فصل یک : انرژی

مقدمه

*معنی کلمه ی فیزیک چیست ؟

کلمه ی فیزیک از یک واژه ی یونانی به نام physis که به معنی طبیعت و ماهیت می باشد گرفته شده است.

*علم فیزیک چیست ؟

علمی است که به بررسی حرکت ،نیرو، انرژی و تأثیر آن بر روی ماده می پردازد.

انرژی : عبارت است از توانایی انجام کار

*واحد اندازه گیری انرژی در سیستم بین المللی ژول (J) می باشد امّا واحد رایج دیگری به نام کالری (cal) نیز برای آن استفاده می شود به طوری که رابطه ی آن با واحد اصلی به شکل زیر می باشد :    " "1cal = 4.2J

* (انرژی شیمیایی سیب 2.4است ) معنی این جمله یعنی چه ؟

یعنی در هر یک گرم سیب به مقدار 2.4KJ انرژی شیمیایی نهفته است.

*(آهنگ مصرف انرژی یا توان مصرفی برای خواب 5است) یعنی چه ؟

یعنی به ازای هر یک دقیقه خوابیدن به مقدار5KJ انرژی مصرف می شود.

*توان مصرفی یا آهنگ مصرف انرژی : عبارت است از این که در یک زمان معین چه مقدار انرژی مصرف شده است .

مسئله 1:شخصی در یک وعده غذا 150g  پلو و 100g گوشت پخته مصرف می کند ؛

حساب کنید کل انرژی دریافتی این شخص چند کیلو ژ ول می باشد ؟

مسئله 2: اگر شخصی g300   نان لواش وg200گرم ماهی تن بخورد حساب کنید :

الف) کل انرژی دریافتی او چقدر است ؟

ب) اگر این شخص بخواهد 30% از کل انرژی دریافتی خود را از طریق خوابیدن و بقیه را از طریق راه رفتن مصرف کند حساب کنید چند دقیقه باید بخوابد و چند دقیقه باید راه برود ؟

مسئله 3: شخصی می خواهد یک ساعت دوچرخه سواری به حالت مسابقه انجام دهد حساب کنید :  الف) کل انرژی مورد نیاز او چند کیلو ژول است ؟ ب)اگر این شخص بخواهد 43%از این انرژی را از طریق خورن گوشت پخته و بقیه را از طریق خوردن مرغ به دست آورد حساب کنید او باید چند گرم مرغ و گوشت پخته مصرف کند ؟

انرژی جنبشی

تعریف انرژی جنبشی : انرژی است که یک جسم به سبب جنبش و حرکت خود این انرژی را دارد و با حرف انگلیسی K نمایش داده می شود.

 :  فرمول انرژی جنبشی

K = انرژی جنبشی (برحسب واحد ژول )

V  = سرعت حرکت (بر حسب واحد متر بر ثانیه  )

m  = جرم بر حسب واحد کیلو گرم kg

*برای تبدیل واحد انرژی جنبشی از کیلو ژول (kj) به واحد ژول (j) باید عدد مورد نظر را به هزار ضرب کنیم.

* برای تبدیل واحد جرم از گرم به کیلو گرم  باید عدد مورد نظر را به 1000 تقسیم کنیم . برای تبدیل واحد جرم از تن به کیلو گرم باید عدد مورد نظر را به هزار ضرب کنیم.

*برای تبدیل واحد سرعت از کیلو متر بر ساعت (  ) به واحد متر بر ثانیه ( ) باید عدد مورد نظر را به 3.6 تقسیم کنیم .

مسئله 4 : اتومبیلی با جرم t5 با سرعت 72 در جاده ای حرکت می کند . انرژی

جنبشی این اتومبیل چقدر است ؟

مسئله5: انرژی جنبشی گلوله ای که با سرعت 36 پرتاب شده است ، در لحظه ی پرتاب انرژی جنبشی گلوله 2/0 بوده است حساب کنید این گلوله چند کیلو گرم است؟

مسئله 6 : جسمی به جرم kg8 در حال حرکت است اگر انرژی جنبشی آن kj1/0 باشد حساب کنید با چه سرعتی حرکت می کند ؟

انرژی درونی

تعریف انرژی درونی : عبارت است از مجموع ذرات تشکیل دهنده ی هر جسم .

*باید توجّه داشت که علامت بالا رفتن انرژی درونی جسم معمولاً به شکل گرمتر شدن اجسام (افزایش دما) ظاهر می شود .

*باید توجه داشت که مواردی نیز وجود دارند که افزایش انرژی درونی اجسام به شکل گرمتر شدن آن ها صورت نمی شود بلکه فقط حالت فیزیکی آن ها تغییر می کند .

مثال : هنگام گرما دادن به یخ صفر درجه دمای آن ثابت مانده و فقط یخ ذوب می شود .

