UNITAT 0 COMENCEM
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
1
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA ENERGIA • Si considerem que l’univers està format per matèria i energia, la matèria serà la substància dels elements de l’Univers, i l’energia és allò que dóna vida a la substància, és a dir, allò que produeix els canvis en la matèria.
• L’energia (E) és, doncs, la capacitat que tenen els cossos per realitzar treball. La seva unitat és el joule (J).
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
2
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA TREBALL • Pel que fa al treball, sovint anomenem treball a la realització de qualsevol activitat que comporta un esforç físic o intel·lectual. Ara bé, des del punt de vista físic, per poder parla de treball és necessari que l’esforç aplicat a un cos li produeixi un desplaçament.
• El treball (W) desenvolupat per una força que actua sobre un cos és el producte del component de la força F al llarg del desplaçament pel desplaçament s que pateix el cos. La seva unitat és el joule (J) (Newton · metre).
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
3
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA TREBALL • Matemàticament:
W = F ⋅ s ⋅ cosα
• Per a una mateixa força i un mateix desplaçament cal considerar: – – – –
Si α = 0º cos 0º = 1 W Si 0º <α< 90º cos α > 0 W cos 90º = 0 W Si α = 90º Si 90º <α< 180º cos α < 0 W
28/08/2013
= > = <
F 0 0 0
· s
el treball és màxim. s’anomena treball motor. el treball és nul. s’anomena treball resistent.
Unitat 0. Comencem
4
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA TREBALL
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
5
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA POTÈNCIA
• La potència (P) és el treball realitzat en cada unitat de temps. La seva unitat és el watt (W) (joule/segon). • D’altra banda, la potència que desenvolupa una força F que actua sobre un cos en la mateixa direcció que el seu desplaçament és:
W F ⋅s P = = = F ⋅v t t
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
6
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA POTÈNCIA
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
7
ENERGIA, TREBALL I POTÈNCIA
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
8
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL ENERGIA CINÈTICA • Si un cos està en repòs i el volem posar en moviment, cal que li apliquem una força durant el recorregut, és a dir, cal fer treball. De la mateixa manera, tots els cossos que es mouen posseeixen energia i per tant capacitat de realitzar treball.
• L’energia que tenen els cossos a causa del seu moviment s’anomena energia cinètica (Ec). La seva unitat és el joule (J).
1 2 Ec = ⋅ m ⋅v 2 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
9
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL ENERGIA CINÈTICA
1 Ec = ⋅ m ⋅v 2 2
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
10
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL ENERGIA POTENCIAL • Si considerem l’energia emmagatzemada en un pantà a una determinada altura, es pot comprovar que és un dipòsit d’energia. Si obrim les comportes l’aigua adquireix velocitat, i per tant, Ec a partir de la que obtenir treball. Sembla evident que, segons el principi de conservació de l’energia, aquesta energia que apareix ja hi era en l’aigua (ja que l’energia ni es crea ni es destrueix, només es transforma).
• L’energia que té un cos a causa de la seva posició respecte del centre de la terra s’anomena energia potencial gravitatòria (Ep), i depèn de la massa del cos i de l’altura a què es trobi. La seva unitat és el joule (J).
Ep = m ⋅ g ⋅ h 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
11
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL ENERGIA MECÀNICA
• La suma de l’energia cinètica i l’energia potencial d’un cos s’anomena energia mecànica (Em). La seva unitat és el joule (J).
Em = Ec + E p • Si només hi actuen forces conservatives, com el pes del cos, l’energia mecànica no varia, d’acord amb el principi de la conservació de l’energia.
E m. inicial = E p. inicial + E c. inicial = E p. final + E c. final = E m. final • Si hi actuessin forces no conservatives, com el fregament, aleshores hi hauria una pèrdua d’energia mecànica en forma de calor. 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
12
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL TRANSFORMACIÓ DE L’Ep EN Ec
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
13
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL TRANSFORMACIÓ DE L’Ep EN Ec
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
14
ENERGIA MECÀNICA, CINÈTICA I POTENCIAL TRANSFORMACIÓ DE L’Ep EN Ec
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
15
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES • El fenomen energètic és únic, per tant no seria correcte parlar de diferents tipus d’energia, sinó que parlarem de diferents manifestacions energètiques. Destacarem: Energia mecànica. Energia tèrmica. Energia interna. Energia química. Energia elèctrica. Energia nuclear. Energia radiant. Energia sonora.
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
16
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA TÈRMICA I ENERGIA INTERNA • Si ens fixem en una pilota que va rebotant reiteradament contra el terra veurem que cada cop assoleix una alçada inferior fins que finalment s’atura. Pot semblar que perd energia a cada rebot, però coneixent el principi de conservació de l’energia sabem que això no pot ser. El que passa realment és que l’energia que aparentment es perd produeix una vibració, és a dir, fa augmentar el moviment de les molècules de la pilota.
