Arbete, energi och effekt Energifysik-IV Arbete, energi och effekt Harry J. Whitlow Teknik och samhälle Malmö högskola

Arbete När en kraft verkar på ett föremål som rör sig i kraftriktningen, utför kraften ett arbete på föremålet. Arbetet är produkten av kraften F och sträckan s som föremålet flyttas. W = F·s Enheten för arbete är Joule (J) F enheten är N (kg m/s2) s enheten är m W enheten är Nm (kg m2/s2)

Hur mycket arbete har du utfört? Använd skyddshjälm! Massa 40 kg Arbetet är W = FG·s =392 ·0,5 = 196 J s 0,5 m FG = mg = 40· 9,8 = 392 N FG

Arbetet i detalj När en konstant kraft verkar på ett föremål som rör sig, utför kraften F ett arbete på föremålet som är produkten av sträckan s och kraftens komponent Fs i sträckans riktning. F Fs s q

Energi - vad är det? Energi är kapacitet att utföra ett arbete. ”Våra ord”: Energi från franska énergie, handlingskraft. Collins: Energy Intensity or vitality of action, Physics: The capacity of a system or body to do work. Energi finns i många former: Mekanisk-, termisk-, elektrisk-, magnetisk-, gravitations-, akustisk-, elektromagnetisk- och kärnenergi

Den totala energin bevaras i alla fysikaliska processer. Energilagen Den totala energin bevaras i alla fysikaliska processer. Professor i anatomi och fysiologi Herman von Helmholtz (1821-1894) föreläser om våglära eller värmelära Energilagen Hypotes av von Helmholtz En central grundpelare i fysik

Energilagen Energilagen: (i) Energi kan varken skapas eller försvinna. (ii) Energi kan bara omvandlas eller överföras. För ett system gäller: Total energi före processen = Total energi efter processen Vad menas med ”användning” av energin? Omvandling av energi T ex direkt eluppvärmning av huset Elektrisk energi  termisk energi Överföring av energi T ex termisk energi överförs i fjärrvärmenät genom flöde av varmvatten från panncentral till villor och kallvatten i motsatt riktning.

Energi Andra enheter: Energi är kapacitet att utföra ett arbete Båda arbete och energi är s k skalära kvantiteter. (ingen riktningsverkan) Enheter: Joule (J) (samma som arbete) 1 J = 1 Nm = 1 (kgm/s2)·m = 1 kgm2/s2 Andra enheter: Kalori (cal) Calorie på engelska 1 cal motsvarar den energi som krävs för att att värma 1 g H2O 1 °C. 1 cal = 4.2 J Corn Flakes! Till fysikens gagn! James Prescott Joule (1818 – 1889) kWh Energi motsvarande 1 kW effekt under 1 timme

Effekt Hästkrafter Effekt är utfört arbete per tidsenhet Effekt P är: P = W / t Effekt är power på engelska Enheter: Watt (W) Joule per sekund 1 J = Nm =1 kgm2/s2  1 W = 1 (kgm2/s2)/s  1 W = 1 kgm2/s3 Hästkrafter 1 hk = 746 W Troligen gäller 746 W för en mycket trött häst..... 746 W! vilken förolämpning

Kinetisk energi Kinetisk betyder rörelse v Kinetisk betyder rörelse Ett föremål i rörelse har en kinetisk energi som är lika med det arbete som behövs för att sätta föremålet i rörelse. Ek = W F F a s

Kinetiska energins egenskaper Ett föremål med massan m och hastigheten v har den kinetiska energin Energin hos en kula från ett älgstudsare v = 300 m/s m =10 g Ek = 0,5 · 0,01 · (3002) = 450 J Motsvarande massa för ett föremål som accelereras 1 m/s2 m = (2 · Ek/v2) = (2·450/12) = 900 kg Om hastigheten v blir den dubbla ökar Ek 4 ggr. Stackars älgen!

Potentiell energi Till varje form av potentiell energi hör en kraft. När vi utför ett arbete mot denna kraft, ökar den potentiella energin. Potentiell energi är den energi ett föremål har p g a sitt läge, (ibland kallas den för lägesenergi) För gravitationskraft W = FG·h = mg ·h Ep = mgh FG = m · g h

Bevarande av total energi Energi kan omvandlas mellan kinetiska och potentiella energi Ett föremåls totala (mekaniska) energi är summan av föremålets kinetiska och potentiella energi

Fritt fall i paradiset.... Före fallet Efter fallet v = 0  Ek = ½mv2 = 0 Ep = mgh Efter fallet h = 0 Ep = mgh = 0 Totala energin är bevarad (Ep +Ek)före = (Ep +Ek)efter (mgh)före = (½mv2)efter För h = 8 m, m = 2 kg Epföre = 2·9,8 · 8 = 157 J Ek efter = ½mv2 v = (2E/m)½ = (2 ·157/2)½ v = 12,5 m/s 2 kg kokosnöt h = 8 m

Pendeln v = 0 h v = 0 v Ep, Ek Et Tid Ep = mgh Ek = 0 Ep = mgh Ek = 0 Ek = ½mv2 Ep, Ek Tid Et