James Prescott Joule i energija

1. James Prescott Joule i energija Napravila: Marieta Gal 7.d

2. rođen je 24.prosinca 1818.godine, a umro 11.listopada 1889.godine u Sale, Cheshire • bio je engleski fizičar i utemeljio je Prvi zakon termodinamike -  Zakon o očuvanju energije • zaključio je da su različiti oblici energije (mehanička, električka, toplina) u suštini iste i samo mijenjaju oblike iz jedne u drugu • 1835. studirao je s engleskim kemičarom John Daltonom na Sveučilištu u Manchesteru • opisujući Jouleov zakon i proizvodnju topline iz galvanske energije,utvrdio je da je toplina proizvedena strujom u vodiču proporcionalnaumnošku otpora vodiča i kvadrata struje • 1843. objavio je svoju jedinicu za količinu rada potrebnog za proizvodnjujedinice topline, nazvanu mehaničkimekvivalentom topline • koristio je razne materijale i utvrdio je da je toplina oblik energije povezan sa materijalom koji je grijan • 1852. su Joule i William Thompson (kasnije Lord Kelvin) otkrili da seizoliranom plinu sa povećavanjem volumena smanjuje temperatura, taj efekt je u toku 19. stoljeća zauzeo važno mjesto u rashladnoj industriji • mjerna jedinica za energiju, džul (J) dobila je ime po njemu James Prescott Joule RAD SILE Rad je fizička veličina kojom opisujemo djelovanje sile na nekom putu Oznaka za rad je W (work) Formula za izračunavanje rada je: W= F * s (F je sila tijela, a s je pređeni put na kojem djeluje ta sila)

3. Energija • Jouleova ideja o energiji se isprva nije prihvaćala, djelom zbog toga što je zahjevala precizna mjerenja, što nije bilo tako uobičajeno u fizici tog vremena • njegov najpoznatiji eksperiment je uključivao korištenje padajućeg utega koji je vrtio kotač u izoliranoj bačvi vode, čije je smanjenje temperature mjeriti temperaturu do preciznosti od 1/200 stupnjeva Fahrenheita, u što njegovi suvremenici nisu vjerovali jer su to smatrali nemogućim • Jouleovi eksperimenti su upotpunili rad Rudolfa Clausiusa, za kojeg se smatra da je bio jedan od stvoritelja koncepta energije • na daljnje otpore je naišao jer je njegov rad bio u kontradiktornosti sa rasprostranjenim vjerovanjem da je toplina tekućina «kalorija», koja se nije mogla stvoriti niti uništiti, dok je Joule tvrdio da je toplina samo jedan od mnogih oblika energije i samo je ukupna suma svih oblika sačuvana • predložio je kinetičku teoriju topline (Joule je vjerovao da je kinetička energija oblik rotacijske, a ne translacijske energije) i trebao je pojmovni skok: ako je toplina bila oblik molekularnog gibanja, zašto to gibanje s vremenom ne trne? Jouleova ideja je zahtjevala da se vjeruje kako su sudari molekula savršeno • Iako je danas teško shvatiti privlačnost kaloričke teorije, u ono vrijeme se činilo da ona ima neke očite prednosti, Carnotova uspješna teorija toplinskih strojeva se također bazirala na kaloričkoj pretpostavci i tek je kasnije Lord Kelvin dokazao da je Carnotova matematika jednako valjana bez kaloričke teorije

