Podsumowanie wiadomości o pracy, mocy i energii

->

W tym materiale powtórzysz pojęcia i definicje takich wielkości fizycznych, jak: praca, moc, energia mechaniczna, ciepło, energia wewnętrzna, ciepło właściwe, ciepło topnienia, ciepło parowania. Przypomnisz sobie też jedną z fundamentalnych zasad przyrody – zasadę zachowania energii i jej zastosowanie zarówno w odniesieniu do energii mechanicznej, jak i energii wewnętrznej ciał. Utrwalisz informację o zasadach działania maszyn prostych i przykłady ich praktycznego wykorzystania.

Więcej informacji znajdziesz w poniższych materiałach:

• Energia mechaniczna i jej rodzajeD1FHC6F8fEnergia mechaniczna i jej rodzaje

• Energia kinetyczna. Rozwiązywanie zadańDMd7zZB1zEnergia kinetyczna. Rozwiązywanie zadań

• Energia potencjalna grawitacji i sprężystościDV4aMfMtjEnergia potencjalna grawitacji i sprężystości

• Zasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanieDOhHFHzwGZasada zachowania energii mechanicznej i jej zastosowanie

• Maszyny proste. Wyznaczanie masy ciała przy użyciu dźwigni dwustronnejD6RJdMFEmMaszyny proste. Wyznaczanie masy ciała przy użyciu dźwigni dwustronnej

• Praca jako wielkość fizycznaD135DWBhOPraca jako wielkość fizyczna

• Moc jako szybkość wykonywania pracyDXC4K5jPuMoc jako szybkość wykonywania pracy

R1QfL80Ufyawp

Zdjęcie przedstawia w zbliżeniu silnik samolotu dwupłatowego i centralną część śmigła. Śmigło żółte, drewniane, silnik w konstrukcji gwiazdowej, z czarnymi cylindrami rozmieszczonymi promieniście wokół bloku silnika w srebrnym kolorze. Na cylindrach wyraźne ożebrowanie służące lepszemu odprowadzaniu ciepła. Na drugim planie część kadłuba samolotu w kolorze zielonym oraz fragment górnego skrzydła w kolorze żółtym. W lewym dolnym narożniku kadru w tle trawa i drzewa.

Praca

RJNy7qVRr6rkP

Ilustracja przedstawia mężczyznę próbującego wtoczyć ogromny kamień na szczyt stromej góry - opisaną w mitologii syzyfową pracę.

1. Znaczenie słowa praca w języku potocznym nie pokrywa się z jego znaczeniem w języku fizyki.

2. W języku fizyki praca $W$ to zdefiniowana wielkość, będąca iloczynem siły $F$ i przemieszczenia $s$, jeśli kierunki siły i przemieszczenia są takie same; w takiej sytuacji możemy ją wyrazić wzorem:

   $$W=F·s$$.

3. Jednostką pracy jest dżul, oznaczamy go literą $\mbox{J}$. $1 \mathrm{J}$ jest równy pracy wykonanej przez siłę $1 \mathrm{N}$ na drodze $1 \mathrm{m}$:

   $$1 \mathrm{J}=1 \mathrm{N}·1 \mathrm{m}$$.

4. Praca siły prostopadłej do przemieszczenia ma wartość zero.

Moc

RBbJwRyENI8c8

Zdjęcie przedstawia silnik typu V 12, którego cylindry są ustawione z dwóch stron jeden obok drugiego po 6 na stronę. Ustawione są pod kątem ostrym w taki sposób, że oba rzędy cylindrów stykają się dolną częścią, przez co tworzą kształt litery V. Tłoki są ukryte pod obudową. Z przodu zdjęcia znajduje się turbina obudowana kopułą. Ze środka kopuły wyprowadzona jest rura o niewielkiej średnicy. Jest to wał korbowy. Wytworzona energia jest przenoszona na wał korbowy i rozprowadzana po pojeździe. Silnik zmienia energię chemiczną w mechaniczną, ponieważ wewnątrz silnika następują kontrolowane wybuchy mieszanki paliwowo‑powietrznej. Wywołują one ruch tłoków, które napędzają wał korbowy.

1. Moc informuje nas, jaka jest szybkość wykonywanej pracy lub inaczej – ile pracy wykonywano w jednostce czasu.

2. Moc $P$ jest równa ilorazowi pracy $W$ i czasu $t$, w którym ta praca została wykonana:

   $$P=\frac{W}{t}$$.