• L’energia que té un cos com a conseqüència de la suma de l’energia total que posseeixen les seves molècules s’anomena energia interna. 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
17
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA TÈRMICA I ENERGIA INTERNA • Tornant al cas de la pilota, com a conseqüència de l’augment del moviment, augmenta la seva energia interna i, per tant, no es perd energia com podria semblar. Això es manifesta amb un augment de T dels cossos en qüestió. Per tant la temperatura d’un cos és la manifestació de la seva energia tèrmica. • Si T d’un cos velocitat i separació de les seves molècules el cos s’escalfa i es dilata. • Quan l’energia tèrmica es transfereix d’un cos a un altre s’anomena calor, i sempre es transfereix del cos més calent al més fred.
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
18
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA TÈRMICA I ENERGIA INTERNA • La calor entre els cossos es pot transferir per: Conducció. Convecció. Radiació.
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
19
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA TÈRMICA I ENERGIA INTERNA Conducció Pròpia dels sòlids. Es dóna per contacte directe entre cossos a temperatures diferents. La calor sempre va del cos calent al fred fins que s’igualen les temperatures.
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
20
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA TÈRMICA I ENERGIA INTERNA Convecció Pròpia dels fluids (tant líquids com gasos). La part calenta del fluid té menys densitat i passa a la zona més alta; el fluid més fred queda a la part més baixa. Aquesta circulació s’anomena corrent de convecció.
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
21
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA TÈRMICA I ENERGIA INTERNA Radiació Es produeix en els cossos en forma d’ones electromagnètiques, que travessen els medis que els són transparents, com l’aire, sense gairebé escalfar-los, però quan incideixen sobre cossos que els són opacs, com el nostre cos, les parets d’una habitació, els transfereixen l’energia que transporten i n’augmenten la T. L’emissió és més important com més alta és la T del cos.
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
22
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA QUÍMICA
• L’energia química és l’energia que té l’origen en els enllaços entre els àtoms que formen les molècules. L’energia química és l’energia que manté units els àtoms a les molècules. ENERGIA ELÈCTRICA
• L’energia elèctrica és l’energia que proporciona el corrent elèctric. Un corrent elèctric és un flux de càrregues elèctriques en moviment, per exemple, el pas d’electrons per un circuit elèctric. Es sol mesurar en kWh. • També podem dir que és l’Ec i l’Ep dels electrons en circular en forma de corrent a través d’un circuit 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
23
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA NUCLEAR
• L’energia nuclear és l’energia que manté juntes les partícules del nucli dels àtoms en un espai molt reduït. • Qualsevol modificació del nucli, ja sigui per reaccions de fissió o de fusió, comporta la transferència d’enormes quantitats d’energia en forma d’energia radiant, tèrmica i cinètica de les partícules que es desprenen com a conseqüència d’una pèrdua de massa. • Aquesta energia es determina segons la famosa expressió proposada per Einstein:
E = m ⋅c2 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
24
MANIFESTACIONS ENERGÈTIQUES ENERGIA RADIANT
• L’energia radiant és l’energia que transporten les ones electromagnètiques, com la llum, les ones de radio, les radiacions ultraviolades,... • No necessita suport material per a la seva transmissió, i la font principal és el sol.
ENERGIA SONORA
• L’energia sonora és l’energia cinètica del moviment de vibració que es desplaça a través de les molècules d‘aire. 28/08/2013
Unitat 0. Comencem
25
TRANSFORMACIONS ENERGÈTIQUES • Hem vist que l’energia ni es crea ni es destrueix, només es transforma. Tot seguit podem veure alguns exemples d'aquestes transformacions:
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
26
TRANSFORMACIONS ENERGÈTIQUES
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
27
TRANSFORMACIONS ENERGÈTIQUES RENDIMENT • Totes les transformacions són impossibles de realitzar al 100%. En qualsevol transformació d’energia, hi ha una part d’aquesta que es transfereix en forma de calor no útil per la transformació desitjada, i aquesta part es considera una pèrdua. • Les transformacions d’energia es dues a terme a les màquines:
Wc = Wu + Wp
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
28
TRANSFORMACIONS ENERGÈTIQUES RENDIMENT
• El rendiment (η) d’una màquina és la relació que hi ha entre el treball o energia consumits (Wc) i el treball o energia útils o lliurat (Wu):
Wu η = Wc
Wu η(%) = ⋅ 100 Wc
Wc −Wp Wp η = =1 − Wc Wc
• També podem considerar les energies transferides per unitat de temps, que és més habitual a les màquines, i parlar de potència d’entrada o consumida (Pc), potència de sortida o útil (Pu) i potència perduda (Pp).
28/08/2013
Unitat 0. Comencem
29