אנרגיה: מאוגדת, מועברת, מבוזבזת
אין מה שצורך אנרגיה — אנרגיה רק עוברת בין אגרות ומדליפה בדרכן. סעיף זה מונה את האגרות וההעברות, מדד יעילות עם דיאגרמות סנקי, עוקב אחרי חום בהולכה, הסעה וקרני radiation, מקשר עבודה, אנרגיה פוטנציאלית כבידתית ואנרגיה קינטית, ו-(P) שוקל כיצד יוצרת חשמל.
Edexcel International GCSE פיזיקה 4PH1, סעיף 4 (הצהרות 4.1–4.19P). יחידות: ג'ואל (J), וואט (W), ניוטון (N), ו-(P) J/kg °C.
העברות אנרגיה
שמונה אחסונים: כימי, קינטי, כבדות, אלסטי, תרמי, מגנטי, אלקטרוסטטי, גרעיני. ארבעה מסלולי העברה: מכנית, חשמלית, על ידי חימום, על ידי קרינה (אור וקול). אנרגיה שמורה — הסך הכול אינו משתנה; מכשירים פשוט מפנים חלק ממנה מהאחסון הרצוי לאחסונים שאינם רצויים.
בדיקה מודגמת. הנורה למעלה: יעילות $= 10/100 \times 100 = 10\%$.
העברת אנרגיה תרמית
חום עובר בשלושה דרכים, כל אחת עם מנגנון משלה והיא נעצרת על ידי הגנה שונה.
הולכה: רטט חלקיקים מעביר אנרגיה לאורך מוצק — מהיר במתכות (אלקטרונים חופשיים). קונבקציה: הנוזל מתחמם, מתרחב, הופך לדליל יותר ועולה; נוזל קרוע שוקע כדי להחליפו — רוחות ימיות, רדיאטורים מחממים חדרים. קריעה: גלי אינפרא אדום עוברים בוואקום; משטחים כהים ומטושטשים הם הפולטים והסופגים הטובים ביותר; משטחים בהירים ומבריקים מחזירים אור. צמצום העברה בלתי רצויה: בידוד (קירות חלולים, גגות, זכוכית כפולה מצמצמים הולדה וקונבקציה; נייר כסף מבריק מחזיר קריעה).
עבודה, הספק ומשוואות האנרגיה
עבודה שנעשתה שווה לאנרגיה שהועברה. נפילה, פוטנציאל כבידתי הופך לקינטי (מינוס עבודה נגד התנגדות אוויר).
בדיקה מודגמת. ספר בגובה 2 ק"ג הוסף לגובה 1.5 מ' ב- g = 10 N/kg: $GPE = 2 \times 10 \times 1.5 = 30$ J. לאחר נפילה, ברגע המגע עם הקרקע $KE = 30$ J → $v = \sqrt{2 \times 30/2} = \sqrt{30} \approx 5.5$ m/s. נורת הספק 60 W פעלה 10 שניות: $W = 60 \times 10 = 600$ J.
מקורות אנרגיה וחשמול (P)
כל תחנת כוח היא שרשרת העברת אנרגיה מאחסון לחשמל; הטבלה מצייןת את שבעת המקורות שמפרט הדרישות לימודיים.
| שיטה | העברת אנרגיה | יתרונות | חסרונות |
|---|---|---|---|
| רוח | קינטי → חשמל | מתחדש, ללא עלות דלק | לא יציב, השפעה ויזואלית/רעש |
| הידרואלקטרי | כבידתי → חשמל | מתחדש, אספקה מיידית | הצפות עמקים, מעט אתרים מתאימים |
| גאו-תרמית | תרמית → חשמל | מתחדש, יציב | מעט מיקומים מתאימים |
| חימום סולארי | תרמית (מים חמים) | מתחדש, ללא עלות הפעלה | תלוי ביום ובשמש/ערפל |
| תאים סולאריים | אור → חשמל | מתחדש, שקט | יקר, תפוקה בעוצמה נמוכה |
| דלקים מאובנים | כימי → תרמית → חשמל | אמין, מרוכז | פליטת CO₂, לא מתחדש |
| גרעיני | גרעיני → תרמית → חשמל | אנרגיה עצומה לכל ק"ג, ללא CO₂ | פסולת רדיואקטיבית, פירוק מתקן |
בדוק את עצמך
- ציין ארבעה אחסוני אנרגיה ושני מסלולי העברה.
- מנוע צורך 500 J ומספק 350 J של עבודה מועילה. חשב את היעילות.
- נסה שלושה שיטות העברת חום ואחת שאינה דורשת תווך.
- אילו משטחים פולטים אינפרא אדום בצורה הטובה ביותר?
- ציין שתי דרכים שבהן בית מפחית אובדן חום לא רצוי.
- חשב את העבודה שנעשתה על ידי כוח של 40 N שהזיז גוף ב-3 m.
- חשב את האנרגיה הקינטית של מכונית בעלת מסה של 800 kg הנעה במהירות של 20 m/s.
- מחמם מעביר 12 000 J בתוך 30 שניות. חשב את הספקו.
- (P) ציין יתרון וחסר אחד לכל אחד מאנרגיית רוח ואנרגיה גרעינית.
- (P) אילו שתי שיטות מתחדשות מופקות אנרגיה שמאוספת כבר בחום בתוך האדמה או במים הזורמים?
תשובות: 1 כימית, קינטית, גרavitציונית, תרמית (גם אלסטית, מגנטית, אלקטרוסטטית, גרעינית); מכנית וחשמלית (גם חימום, קרינה); 2 $350/500 \times 100 = 70\%$; 3 הולכה, סחף, קרינה — קרינה אינה דורשת תווך; 4 משטחים כהים, מט (שחור מט); 5 בידוד מרתף/קירות כפולים וחימום כפול (גם נייר כסף מחזיר, סוגרי זרמים); 6 $W = 40 \times 3 = 120$ J; 7 $KE = \frac{1}{2} \times 800 \times 400 = 160\,000$ J; 8 $P = 12\,000/30 = 400$ W; 9 (P) רוח — מתחדש ללא עלות דלק, אך לא יציב ופוגע בנוף; גרעיני — אנרגיה עצומה לקילוגרם ללא CO₂, אך פסולת רדיואקטיבית דורשת אחסון בטוח למאות שנים; 10 (P) גיאותרמית (חום האדמה) והידרואלקטרית (אחסון גרביטציוני של מים).