Energikonverteringsteknik

Energibesparing och transformation

Begreppet energibesparing

En grundläggande lag som har observerats gälla för alla naturfenomen kräver bevarande av energi - dvs. att den totala energin inte förändras i alla de många förändringar som sker i naturen. Energibesparing är inte en beskrivning av någon process som pågår i naturen, utan snarare ett uttalande om att den mängd som kallas energi förblir konstant oavsett när den utvärderas eller vilka processer - eventuellt inklusive transformationer av energi från en form till en annan - fortsätta mellan successiva utvärderingar.

Lagen om bevarande av energi tillämpas inte bara på naturen som helhet utan även på stängda eller isolerade system i naturen. Således, om gränserna för ett system kan definieras på ett sådant sätt att ingen energi varken läggs till eller tas bort från systemet, måste energi bevaras inom detta system oavsett detaljer om processerna som pågår inom systemgränserna. En följd av detta uttalande om slutet system är att närhelst energisystemet i ett system som bestäms i två på varandra följande utvärderingar inte är samma, är skillnaden ett mått på den mängd energi som antingen har lagts till eller tagits bort från systemet i tidsintervall mellan de två utvärderingarna.

Energi kan existera i många former inom ett system och kan omvandlas från en form till en annan inom begränsningen av bevarandelagen. Dessa olika former inkluderar gravitations-, kinetisk, termisk, elastisk, elektrisk, kemisk, strålnings-, kärnkrafts- och massaenergi. Det är den universella användbarheten av energibegreppet, liksom fullständigheten av lagen om dess bevarande inom olika former, som gör det så attraktivt och användbart.

Transformation av energi

Ett idealiskt system

Ett enkelt exempel på ett system där energi konverteras från en form till en annan tillhandahålls i kast av en boll med massa m i luften. När bollen kastas vertikalt från marken minskar dess hastighet och därmed dess kinetiska energi stadigt tills den kommer att vila ett ögonblick vid sin högsta punkt. Därefter vänder den sig själv, och dess hastighet och kinetiska energi ökar stadigt när den återvänder till marken. Den kinetiska energin E _k av kulan i det ögonblick den lämnade marken (punkt 1) var halv produkten av massan och kvadraten på hastigheten, eller ^en / ₂ mv ₁ ², och minskade stadigt till noll vid den högsta punkten (punkt 2). När bollen steg i luften fick den gravitationspotentialenergi E _p. Potential i denna mening betyder inte att energin inte är verklig utan snarare att den lagras i någon latent form och kan utnyttjas för att utföra arbete. Gravitationspotentialenergi är energi som lagras i en kropp på grund av dess position i gravitationsfältet. Gravitationspotentialenergi hos en massa m observeras ges av produkten från massan, höjden h uppnådd i förhållande till någon referenshöjd, och accelerationen g av en kropp som härrör från jordens tyngdkraft som drar på den eller mgh Just nu lämnade bollen bollen på höjden h _1, dess potentiella energi E _pl är mgh ₁. Vid sin högsta punkt är dess potentiella energi E _p2 mgh ₂. Tillämpar lagen om bevarande av energi och antar ingen friktion i luften, dessa lägger till för att bilda följande ekvationer:

I detta idealiserade exempel omvandlas kulens kinetiska energi på marknivå till arbete för att höja bollen till h ₂ där dess gravitationspotentialenergi har ökats med mg (h ₂ - h ₁). När kulan faller tillbaka till marknivån h ₁, är denna gravitations potentiell energi omvandlas tillbaka till kinetisk energi och dess totala energi vid h ₁ igen är ^en / ₂ mv ₁ ² + mgh ₁. I denna kedja av händelser den kinetiska energin hos kulan är oförändrat h ₁; alltså är arbetet som görs på bollen av tyngdkraften som verkar på den i denna händelsecykel noll. Det här systemet sägs vara ett konservativt system.