 مثال : هنگام گرما دادن به آب جوش 100درجه دمای آن ثابت مانده و فقط آب بخار می شود . 

*باید دقّت داشت که منظور از اتلاف انرژی ، نابود شدن و از بین رفتن انرژی نمی باشد

بلکه منظور تبدیل شدن انرژی به نوعی از انرژی می باشد که دیگر عملاً قابل استفاده نیست .

مسئله 7 : گلوله ای به جرم g500 را با سرعت 8 متر بر ثانیه روی سطح زمین پرتاب می کنیم حساب کنید پس از متوقف شدن گلوله انرژی درونی گلوله ، سطح زمین و مولکول های هوا چقدر افزایش میابد ؟

قانون پایستگی انرژی :

 انرژی یک جسم هیچگاه از بین نمی رود و خود به خود نیز به وجود نمی آید و بلکه همواره ثابت و پایسته است مگر این که مقداری از آن را به جسم دیگر بدهد ویا این که از جسم دیگر انرژی دریافت کند.

*باید توجه داشت که ، در کاربرد قانون پایستگی انرژی مقدار انرژی همواره ثابت و پایسته می ماند امّا ممکن است از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود.

انرژی پتانسیل گرانشی

تعریف انرژی پتانسیل گرانشی : عبارت است از انرژی یک جسم به سبب ارتفاعی که از سطح زمین دارد در خود ذخیره می کند . وبا U نمایش داده می شود .

 : فرمول انرژی پتانسیل گرانشی

U : انرژی پتانسیل گرانشی (بر حسب واحد ژ ول J)

g : شتاب گرانش زمین (   10 یا 9.8 )

h : ارتفاع جسم از سطح زمین ( بر حسب واحد متر m)

*برای تبدیل واحد ارتفاع از کیلو متر به متر باید عدد مورد نظر را به 1000 ضرب کنیم.

* برای تبدیل واحد ارتفاع از میلی متر به متر باید عدد مورد را به 1000 تقسیم کنیم .

* برای تبدیل واحد ارتفاع ار سانتی متر به متر باید عدد مورد نظر را به 100 تقسیم کنیم.

مسئله 8:انرژی پتانسیل گرانشی جسمی در ارتفاع cm50 سطح زمین قرار دارد یک ژول است جرم این جسم را محاسبه کنید ؟ ( 10g= )

مسئله 9 : گلوله ای به جرم g200 را از ارتفاع m4 بالای سطح زمین رها می کنیم سرعت برخورد این گلوله به سطح زمین را در هر یک از حالت های زیر حساب کنید :

الف) از مقاومت هوا صرف نظر کنید .

ب) در اثر وجود مقاومت هوا 30% از انرژی گلوله تلف شود .

مسئله 10 : گلوله به جرم g800 را در راستای قائم با سرعت 36 به طرف بالا پرتاب می کنیم حد اکثر ارتفاعی را که گلوله از سطح زمین بالا می رود را در هریک از حالت های زیر به دست آورید :

الف ) از وجود مقاومت هوا چشم پوشی شود .

ب) در اثر مقاومت هوا 25% از انرژی گلوله تلف شود .

انرژی پتانسیل کشسانی

 تعریف انرژی پتانسیل کشسانی : عبارت است از انرژی ذخیره شده در یک فنر فشرده شده یا کشیده شده و با Ue نمایش داده می شود .

  :  فرمول محاسبه ی انرژی پتانسیل کشسانی

Ue  = انرژی پتانسیل کشسانی (برحسب واحد ژ ول J)

K  = ضریب ثابت یا ضریب سختی فنر (بر حسب واحد نیوتن بر متر  )

مسئله 11 : سنگی به جرم kg0.5از ارتفاع m4 بالای سطح زمین رها می کنیم این سنگ هنگام رسیدن به زمین به یک فنر قائم برخورد کرده و پس از فشردن آن به زمین می رسد.اگر شتاب گرانش زمین 10 بوده باشد انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره شده در فنر را در هر یک حالت های زیر به دست آورید :

الف) از مقاومت هوا چشم پوشی شود .

ب) در اثر مقاومت هوا 43% از انرژی سنگ تلف شود.

مسئله 12: گلوله ای به جرم kg2 با سرعت  5 روی سطح زمین به طرف یک فنر افقی پرتاب می شود و پس از فشرده کردن آن متوقف می گردد اگر ضریب ثابت فنر 2500 مقدار فشردگی فنر در هر یک از حالت های زیر محاسبه کنید :

الف ) از اصطکاک و مقاومت هوا صرف نظر شود .

ب ) در اثر اصطکاک و مقاومت هوا 40% از انرژی گلوله تلف شود.

انرژی مکانیکی

تعریف انرژی مکانیکی : عبارت است از مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل که با E نمایش داده میشود .       