   Jeżeli praca była wykonywana ze zmienną szybkością, to otrzymamy wartość średniej mocy.

3. Jednostką mocy w układzie SI jest wat. Urządzenie ma moc $1$ wata, jeśli w ciągu $1$ sekundy wykonuje pracę $1$ dżula:

   $$1 \mathrm{W}=\frac{1 \mathrm{J}}{1 \mathrm{s}}$$.

Maszyny proste

R1B23x3J3JVFi

Ilustracja przedstawia dźwignię dwustronną. Rzut z boku. Belka ustawiona poziomo podparta jest w jednej trzeciej swojej długości poprzez podporę w kształcie graniastosłupa prawidłowego trójkątnego ustawionego na jednej ze swoich ścian. Do końca belki znajdującego się w mniejszej odległości od podpory zaczepiony jest wektor siły F z indeksem dolnym jeden, który jest dwa razy dłuższy niż wektor siły F z indeksem dolnym dwa, który jest zaczepiony na drugim końcu belki. Oba wektory mają kierunek pionowy zwrot w dół.

1. Maszyny proste to urządzenia ułatwiające wykonanie pracy. Należy podkreślić, że nie zmniejszają one wykonanej pracy, ale pozwalają wykonać pracę z użyciem mniejszej siły.

2. Przykładami maszyn prostych są:

   • dźwignia jednostronnadźwignia jednostronnadźwignia jednostronna – sztywny pręt podparty w jednym punkcie, do którego siły są przyłożone po jednej stronie punktu podparcia;

   • dźwignia dwustronnadźwignia dwustronnadźwignia dwustronna – sztywny pręt podparty w jednym punkcie, do którego siły są przyłożone po obu stronach punktu podparcia;

   • blok nieruchomy (rodzaj dźwigni dwustronnej) – to koło zamocowane na osi, przez które przerzucono linę. Ponieważ ramiona obu sił są takie same (ich wartość jest równa promieniowi koła), to również siły po obu stronach osi obrotu mają taką samą wartość. Użycie bloku nieruchomego pozwala zmienić kierunek siły działania;

   • kołowrótiyGRGMMBng\_d858e150kołowrót – maszyna prosta będąca walcem o promieniu $r$ z umocowaną na jego końcu korbą o ramieniu $R>r$. Osią obrotu kołowrotu jest jego oś symetrii. Na kołowrót jest nawinięta lina, której jeden koniec jest przymocowany do kołowrotu, a na drugi działa siła obciążająca $Q$. Wprawiająca w ruch siła $F$ działa prostopadle do ramienia korby i jest równa:

     $$F=\frac{r}{R}·Q$$.

iyGRGMMBng_d858e150

R16N5KknIlHnb

Zdjęcie przedstawia kołowrót służący do wyciągania wiader z wodą ze studni. Kołowrót ma postać drewnianego walca przez którego oś symetrii przechodzi metalowy pręt który wystaje poza podstawy tego walca i stanowi oś obrotu tego walca. Wystające fragmenty pręta przechodzą przez otwory wykonane w drewnianych pionowych deskach zamocowanych do studni. Drewniany walec niejako wisi w powietrzu podparty tylko przez te dwie pionowe deski i może się swobodnie obracać wokół osi, którą stanowi metalowy pręt i na niego nawija się łańcuch do którego przymocowane jest wiadro z wodą. Jeden z końców pręta został wygięty pod kątem prostym, a po pewnej odległości ponownie wygięty pod kątem prostym, w ten sposób, że jego fragment po dwukrotnym wygięciu pod kątem prostym jest równoległy do osi obrotu walca i idzie w stronę od walca i tworzy rączkę kołowrotu. Odległość pomiędzy prostą przechodzą przez rączkę i prostą przechodzącą przez oś symetrii walca oznaczona jest jako duże R. Promień walca na który nawija się łańcuch oznaczony jest jako małe r. Do wiadra znajdującego się na końcu łańcucha, który owija się wokół walca przymocowany jest wektor siły ciężkości mający kierunek pionowy zwrot w dół i jest oznaczony jako Q.

Energia mechaniczna

REyvzhTr71stQ

Zdjęcie przedstawia stalowe koła zębate o różnej średnicy, które zazębiają się i przymocowane są do jakiejś metalowej konstrukcji.

