی بیشتر می‌شود (انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود)
7. هنگامی که تیر روی هدف می‌نشیند، انرژی جنبشی باقیمانده آن به انرژی گرمایی تبدیل می‌شود.

تبدیل انرژی در پرتاب توپ

انرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن ما به انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل گرانشی توپ تبدیل می‌شود.

پایستگی انرژی در لامپ

همان ۱۰ ژول. زیرا به دلیل قانون پایستگی انرژی، انرژی کم یا زیاد نمی‌شود بلکه تنها، شکل آن تغییر می‌کند.

تعریف پایستگی انرژی

انرژی هرگز به وجود نمی‌آید یا از بین نمی‌رود؛ تنها شکل آن تغییر می‌کند و مقدار کل آن ثابت می‌ماند.

انرژی غذاها

انرژی پتانسیل شیمیایی.

نیاز بدن به انرژی

درست.

هنگام راه رفتن، دویدن، خندیدن، و صحبت کردن انرژی مصرف می‌کنیم. حتی موقع خواب هم بدن برای کار قلب و شش‌ها به انرژی نیاز دارد.

منبع انرژی بدن

از غذاهایی که می‌خوریم

واحد انرژی غذاها

با واحد کیلو ژول  (kJ) یا کیلو کالری (kcal)

رابطه ژول و کالری

یک کالری معادل 4.2 ژول است. بنابراین، یک کیلو کالری مساوی 4200 ژول یا 4.2 کیلو ژول است.

آهنگ مصرف انرژی (توان)

بدن برای هر فعالیتی، مقداری انرژی مصرف می‌کند اما این انرژی به مدت یا سرعت انجام آن فعالیت هم بستگی دارد.

آهنگ مصرف انرژی، مقدار انرژی مصرف شده در یک زمان معین (مثلا یک دقیقه) است.

از آهنگ مصرف انرژی برای بیان شدت انرژی مصرف شده در هر فعالیت استفاده می‌شود.

سرعت مصرف یا تبدیل انرژی (توان)

مقدار انرژی مصرف (یا تبدیل) شده در واحد زمان، آهنگ مصرف انرژی یا توان نامیده می‌شود. 

یکای اندازه‌گیری توان، ژول بر ثانیه یا وات است که با علامت w نشان داده می‌شود.

P_(w) = E_(j) / t_(s)   (توان = انرژی / زمان )