4. riječ energija nastala je od grčke riječi energos što znači aktivnost • energija je karakteristika sustava kojom se opisuje sposobnost tog sustava da vrši neki rad • prema međunarodnom sustavu mjernih jedinica, u čast britanskom fizičaru James Prescott Joule-u mjerna jedinica za energiju nazvana je džul (J) • važno svojstvo energije je da ne može niti nastati niti nestati pa je prema tome količina energije u zatvorenom sustavu uvijek konstantna (‘Zakon o očuvanju energije’) • svi do sad poznati prirodni procesi i fenomeni mogu se objasniti s nekoliko oblika energije premadefinicijama: kinetička energija, potencijalna energija, toplinska energija, gravitacija, elastičnost, elektromagnetizam, kemijska energija, nuklearna energija i masa • iako ne može niti nastati niti nestati, energija može prelaziti iz jednog oblika u drugi (rad ili snaga) • u čast škotskom inženjeru i izumitelju James Watt-u mjerna jedinica za rad nazvana je vat (W),a jedan vat je rad obavljen u jednoj sekundi prelaskom jednog džula energije iz jednog oblika u drugi (W = 1 J/s)

5. Sunce kao izvor energije • Sunce je najveći izvor energije u solarnom sustavu zbog toga jer je relativno malo u odnosu na ostale zvijezde i zato jer je žuto • Sunce spada u klasu zvijezda koje nazivamo žuti patuljak, iako je relativno malo usporedimo li ga s ostalim zvijezdama, Sunce je golemo u usporedbi s planetima koji ga okružuju (u Suncu je sadržano 99,8% mase cijelog sunčevog sustava) • glavni energetski proces koji se odvija na Suncu je nuklearna fuzija, to je spajanje dva laka atoma u jedan teži, uz oslobađanje energije proporcionalne razlici masa prije i nakon reakcije (prema Einstein-ovoj formuli E = mc2) • nuklearnom fuzijom se svake sekunde u Suncu pretvori oko 700.000.000 tona vodika u oko 695.000.000 tona helija, a razlika od 5.000.000 tona se pretvori po Einstein-ovoj formuli u energiju u obliku gama zračenja, kada se tih 5.000.000 tona u sekundi pretvori u rad odnosno snagu dobije se da je snaga Sunca oko 386 milijardi milijardi megawata

6. Oblici energije • Potencijalna energija- ime „potencijalna energija“ dolazi iz pretpostavke da se takva energija može lako pretvoriti u koristan rad - dvije najočitije vrste potencijalne energije su gravitacijska potencijalna energija i elastična potencijalna energija - gravitacijska potencijalna energija je energija povezana s gravitacijskom silom i djeluje između bilo koja dva objekta koji imaju masu - elastična potencijalna energija je potencijalna energija elastičnog objekta poput opruge, katapulta i sličnog, nastaje kao posljedica sila koje pokušavaju objekt vratiti u izvorni položaj, a to su najčešće elektromagnetske sile u atomima i molekulama koje tvore objekt - primjer iskorištavanja gravitacijske potencijalne energije su velike hidroelektrane kod kojih se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju kojom se tada pokreće turbina generatora električne energije • Kinetička energija- kinetička energija ili energija kretanja je energija potrebna da se neki objekt ubrza na neku brzinu, odnosno energija objekta kod određene brzine u odnosu na neki referentni objekt - prema klasičnoj mehanici kinetička energija proporcionalna je masi objekta i kvadratu brzine kretanja objekta - kod brzina usporedivih s brzinom svjetlosti kinetička energija se više ne može računati formulama koje vrijede u normalnoj klasičnoj mehanici, nego se mora upotrijebiti teorija relativnosti - energija objekta koji se kreće brzinom usporedivom s brzinom svjetlosti računa se Lorentz-ovim transformacijama prema kojima objekt koji bi se kretao brzinom svjetlosti mora imati beskonačnu energiju, pa je samim time i nemoguće ubrzati objekt na brzinu svjetlosti - primjer iskorištavanja kinetičke energije je pretvaranje energije vjetra u električnu energiju u vjetrenjačama