1. Energię posiada ciało lub układ ciał, które mają zdolność do wykonania pracy. Może ona występować w różnych formach, np. energia elektryczna, energia cieplna, energia chemiczna, energia mechaniczna.

2. Jednostką energii jest dżul.

3. Energia ciała może się zmieniać. Gdy ciało wykonuje pracę, jego energia maleje, a podczas gdy siły zewnętrzne wykonują pracę nad ciałem – jego energia wzrasta o wartość wykonanej pracy.

4. Energia mechaniczna jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej.

5. Do oznaczenia energii najczęściej używa się symbolu $E$: $E_{\mathrm{mech}}=E_{\mathrm{kin}}+E_{\mathrm{pot}}$.

Energia potencjalna

RTVu36tvgaPdZ

Zdjęcie przedstawia wodospad. Woda spływa po skałach bujno obrośniętych roślinnością i wpada do zbiornika wodnego.

1. Energia potencjalna jest jedną z form energii mechanicznej. Posiadają ją ciała, które oddziałują ze sobą (przyciągają się lub odpychają), a jej wartość zależy od położenia tych ciał względem siebie. Jeśli między ciałami działa siła grawitacji – mówimy o energii potencjalnej grawitacji.

2. Energia potencjalna grawitacji to energia układu ciał oddziałujących siłami grawitacyjnymi. Wartość tej energii zależy od masy ciał oraz od odległości między nimi; rośnie, gdy zwiększa się odległość między oddziałującymi ciałami oraz jest większa w przypadku ciał o większej masie.

3. Wartość grawitacyjnej energii potencjalnej dla ciała o masie $m$ znajdującego się w pobliżu powierzchni Ziemi obliczamy ze wzoru:

   $$E_{\mathrm{pot}}=m·g·h$$,

   gdzie $h$ oznacza wysokość ponad pewien umownie przyjęty poziom (gdy energia potencjalna ciała jest równa zero). Oznacza to, że wartość energii potencjalnej grawitacji zależy od wyboru poziomu, względem którego ją obliczamy. Ponieważ oddziaływanie Ziemi słabnie ze wzrostem odległości od niej, zależność ta jest prawdziwa blisko powierzchni Ziemi.

4. Przyrost energii potencjalnej grawitacji nie zależy od wyboru poziomu odniesienia i jest wprost proporcjonalny do masy ciała i zmiany wysokości.

5. Energia potencjalna sprężystości to energia zgromadzona w ciałach odkształconych sprężyście. Odkształconych to znaczy rozciągniętych, ściśniętych, wygiętych lub skręconych. Wartość tej energii jest wprost proporcjonalna do kwadratu odkształcenia oraz zależy od właściwości sprężystych odkształcanego ciała. Zawsze jest równa pracy, jaką trzeba włożyć, aby odkształcić ciało.

Energia kinetyczna

R9doGYwDtIC4U

Zdjęcie przedstawia pociąg metra wjeżdżający z dużą prędkością na stację. Ruch zaznaczony jest poprzez to, że pociąg jest rozmazany.

1. Energia kinetyczna to jedna z form energii mechanicznej. Posiadają ją ciała będące w ruchu i zależy ona od masy ciała oraz wartości jego prędkości.

2. Energia kinetyczna ciała równa jest pracy, jaką trzeba wykonać, aby ciało o masie m rozpędzić do prędkości $v$ (lub zatrzymać ciało będące w ruchu).

3. Wartość energii kinetycznej ciała równa jest iloczynowi połowy masy ciała i kwadratu wartości prędkości ciała:

   $E_\text{kin}=\frac{mv^2}{2}$.

4. Energia kinetyczna ciała jest wprost proporcjonalna do masy ciała; to znaczy, że na przykład trzykrotne zwiększenie masy ciała powoduje trzykrotny wzrost jego energii kinetycznej (przy niezmienionej prędkości).

5. Energia kinetyczna ciała jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, co oznacza, że na przykład trzykrotny wzrost prędkości powoduje aż dziewięciokrotny wzrost jego energii kinetycznej (przy stałej masie ciała).

6. Wartość energii kinetycznej zależy od układu odniesienia, ponieważ prędkość ciała zależy od układu odniesienia.

7. Ciała o różnych masach mogą mieć takie same energie kinetyczne, jeśli mają różne prędkości. Ciało o masie np. 100 razy mniejszej osiągnie taką samą energię kinetyczną jak ciało masywniejsze, jeśli jego prędkość będzie 10 razy większa.