قانون پایستگی انرژی مکانیکی

بنا براین قانون اگر مقاومت هوا و اصطکاک وجود نداشته باشد آن گاه انرژی مکانیکی یک جسم در تمام نقاط مسیر ثابت و پایسته می ماند .  

*اگر در اثر وجود اصطکاک و مقاومت هوا بخشی از انرژی یک جسم در جا به جایی میان دو نقطه تلف شود آن گاه دیگر انرژی مکانیکی جسم ثابت نخواهد ماند به طوری که اختلاف انرژی مکانیکی مین این دو نقطه برابر با انرژی تلف شده خواهد بود :                                         

= انرژی مکانیکی یک جسم در نقطه ی شروع

= انرژی مکانیکی جسم در نقطه ی پایان

= مقدار انرژی تلف شده

مسئله 13: گلوله ای با جرم kg0.5 با سرعت 10 از ارتفاع m2 سطح زمین در راستای قائم به طرف بالا پرتاب می شود اگر مقدار گرانش زمین 10 فرض شود بیشترین ارتفاعی که گلوله می تواند از سطح زمین داشته باشد را در هر یک از حالت های زیر محاسبه کنید :

الف ) از مقاومت هوا صرف نظر شود.

ب) در اثر مقاومت هوا 30% از انرژی جسم تلف شود.

 مسئله 14: سنگی به جرم kg2 با سرعت 5 از فاصله ی m10 بالای سطح زمین در راستای قائم به طرف پایین پر تاب می کنیم سرعت سنگ به زمین را در هر یک از حالات زیر به دست آورید :

الف ) از مقاومت هوا صرف نظر شود .

ب ) در اثر مقاومت هوا 20% از انرژی سنگ تلف شود .

منابع انرژی

انواع منابع انرژی : 1- منابع تجدید ناپذیر 2- منابع تجدید پذیر

منابع تجدید ناپذیر : منابع انرژی هستند که تنها یک بار قابلیت مصرف دارند و محدود بوده و پس از مدتی تمام می شود (مانند سوخت های فسیلی و سوخت های هسته ای )

منابع تجدید پذیر : منابعی هستند که انرژی آن ها تمام نمی شوندو معمولاً آلودگی به وجود نمی آورند ( مانند : انرژی خورشیدی ، انرژی باد ، امواج دریا ، انرژی برق آبی ، انرژی زمین گرمایی ، سوخت های گیاهی (بیومس))

سؤال ها

1- در مورد سوخت های فسیلی مختصراً توضیح دهید .

میلیون ها سال طول می کشد تا تنه های پوشیده ی درختان یا باقی مانده ی جانوران در زیر گل و لای تحت فشار دمای مناسب به زغال سنگ یا نفت و گاز تبدیل شود مجموعهی این مواد  سوخت های فسیلی نامیده می شود .

 2- مهمترین مشکل استفاده از سوخت های فسیلی چیست ؟

مهم ترین مشکل استفاده از سوخت های فسیلی آلوده کردن محیط زیست ناشی از تولید گازهای مضر مانند  و  است که باعث گرم تر شدن زمین می شود .

3- در مورد سوخت های هسته ای مختصراً توضیح دهید .

هسته ی بعضی از اتم های سنگین مانند اورانیوم و توریم میتواند بر اثر واکنش شکافت هسته ای بر اثر واکنش شکافت هسته ای انرژی قابل ملاحظه ای آزاد کند در این واکنش که        معمولاً در یک رآکتور هسته ای انجام می شود هسته ی اتم های سنگین بر اثر واکنش با

نو ترون به دو هسته ی سبک تر شکافته می شود و تولید گرمای بسیار زیادی می کند .  

4- رآکتور هسته ای چیست ؟رآکتور هسته ای در واقع کوره ای است که سوخت آن به جای زغال سنگ ، نفت یا گاز ماده ی شکافت پذیر است .

5- راحت ترین راه بهره گیری از انرژی خورشیدی چیست ؟ راحت ترین راه بهره گیری از انرژی خورشیدی در آب گرم کن های با دمای کم است در این وسیله از صفحه های خورشیدی به عنوان تبدیل انرژی استفاده می شود که نور خورشید را به انرژی گرمایی تبدیل می کند از این وسیله برای تولید آب گرم خانگی با دمای حدود 70 درجه استفاده می شود.

6- مهمترین مشکلات استفاده از سوخت های هسته ای چیست ؟

(الف) مقدار عناصر شکافت پذیر که سوخت رآکتور های هسته ای را تشکیل می دهند محدود و تمام شدنی است . (ب) آماده سازی این عناصر برای فرآیند شکافت در رآکتور- های هسته ای فرآیندی مشکل و پر هزینه است .(ج) هسته ی اتم های شکافت پذیر پرتو زا هستند و کارکردن با آن ها زیان بار است .(د)پسماند محصولات شکافت پذیر نیز پرتو زا هستند و نگهداری و دفن آن ها مسائل زیست محیطی فراوانی را به دنبال دارد که راه حل این مسائل خود هزینه ی زیادی در بردارد . (ه) وقوع حوادث در رآکتور ها باعث بخش ماده های پرتو زا در محیط زیست و آلودگی آن می شود از این رو حفظ ایمنی رآکتور های شکافت کاری بسیار مهم و پرهزینه است .