7. Toplinska energija- energija nasumičnog gibanja mikroskopskih čestica koje tvore objekt, tj. energetski udio sustava koji se povećava s temperaturom - toplinska energija prelazi sa jednog objekta na drugi zbog razlike u temperaturi - toplina se prenosi na tri osnovna načina: kondukcijom, konvekcijom i zračenjem - kondukcija topline je spontani prijelaz toplinske energije kroz tvar iz toplijeg dijela u hladniji dio u svrhu izjednačavanja temperaturnih razlika - konvekcija je strujanje kapljevina ili plinova kod kojeg topliji fluid struji prema hladnijem i predaje toplinu okolini - toplije tijelo zrači jačim elektromagnetskim zračenjem jer što je neko tijelo toplije atomi koji čine to tijelo imaju sve veću energiju i titranje električnih naboja je intenzivnije, tim zračenjem se toplina može prenositi s jednog tijela na drugo - toplinska energije se može direktno koristiti za grijanje ili posredno za dobivanje ostalih oblika energije. tako se toplinska energija spremljena unutar Zemlje –geotermalna energija • Električna energija- oblik potencijalne energije u polju Kulonove sile u kojem se čestice istog naboja međusobno odbijaju, a čestice suprotnih naboja se međusobno privlače - električna energija nedvojbeno je trenutno najvažniji oblik energije koji koristi čovječanstvo jer se relativno jednostavno transportira i što je najvažnije – jednostavno se može pretvoriti u ostale korisne oblike energije poput kinetičke i toplinske energije - trenutno se najvećim dijelom proizvodi iz fosilnih goriva i to uglavnom iz ugljena,budući da fosilna goriva imaju negativne posljedice na okoliš i nisu neiscrpna, sve se više koriste alternativne metode proizvodnje električne energije poput iskorištavanja energije Sunca, energije vode, geotermalne energije, energije vjetra i drugih

8. Kemijska energija- može se definirati kao rad koji obave električne sile prilikom preslagivanja električnih naboja – protona i elektrona – u kemijskim procesima - ako se kemijska energija sustava smanji u kemijskoj reakciji to znači da je razlika emitirana u okolinu u obliku svijetlosti ili topline, a ako se kemijska energija poveća to znači da je sustav iz okoline uzeo određenu količinu energije i to najčešće u obliku svijetlosti ili topline - vatra je jedan oblik prelaska kemijske energije u toplinu i svjetlost, a može nastati samo ako su zadovoljena tri osnovna uvjeta za lančanu reakciju: prisutnost dovoljne količine kisika, prisutnost gorivog materijala i prisutnost dovoljne količine topline - primjer iskorištavanja kemijske energije su fosilna goriva koja izgaranjem oslobađaju toplinu koja se onda direktno preko pritiska pretvara u kinetičku energiju ili se koristi za grijanje neke tekućine u svrhu isparavanja te tekućine i dobivanja kinetičke energije - - - primjer pretvaranja kemijske energije u električnu energiju je elektrana na ugljen • Nuklearna energija- energija koja se dobiva postupcima nuklearne fuzije i nuklearne fisije - nuklearna fuzija je spajanje dva ili više laka atoma u jedan teži uz oslobađanje određene količine energije u obliku raznih zračenja - nuklearna fisija je također oslobađanje određene količine energije u obliku raznih zračenja, ali dobiva se cijepanjem teških atoma na dva ili više manja atoma - kod oba postupka uvijek je masa prije reakcije veća od mase nakon reakcije, a razlika u masama pretvorena je u energiju po Einstein-ovoj formuli E=mc2 - energija Sunca posljedica je neprestane nuklearne fuzije koja se odvija u jezgri zvijezde i u obliku zračenja dolazi do površine i onda zrači u svemir - istraživanja mogućeg iskorištavanja nuklearne fuzije na zemlji su još u početnoj fazi u obliku međunarodnog ITER projekta, ali za sad nema naznaka da bi se nuklearna fuzija mogla u skorijoj budućnosti koristiti na zemlji -nuklearna fisija je dovoljno jednostavan proces koji se široko iskorištava u nuklearnim reaktorima za proizvodnju električne energije