Năng lượng: người kế toán của vật lý
Không có năng lượng nào bị tiêu hủy — chỉ được di chuyển giữa các kho và một phần bị tản ra các dạng kém hữu ích hơn. Chủ đề thứ hai của OxfordAQA xây dựng hệ thống kế toán: công và công suất, ba phương trình kho năng lượng, định luật bảo toàn năng lượng với sơ đồ Sankey, và những lựa chọn liên quan đến nguồn năng lượng quốc gia.
OxfordAQA International GCSE Vật lý 9203, chủ đề 3.2 (Phiên bản 5.1). Các phát biểu được đánh dấu (P) chỉ áp dụng cho Bài thi 2.
Lực và năng lượng
Công được thực hiện khi một lực làm dịch chuyển điểm đặt của nó qua một khoảng cách; công chống lại ma sát chuyển năng lượng thành nhiệt (hệ thống trở lại, tiểu hành tinh, phanh). Một lò xo bị giãn lưu thế năng đàn hồi $\frac{1}{2}ke^2$; một khối vật nâng cao lưu thế năng trọng trường mgh; một khối vật đang chuyển động mang động năng ½mv² — nhân đôi khối lượng thì động năng tăng gấp đôi, nhân đôi tốc độ thì động năng tăng gấp bốn lần (liên kết an toàn giao thông). Công suất là tốc độ truyền năng lượng.
Ví dụ minh họa. Một ô tô 1500 kg đang chạy ở 20 m/s hãm lại đến khi dừng: động năng bị loại bỏ $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — toàn bộ chuyển thành nhiệt làm nóng phanh. Nâng nó lên cao 2 m với g = 10 N/kg sẽ lưu trữ $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.
Sự truyền và tản năng lượng
Khi một hệ thống thay đổi, năng lượng được chuyển giao — có ích, được lưu trữ hoặc tản thất ("phí") vào các kho lưu trữ kém hữu ích hơn; nó không bao giờ được tạo ra hay tiêu diệt. Ma sát và lực cản của không khí tản thất năng lượng bằng cách làm nóng. (P) Một con lắc đơn chuyển đổi giữa động năng và thế năng hấp dẫn mỗi lần dao động.
Sơ đồ Sankey thể hiện sự phân phối lại: các mũi tên tách ra tỷ lệ với dòng năng lượng (vẽ theo tỷ lệ — độ rộng ∝ năng lượng).
Kiểm tra có hướng dẫn. Một bóng đèn 60 W phát ra 6 W ánh sáng: hiệu suất $= 6/60 \times 100 = 10\%$.
Tài nguyên năng lượng
Nhiên liệu được chọn dựa trên khả năng lưu trữ dễ dàng, hàm lượng năng lượng và an toàn; một số truyền tải nhiều năng lượng có ích hơn so với các loại khác. Sản xuất quốc gia phải cân bằng giữa tính tái tạo với chi phí, độ tin cậy và chi phí môi trường do khai thác, sử dụng và xử lý.
Tự kiểm tra
- Tính công thực hiện bởi lực 50 N di chuyển 4 m.
- Tính năng lượng đàn hồi trong lò xo (k = 200 N/m) bị kéo dài 0.15 m.
- Một cuốn sách khối lượng 2 kg được nâng lên 3 m tại g = 10 N/kg. Tính thế năng hấp dẫn thu được.
- Động năng của ô tô thay đổi thế nào khi phanh?
- Một động cơ truyền 800 J trong 20 s. Tính công suất của nó.
- Viết phương trình hiệu suất dưới dạng năng lượng và công suất.
- Một bóng đèn phát ra 12 J ánh sáng cho mỗi 100 J đầu vào. Tính hiệu suất.
- Độ rộng mũi tên trong sơ đồ Sankey biểu thị điều gì?
- Nêu một ưu điểm và một nhược điểm của năng lượng gió.
- "Tản thất" có nghĩa là gì?
Đáp án: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J; 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J; 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J; 4 nó được chuyển sang nhiệt năng của đĩa phanh và môi trường xung quanh nhờ lực ma sát (đĩa phanh nóng lên); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 năng lượng có ích đầu ra ÷ tổng năng lượng đầu vào (×100 %); tương đương công suất có ích đầu ra ÷ tổng công suất đầu vào; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 dòng năng lượng chảy theo hướng đó — độ rộng tỷ lệ thuận với năng lượng; 9 tái tạo nhưng không cần nhiên liệu hay khí thải; đầu ra không ổn định và có tác động đến cảnh quan; 10 chuyển sang các kho lưu trữ kém hữu ích hơn (thường là nhiệt phế thải), nên không thể dễ dàng thực hiện những việc chúng ta mong muốn.