Zasada zachowania energii

1. Zasada zachowania energii mechanicznej ma charakter empiryczny, to znaczy, że została sformułowana jako wniosek z bardzo wielu doświadczeń.

2. Zasada zachowania energii mechanicznej głosi, że jeżeli siły zewnętrzne nie wykonują pracy nad układem ciał i na składniki układu nie działają siły tarcia lub oporu ośrodka, to energia mechaniczna układu pozostaje stała. To znaczy, że energie kinetyczna i potencjalna składników układu mogą się zmieniać, ale ich suma pozostaje niezmieniona. Można to zapisać równaniem:

   $${\left(E_{\mathrm{pot}}+E_{\mathrm{kin}}\right)}_{\text{początkowa}}={\left(E_{\mathrm{pot}}+E_{\mathrm{kin}}\right)}_{\text{końcowa}}$$.

3. Zasada zachowania energii mechanicznej ma duże znaczenie praktyczne, ponieważ pozwala w łatwy i prosty sposób obliczyć lub przynajmniej oszacować niektóre wielkości opisujące stan układu ciał w różnych procesach.

Temperatura a energia kinetyczna cząsteczek

Rct4b89sWDyyw

Ilustracja przedstawia alkoholowy termometr służący do mierzenia temperatury w pomieszczeniu. Wyskalowany jest od minus trzydziestu do pięćdziesięciu co dziesięć. Każda jednostka co dziesięć podzielona na dziesięć mniejszych jednostek. Termometr wyskalowany jest w skali Celsjusza. Na zdjęciu pokazuje temperaturę dwudziestu jeden stopni celsjusza.

1. Temperatura jest wielkością opisującą stan cieplny ciała i jest miarą stopnia jego nagrzania. Mierzymy ją w stopniach Celsjusza lub kelwinach.

2. Temperatura związana jest ze średnią energią kinetyczną atomów i cząsteczek – dwa ciała mają taką samą temperaturę, jeśli średnia energia kinetyczna ich atomów lub cząsteczek jest taka sama.

3. Temperatura to nie to samo co ciepło, które jest jedną z form przekazywania energii.

4. W skali Kelvina (zwanej też bezwzględną skalą temperatur) temperatura jest wprost proporcjonalna do średniej energii kinetycznej atomów lub cząsteczek.

5. Zero kelwinów (zero bezwzględne temperatur) to najniższa wartość temperatury, w której ustaje ruch termiczny atomów i cząsteczek; ich energia kinetyczna byłaby wówczas równa zeru.

6. Temperaturę odczytaną w stopniach Celsjusza przeliczamy na kelwiny, dodając liczbę $273$:

   $$T_{\text{Kelvina}}=t_{\text{Celsjusza}}+273$$.

7. Różnica temperatur ma taką samą wartość zarówno w skali Celsjusza, jak i w skali bezwzględnej.

Energia wewnętrzna i pierwsza zasada termodynamiki

1. Praca sił tarcia zamienia energię kinetyczną ciała na jego energię wewnętrzną.

2. Energia wewnętrzna ciała to suma energii kinetycznych i potencjalnych wszystkich atomów i cząsteczek tworzących to ciało.

3. Wartość energii wewnętrznej zależy od:

   • liczby atomów i cząsteczek tworzących ciało – więcej cząsteczek to więcej składników sumy;

   • temperatury ciała – wyższa temperatura to większa wartość średniej energii kinetycznej cząsteczek;

   • rodzaju substancji i stanu jej skupienia – wielkość energii potencjalnej pochodzącej od oddziaływań międzycząsteczkowych zmienia się wraz ze stanem skupienia i jest różna dla różnych substancji.

4. Pierwsza zasada termodynamiki głosi, że zmiany energii wewnętrznej ciała wywoływane są pracą oraz przepływem energii cieplnej. Całkowita zmiana energii wewnętrznej jest sumą zmian wywołanych pracą i wymianą ciepła z otoczeniem:

   $$\Delta E_{\mathrm{wew}}=W+Q$$,

   gdzie: $\Delta E_{\mathrm{wew}}$ – zmiana energii wewnętrznej, $W$ – praca, $Q$ – ciepło.

Przewodnictwo cieplne

RbQspKgN9rNBf

Zdjęcie paczki styropianu z napisem na czarnym tle: lambda równa się czterdzieści sześć tysięcznych watów na metr kwadratowy. paczka leży na betonowej podłodze, styropian jest owinięty przeźroczystą folią, biały napis na czerwonym tle "Dobre styropiany"

1. Przewodnictwo cieplne polega na przekazywaniu energii pomiędzy częściami ciała, których temperatury są różne. Ze zjawiskiem tym mamy do czynienia, gdy wydzieloną część ciała podgrzejemy. Po pewnym czasie, dzięki przekazywaniu energii, temperatura ciała wyrówna się.

2. **Wielkością przenoszoną w procesie przewodnictwa jest ciepło**, a zjawisko zachodzi dzięki różnicy temperatur.

3. Mechanizm przewodnictwa cieplnego oparty jest na bezpośrednim przekazywaniu energii kinetycznej między cząsteczkami lub atomami materii.

4. Ze względu na zdolność transportowania energii wewnętrznej substancje dzielimy na:

   • przewodniki ciepła – energia wewnętrzna jest w nich transportowana szybko i łatwo;

   • izolatory cieplne – transport energii wewnętrznej zachodzi w nich wolno.

5. Najlepszymi przewodnikami ciepła są: metale (również ciekłe), grafit, diament.

6. Dobrymi izolatorami ciepła są: gazy, pierze, wata szklana, korek, styropian, futro.

Konwekcja

RUh3v8VYJqmKa

Ilustracja przedstawia proces podgrzewania się wody w czajniku. Pod dnem czajnika znajdują się czerwone pionowe strzałki ze zwrotem w górę symbolizujące dostarczanie ciepła do czajnika. Wewnątrz przekroju czajnika widzimy nalaną wodę na której zaznaczono dwa okręgi każdy składający się z dwóch strzałek. Lewy okrąg składa się z czerwonej strzałki z niebieskim końcem grota prowadzącej od dna czajnika do powierzchni wody wyginając się w prawo, następnie zaczyna się niebieska strzałka prowadząca w dół do dna czajnika wyginająca się w lewo. Prawy okrąg składa się z czerwonej strzałki z niebieskim końcem grota prowadzącej od dna czajnika do powierzchni wody wyginając się w lewo, następnie zaczyna się niebieska strzałka prowadząca w dół do dna czajnika wyginająca się w prawo. Czerwone strzałki oznaczają kierunek przepływu cząsteczek wody o większej temperaturze od dna jak najbardziej w środku czajnika do powierzchni wodu, a niebieskie strzałki kierunek przepływu cząsteczek wody o mniejszej temperaturze od powierzchni wody jak najbliżej ścianek do dna. W ten sposób powstają jakby cykle. Woda zimniejsza jest wypychana przez cieplejszą i zajmuje miejsce gdzie wcześniej znajdowała się cieplejsza, przy dnie, i sama się ogrzewa i cykl się powtarza.

1. Konwekcja to proces przekazywania energii wewnętrznej przenoszonej przez poruszające się gaz lub ciecz.

2. Konwekcja swobodna – przyczyną ruchu gazu lub cieczy są różnice gęstości obszarów o różnej temperaturze.

Ciepło właściwe

R1cRvq7RwkFkP

Ilustracja przedstawia ciało o nieregularnych kształtach o masie jednego kilograma do którego dostarczane jest ciepło Q co jest oznaczone symbolicznie przez czerwoną strzałkę skierowaną w stronę ciała. Dostarczenie ciepła Q powoduje podniesienia temperatury tego ciała o jeden kelwin.

1. Ciepło właściwe to ilość energii potrzebna do ogrzania $1$ kilograma substancji o jeden stopień Celsjusza (o jeden kelwin). Jest to wielkość charakteryzująca daną substancję. Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest $\left|\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}·\mathrm{K}}\right|$.

2. Definicję ciepła właściwego możemy zapisać za pomocą zależności:

   $$c=\frac{Q}{m·\Delta T}$$,

   gdzie: $c$ – ciepło właściwe, $m$ – masa ciała, $\mathrm{\Delta }T$ – przyrost temperatury, $Q$ – energia dostarczona do ciała w formie cieplnej (ciepło). Można ją obliczyć po przekształceniu powyższej zależności – otrzymamy wtedy:

   $$Q=m·c·\mathrm{\Delta }T$$.