7- سلول خورشیدی چیست ؟

وسیله ای است که نور خورشید را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند .

8- مشکلات استفاده انرژی باد در توربین های بادی چیست ؟

توربین های بادی معمولاً پر سروصدا هستند و منظره ی طبیعی را نیز خراب می کنند .

9- انرژی امواج دریا چگونه استفاده می شود ؟

افت و خیز امواج دریا را می توان به کمک نوعی مبدل به انرژی لازم برای به کار انداختن مولد های برق تبدیل کرد هر چند این کار مشکل است و تولید برق در مقیاس بزرگ با این روش تا آینده ای نزدیک عملی نخواهد بود .

10-انرژی هیدروالکتریک (برق آبی) چگونه استفاده می شود ؟

جریان آب از ارتفاع زیاد به سطح پایین تر از پشت یک سد را می توان در یک طرح هیدروالکتریکی برای به کار انداختن توربین آبی متصل به یک مولد به کار برد .

11- مشکلات استفاده از انرژی هیدروالکتریک چیست ؟

خطراتی در مورد احتمال خراب شدن سدها و نیز مسائلی در ارتباط با تأثیر سد بر محیط وجود دارد زیرا با احداث سد زمین هایی که قبلاً به صورت جنگل یا برای زراعت و دامداری به کار می رفت .

 12- انرژی زمین گرمایی چیست ؟

انرژی زمین گرمایی به گرمای موجود در زیر سطح کره ی زمین گفته می شود .

13- در چه صورتی انرژی زمین گرمایی تجدید پذیر محسوب می شود ؟

انرژی زمین گرمایی در صورتی تجدید پذیر محسوب می شود که انرژی برداشت شده بیش از انرژی که از طریق مرکز زمین جایگزین می شود نباشد و همچنین مقدار آب تزریق شده و خارج شده برابر باشد .

14- چگونه از انرژی زمین گرمایی استفاده می شود؟

برای استفاده از انرژی زمین آب سرد را از طریق مجرایی به طرف صخره های داغ در عمق زمین می فرستند و آن را از طریق مجرایی دیگر به صورت آب گرم و یا بخار خارج می کنند از این آب گرم یا بخار می توان برای گرم کردن خانه ها و به کار انداختن یک توربین مولد برق استفاده کرد .

15- منظور از سوخت های گیاهی (بیومس ) چیست ؟

سوخت های گیاهی شامل محصولات زراعی ( مانند تفاله ی دانه های روغنی ) بقای محصولات ( مانند کاه ) گیاهان طبیعی که برای استفاده از چوب آن ها کشت می شود فضولات حیوانات و فاضلاب های انسانی است.

16- سوخت های گیاهی چه استفاده ای دارند ؟

بر اثر تخمیر سوخت های گیاهی آنزیم ها و یا تجزیه ی آن ها به وسیله ی باکتری ها در نبود هوا می توان مواردی نظیر الکل (اتانول)و گاز متان به دست آورد سوخت های گیاهی مایع می توانند جانشین بنزین شوند .

17- زیست گاز چیست و چگونه تولید می شود ؟

زیست گاز مخلوطی از متان و کربن دی اکسید و با انرژی حدود 70% گاز طبیعی نیز می تواند برای مصارف مختلف مورد استفاده قرار گیرد در بعضی کشور های در حال توسعه این گاز از طریق فضولات حیوانی و پسماند های آن ها در دستگاه هایی به دست می آید و برای گرم کردن و آشپزی به کار می رود .

بهینه سازی مصرف انرژی

سؤال : بشر منابع انرژی خود را در مسیری تبدیل می کند ؟

هر گونه مصرف انرژی در نهایت صرف گرم کردن محیط می شود بشر دائماً منابع انرژی خود را عمدتاً به نوعی از انرژی تبدیل می کند که برایش غیر قابل استفاده است .

سؤال : چه راه هایی برای استفاده بهینه از منابع انرژی وجود دارد ؟

با استفاده ی بیشتر از وسیله ی نقلیه ی عمومی به جای استفاده از وسایل شخصی می توان در جهت کاهش مصرف سوخت و کاهش آلودگی هوا گام برداشت همچنین با عایق بندی بهتر ساختمان ها می توان مصرف انرژی برای گرم و یا سرد کردن ساختمان ها را کاهش داد .  

 

نظرات شما عزیزان: