Fyzika – Práce a energie

Fyzika – Práce a energie
James Prescott Joule (1818 – 1889)
Významný anglický fyzik. Je to jeden z objevitelů zákona zachování energie,
stanovil mechanický ekvivalent tepla. Zjistil že při průchodu elektrického proudu
vodičem vzniká teplo (Jouleovo teplo) a stanovil vztah mezi tepelnou a mechanickou
energii (Jouleův zákon). Na jeho počest byla nazvána jednotka pro energii, práci a
teplo – joule.
Práce
Práce (značka W) je fyzikální
veličina, která souvisí se silami
působícími na tělesa a jejich
následným přemísťováním. Jednotkou
práce je joule. Práci
konáme,
působíme-li stálou silou na těleso a
těleso se ve směru působící síly
přemístí po určité dráze. Vykonaná
mechanická práce se v tomto případě
určí tak, že násobíme velikost působící
síly F dráhou s, kterou těleso urazilo
W=F*s
Elektrickou práci určíme pomoci elektrického příkonu. Známe-li elektrický příkon P a
dobu t, po kterou vodičem prochází proud, vypočteme elektrickou práci z rovnice
W=P*t
Výkon
Výkon (značka P) určíme podílem
vykonané práce W a doby t, za kterou byla práce
vykonána. Jednotkou výkonu je watt. Čím je doba
nutná pro vykonání práce kratší, tím je výkon
vyšší.
P=W/t
V případě elektrické energie se zavádí
podobná jednotka – elektrický příkon P. je – li
mezi koncovými body vodiče stálé napětí u a
vodičem protéká stálý elektrický proud I,
elektrický příkon vypočteme z rovnice
P=U*I
Jednotkou elektrického příkonu je rovněž watt.
Strana 1 z 4
H:\_Škola\fyzika\Fyzika - Práce a energie.doc
Watt
Watt je jednotkou výkonu a značí se W.
Zařízení pracuje s výkonem 1W právě tehdy, vykoná
– li práci 1 J za 1 sekundu.
1W = 1J / 1s
Často se rovněž používají násobky wattu –
kilowatty (kW = 1 000 W) a megawatty (MW 1 000
000 W). Jednotka výkonu byla nazvána podle
zlepšovatele a vynálezce inženýra J Watta, který se
v 18 století podílel na zdokonalení parního stroje.
Kinetická energie
Kinetická (pohybová) energie W k je
energie vždy spojená s pohybem tělesa
nebo nabité částice. Pohybová energie
tělesa je fyzikální veličina, jejíž velikost se
dá určit podle množství práce, kterou
těleso při pohybu vykoná až do okamžiku
zastavení. Každé pohybující se těleso má
pohybovou energii, kterou získalo tak, že
na něm byla vykonána práce působením
vnější síly a naopak těleso pohybovou
energii, jestliže se zastaví poté, co vykoná
práci svým silovým působením na jiné
těleso. Čím větší je hmotnost a rychlost
tělesa, tím je větší i jeho kinetická energie.
Pohybová energie se vyskytuje ve formě vibrační, těleso kmitá, rotační (těleso se
otáčí) a polohová energie těleso se přemisťuje.
Translační posuvná energie
Posuvná energie je jednou ze tří složek
pohybové (kinetická) energie. Má – li těleso
pouze pohybovou energií, pohybuje se po určité
dráze, nerotuje (neotáčí se kolem žádné osy
rotace) a nekmitá (nevibruje). Pohybuje – li se
těleso hmotností m rychlostí v, bude jeho
kinetická energie rovná :
Wk = 1 / 2 m * v 2
Ze vztahu je vidět, že kinetická energie
roste s rychlostí velmi značně. Chceme – li proto
zvýšit kinetickou energií tělesa, nebudeme zvyšovat jeho hmotnost ale jeho rychlost.
Strana 2 z 4
H:\_Škola\fyzika\Fyzika - Práce a energie.doc
Rotační Kinetická energie
Rotační Kinetická energie je jednou ze složek
pohybové energie. Těleso má rotační kinetickou
energii, pokud se pohybuje rotačním (otáčivým)
pohybem kolem osy otáčení. Čím rychleji se těleso
otáčí kolem své osy, tím je jeho rotační energie větší.
Vibrační pohybová energie
Vibrační pohybová energie je jednou ze složek
pohybové energie. Těleso má vibrační kinetickou
energii, jestliže vibruje (kmitá) kolem určité
rovnovážné polohy. Vibrační kinetickou energii má
například částice v pevné látce vázaná v krystalické
mřížce nebo kmitající struny hudebních nástrojů,
konající kmitavý pohyb kolem rovnovážné polohy.
Energie
Energie je fyzikální veličina úzce souvisí
s prací, jednotka energie je stejná jako jednotka
práce – joule. Pokud těleso vykonává práci, jeho
energie klesá a naopak pokud je na těleso je
vynakládána práce, jeho energie roste. Pro energii
platí jeden ze základních fyzikálních zákonů – zákon
o zachování energie:
Energie má mnoho forem a může se mezi nimi
volně přeměňovat, nelze ji však zničit a ni vytvořit.
Energii je možno rozdělit na dva základní druhy:
-
energii pohybovou, neboli kinetickou, která je
vždy spojená s pohybem tělesa a
energii polohovou, neboli potenciální, která je vždy spojena s polohou tělesa
v silovém poli
Strana 3 z 4
H:\_Škola\fyzika\Fyzika - Práce a energie.doc
Polohová energie
Potencionální (polohová) energie tělesa W p je
energie tělesa. kterou získá těleso po umístění do
nějakého druhu silového pole. Přenesením do určité
polohy v silovém poli byla vykonána práce a velikost
polohové energie získané tělesem odpovídá právě
vykonané práci. Polohová energie se vyskytuje například
ve formě gravitační potenciální energie, molekulární
potencionální energie nebo elektrické potencionální
energie
Joule
Joule je jednotka mechanické práce se
značkou J. Jestliže posuneme těleso působením
stále síly 1 N po dráze jednoho metru ve směru
síly, vykonáme práci právě jednoho joulu. Jeden
joule je velmi malá jednotka práce, proto se častěji
používají jejich násobky – kilojouly (kJ = 1 000 J)
megajouly (MJ = 1 000
000 J).
Tato jednotka mechanické práce je nazvána podle
významného anglického fyzika J.P. Joula.
Gravitační potenciální energie
Gravitační potenciální energie W g je forma
polohové energie, kterou mají všechna tělesa
nacházející se v gravitačním poli Země. Tuto
energii lze zvýšit tím, že těleso posuneme
v gravitačním poli do vyšší polohy. Na toto těleso
o hmotnosti m působí gravitační síla Země Fg.
Jestliže jej zvedáme rovnoměrným pohybem po
určité dráze h, působíme na těleso svisle vzhůru
silou F, která je stejně veliká jako síla Fg. Tyto
síly jsou tedy v rovnováze a vykonáme na tělese
proto mechanickou práci, což povede ke zvýšení
jeho pohybové energie.
Fg = m * g F = Fg
Wg = F * h = m * g * h
Strana 4 z 4
H:\_Škola\fyzika\Fyzika - Práce a energie.doc