Wyznaczanie ciepła właściwego wody

R6SU8QfoCyUJ3

Ilustracja przedstawia schemat kalorymetru. Składa się on z naczynia wypełnionego wodą, zanurzonego do niej i zamocowanego w pokrywie termometru oraz mieszadełka. Naczynie to jest otoczone kolejnym naczyniem.

Aby wyznaczyć ciepło właściwe wody, musimy wykonać następujące działania:

1. zmierzyć ilość energii dostarczonej do wybranej ilości wody;

2. zmierzyć masę wody;

3. zmierzyć zmianę temperatury, będącą skutkiem dostarczania energii do wody.

Ad 1. Do tego działania najwygodniej jest użyć źródła ciepła o znanej mocy $P$ (najlepiej czajnika lub grzałki elektrycznej) i zmierzyć czas jego pracy $\tau$. W urządzeniach tych cała energia elektryczna zamieniana jest na ciepło.
Ad 2. Masę wody możemy wyznaczyć, używając wagi lub mierząc jej objętość – w tym przypadku korzystamy ze znajomości gęstości wody.
Ad 3. Termometrem możemy zmierzyć temperaturę początkową wody, a ogrzewając wodę do momentu rozpoczęcia wrzenia, uznajemy, że temperatura końcowa wody osiągnęła wartość $100˚\mathrm{C}$. Nie mierzymy tej temperatury termometrem, głównie ze względów bezpieczeństwa.

Ciepło topnienia i krzepnięcia

R18jVcXIZxTgD

Zdjęcie przedstawia palącą się białą świeczkę. Wzdłuż świeczki widać zastygnięty wosk, który po niej spływał. Płomień prosty, wysoki. Tło rozmazane.

1. Aby stopić ciało stałe, należy dostarczyć mu energii, a aby zestalić ciecz – pobrać od niej energię.

2. Ciepło topnienia (krzepnięcia) to ilość energii, jaką należy dostarczyć (odebrać), aby stopić (zestalić) 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła topnienia w układzie SI jest $\left[\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}\right]$.

3. Definicję ciepła topnienia możemy zapisać za pomocą zależności:

   $$L=\frac{Q}{m}$$,

   gdzie: $L$ – ciepło topnienia; $m$ – masa ciała; $Q$ – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

Ciepło parowania i skraplania

RYfT1ddGefipM

W większości rozmazane zdjęcie przedstawia pranie rozwieszone na sznurkach w ogrodzie, przypięte spinaczami. Ubrania i spinacze mają różne kolory. Poniżej rzadka, zielona trawa.

1. Parowanie cieczy oraz wrzenie (parowanie w całej objętości cieczy) wymaga dostarczania energii do cieczy, natomiast skraplanie wymaga odbierania energii od substancji w fazie gazowej.

2. **Ciepło parowania (skraplania)** to ilość energii, jaką należy dostarczyć (odprowadzić), aby odparować (skroplić) 1 kilogram danej substancji. Jest to wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju substancji. Jednostką ciepła parowania w układzie SI jest $\left[\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg}}\right]$.

3. Definicję ciepła parowania możemy zapisać za pomocą wzoru:

   $$R=\frac{Q}{m}$$$$$$,

   gdzie: $R$ – ciepło parowania; $m$ – masa ciała; $\mathrm{\Delta }E=Q$ – energia (ciepło) dostarczone do ciała.

Energia wewnętrzna a zmiany stanu skupienia

R1TLGskkqsd0U

Zdjęcia przedstawiające pokrywę lodową na jeziorze, na którą świeci słońce – wyraźnie widoczne promienie słoneczne padające na powierzchnię lodu. Widać także chmury - parę wodną i wodę pod lodem. W tle na horyzoncie zacienione wzniesienia, krzaki i latarnie uliczne.

1. Topnienie, parowanie i sublimacja to zmiany stanu skupienia, które wymagają dostarczania energii do substancji.

2. Dostarczona energia powoduje wzrost energii wewnętrznej ciała związany ze zmianą struktury wewnętrznej tej substancji – rośnie energia potencjalna wynikająca z oddziaływań wzajemnych atomów i cząsteczek.

