Związek pracy i energii

Energia

Związek pracy z energią

To, że praca ma istotny związek z energią nie jest przypadkiem.

Bo w rzeczywistości praca (wyliczana jako siła razy przesunięcie) odbywa się

	albo kosztem jakiejś energii,
	albo dodając czemuś energii.

Poniżej zastanowimy się dlaczego iloczyn siły i przesunięcia rzeczywiście najlepiej łączy się z tym, co intuicyjnie rozumiemy przez energię - czyli wielkość odpowiadającą za wykonywanie zmian w otoczeniu.

Aby dobrze „poczuć” ten fakt zastanówmy się najpierw co mogłoby dobrze odpowiadać typowemu wyobrażeniu energii. Zapewne wiele osób potrafiłoby przynajmniej w pewnym stopniu dostrzec związek energii z z elektrownią wodną, która do produkcji prądu wykorzystuje masy wody zgromadzone na pewnej wysokości. Woda, spadając z wysokości kilku, kilkunastu, czy kilkudziesięciu metrów, uderza o łopatki koła lub turbiny co umożliwia wyprodukowanie energii elektrycznej, zmielenie ziarna we młynie, czy też wykonanie innej użytecznej pracy. Dlatego można powiedzieć, że w położonych wysoko masach wody jest "zawarta energia".

Energii też potrzeba, aby tę wodę na górę dostarczyć (w przypadku elektrowni wodnych to najczęściej Słońce dostarcza tej energii dzięki doprowadzeniu do wyparowania wody), ale w wybranym przez nas czasie można tę energię odebrać. Można też, dzięki nadwyżkom energii, napompować wodę do górnego zbiornika, aby później móc ją odzyskać w wybranym czasie (w oparciu o powyższą zasadę działają elektrownie szczytowo – pompowe).

Od czego zależy energia mas wody?

Zastanówmy się teraz, jakie parametry wody wpływają na ilość zgromadzonej przez wodę energii. Myślę, że dość szybko dojdziemy do wniosku, że kluczowe są tu dwie podstawowe wielkości:

ilość, lub dokładniej ciężar spadającej wody (tym więcej energii, im więcej wody spada)

wysokość z jakiej spada woda (spadek z 1 m niewielkie ma szanse napędzić duże urządzenie w porównaniu z taką samą ilością wody spadającą np. z 10 m).

Oznacza to, że energię tę trzeba powiązać następującymi wielkościami fizycznymi:

	siłą ciężkości F (ciężar ciała jest równy sile ciężkości)
	wysokością spadku S

Ostatecznie zapiszemy, że energia zgromadzona w masach wody jest iloczynem tych wielkości.

E = F_ciężkości · S

W niemal identycznym sposób definiujemy pracę: siła razy przesunięcie:

W = F · S

Widać stąd, że energia jest w pewnym stopniu równoważna pracy - tak jak została ona zdefiniowana w poprzednim rozdziale. W naszym wypadku praca wynoszenia wody na pewną wysokość jest równa energii jaką woda na tej wysokości posiada.

Praca oddawana i dostarczana do układu

Z powstawaniem energii w elektrowni pracę można związać na dwa sposoby:

	jest to praca, jaką oddaje nam woda spadając z wysokości S,
	lub praca, którą trzeba włożyć w wyniesienie jej na wysokość S

Dokładna równość tych dwóch rodzajów pracy zachodzi dopiero po odliczeniu ubytków energii związanych z pokonywaniem sił tarcia.

Ogólnie pracę można rozumieć jako mechaniczna metoda zmiany energii. Można by to zapisać wzorem:

ΔE = W

- Zmiana energii układu jest równa pracy jaką wykonują siły "nad" tym układem.

Uwaga:
ten ostatni wniosek dotyczy wyłącznie zjawisk mechanicznych, bo np. gdy dochodzi przepływ ciepła, wtedy powyższe równanie trzeba uzupełnić o człon zmiany energii związany z ciepłem, w przypadku dopływu innych postaci energii, też trzeba by jakoś je uwzględnić. Ale to wszystko omawiane jest w innych działach fizyki.