3. Krzepnięcie, skraplanie i resublimacja to zmiany stanu skupienia, które wymagają oddawania energii przez substancję.

4. Oddana energia powoduje zmniejszenie energii wewnętrznej ciała i wiąże się ze zmianą struktury wewnętrznej substancji – maleje energia potencjalna wynikająca z oddziaływań wzajemnych atomów i cząsteczek.

Kalorie

R1coZ5Vohk345

Zdjęcie przestawia karton mleka. Wyróżniono na nim tabelkę wartość odżywcza w stu mililitrach produktu. Wartość energetyczną podano w kilodżulach oraz kilokaloriach.

Inną, pozaukładową jednostką energii jest kaloria, z łaciny calor - ciepło, oznaczana $\mbox{cal}$. Historycznie definiowana była m.in. jako ilość energii potrzebna do podgrzania $1\,\mbox{g}$ czystej wody pod ciśnieniem $1\,\mbox{atm}$ od $14,5^\circ\mbox{C}$ do $15,5^\circ\mbox{C}$. Obecnie używana jest głównie przy określaniu wartości energertycznej różnych produktów.

Do wyrażania wartości energetycznej potraw stosuje się kilokalorie ($\mbox{kcal}$), będące wielkorotnością kalorii ($1\mbox{kcal}=1000\mbox{cal}$). Przy przeliczaniu wartości energetycznej produktów spożywczych korzysta się z przelicznika:

Jest to kaloria termochemiczna, która została zaadoptowana do tego celu ze względu na to, że dietetyka jest bardzo powiązana z chemią.

Czasem można je jeszcze spotkać przy określaniu wartości opałowej paliw (np. węgla czy gazu), wtedy używa się najczęsciej wielokrotności kalorii (np. megakalorii, gigakalorii). Przy czym:

Jest to definicja kalorii przyjęta w $1956$ r. podczas Fifth International Conference on Properties of Steam odbywającej się w Londynie. Przelicznik ten wszedł do użytku w fizyce oraz energetyce.

RIqv6Bnk3aYXL

Ilustracja składa się z dwóch zdjęć z podpisami. Na pierwszym zdjęciu bryłki węgla. Podpis: granulacja czterdzieści do osiemdziesięciu milimetrów, kaloryczność dwadzieścia sześć do dwudziestu ośmiu megadżuli na kilogram, popiół do pięciu procent, siarka do pół procenta, Ri mniejsze niż pięć, części lotne powyżej trzydziestu pięciu procent. Na drugim zdjęciu płomień palnika gazowego. Podpis: ciepło spalania sto dwa i szesnaście setnych megadżula na metr sześcienny, wartość opałowa dziewięćdziesiąt dwa i osiemdziesiąt osiem setnych megadżula na kilogram, gęstość względna jeden przecinek pięćset sześćdziesiąt dwa, granice wybuch dwa przecinek dwanaście do dziewięć przecinek trzydzieści pięć procenta, temp płomienia dwa tysiące sto dziewięćdziesiąt stopni celsjusza.

2

Ćwiczenie 3

Oceń prawdziwość zdań na podstawie wykresu przedstawiającego zależność temperatury $T$ od ciepła $Q$ dostarczonego dla ciał $C_1$ i $C_2$ o jednakowych masach przy ich ogrzewaniu podczas topnienia. Zaznacz Prawda lub Fałsz.

R14pocBh8v73h

Na rysunku znajduje się układ współrzędnych, oś pozioma oznaczona jako duże T, oś pionowa jako duże Q. Obszar wykresu podzielony jest pionowymi i poziomymi liniami na kwadraty o boku jednej jednostki umownej. Z początku układu współrzędnych wychodzi łamana podpisana C z indeksem dolnym jeden, składa się ona z odcinka mającego swój początek w początku układu współrzędnych, a koniec w punkcie o odciętej dwie jednostki umowne i rzędnej dwie jednostki umowne. Poziomego odcinka o długości trzech jednostek umownych rozpoczynającego się w punkcie o odciętej dwie jednostki umowne i rzędnej dwie jednostki umowne oraz odcinka, który ma początek w punkcie o odciętej pięć jednostek umownych i rzędnej dwie jednostki umowne i koniec w punkcie o odciętej siedem jednostek umownych i rzędnej pięć jednostek umownych.Z początku układu współrzędnych wychodzi łamana podpisana C z indeksem dolnym dwa, składa się ona z odcinka mającego swój początek w początku układu współrzędnych, a koniec w punkcie o odciętej jedna jednostka umowna i rzędnej trzy jednostki umowne. Poziomego odcinka o długości trzech jednostek umownych rozpoczynającego się w punkcie o odciętej jedna jednostka umowna i rzędnej trzy jednostki umowne oraz odcinka, który ma początek w punkcie o odciętej cztery jednostki umowne i rzędnej trzy jednostki umowne i koniec w punkcie o odciętej siedem jednostek umownych i rzędnej pięć jednostek umownych.

R4zDDEdgtSCwp

Łączenie par. . Ciepło topnienia ciała $C_1$ jest mniejsze niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie ciekłym jest większe niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie ciekłym jest mniejsze niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Temperatura topnienia ciała $C_1$ jest większa niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie stałym jest mniejsze niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło topnienia ciała $C_1$ jest takie samo jak ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło topnienia ciała $C_1$ jest większe niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie stałym jest większe niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

Łączenie par. . Ciepło topnienia ciała $C_1$ jest mniejsze niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie ciekłym jest większe niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie ciekłym jest mniejsze niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Temperatura topnienia ciała $C_1$ jest większa niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie stałym jest mniejsze niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło topnienia ciała $C_1$ jest takie samo jak ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło topnienia ciała $C_1$ jest większe niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz. Ciepło właściwe ciała $C_1$ w stanie stałym jest większe niż ciała $C_2$.. Możliwe odpowiedzi: Prawda, Fałsz

Słownik

dźwignia jednostronna

dźwignia jednostronna

sztywny pręt podparty w jednym punkcie, do którego siły są przyłożone po jednej stronie punktu podparcia.

RKDEkMOBaxCAa

Ilustracja przedstawia dźwignię jednostronną. Rzut z boku. Belka ustawiona poziomo podparta jest w jednym ze swoich końców przez podporę w kształcie graniastosłupa prawidłowego trójkątnego ustawionego na jednej ze swoich ścian. Do drugiego końca belki zaczepiony jest wektor siły F z indeksem dolnym jeden mający kierunek poziomy zwrot w górę. Odległość punktu przyłożenia tego wektora od podpory oznaczony jest jako r z indeksem dolnym jeden. W odległości około jednej piątej długości belki licząc od podpory zaczepiony jest wektor siły F z indeksem dolnym dwa, który ma kierunek pionowy zwrot w dół i jest znacznie dłuższy od długości wektora F z indeksem dolnym jeden. Odległość pomiędzy punktem podparcia belki a punktem przyłożenia wektora F z indeksem dolnym dwa oznaczono jako r z indeksem dolnym dwa.

Dźwignia jednostronna jest w równowadze, gdy siły działające na dźwignię mają przeciwne zwroty, a iloczyny wartości siły i jej ramienia – taką samą wartość dla obu sił, czyli: 

$$F_1·r_1=F_2·r_2$$

dźwignia dwustronna

dźwignia dwustronna

sztywny pręt podparty w jednym punkcie, do którego siły są przyłożone po obu stronach punktu podparcia.

R16sCOBuzIdOa

Ilustracja przedstawia dźwignię dwustronną. Rzut z boku. Belka ustawiona poziomo podparta jest w jednej czwartej swojej długości poprzez podporę w kształcie graniastosłupa prawidłowego trójkątnego ustawionego na jednej ze swoich ścian. Do końca belki znajdującego się w mniejszej odległości od podpory zaczepiony jest wektor siły F z indeksem dolnym dwa, który jest znacznie dłuższy niż wektor siły F z indeksem dolnym jeden, który jest zaczepiony na drugim końcu belki. Oba wektory mają kierunek pionowy zwrot w dół. Odległość od punktu podparcia belki do punktu przyłożenia wektora F z indeksem dolnym jeden oznaczono jako r z indeksem dolnym jeden, a odległość od punktu podparcia belki do punktu przyłożenia wektora F z indeksem dolnym dwa oznaczono jako r z indeksem dolnym dwa.

Dźwignia dwustronna pozostaje w równowadze, jeśli iloczyn siły i ramienia siły ma taką samą wartość po obu stronach punktu podparcia dźwigni, czyli:

$$F_1·r_1=F_2·r_2$$

oraz siły po obu stronach osi obrotu mają taki sam zwrot i są prostopadłe do dźwigni.

Zadania