„Orka“: Munur á milli breytinga
Efni eytt Efni bætt við
Ekkert breytingarágrip |
Ekkert breytingarágrip |
||
Lína 1:
[[Mynd:Lightning_over_Oradea_Romania_2.jpg|thumb|right|Eldingar]]
'''Orka''' er grundvallarstærð sem hvert [[eðlisfræði]]legt [[kerfi]] hefur að geyma. Orka er skilgreind sem magn ''[[vinna (eðlisfræði)|vinnu]]'' sem þarf til að breyta [[ástand (eðlisfræði)|ástandi]] eðlisfræðilegs kerfis. Til dæmis þarf ''K'' = ½''mv''² vinnu til að hraða [[byssukúla|byssukúlu]] frá núll hraða í hraða ''v'' — og kallast því stærðin ½''mv''² [[hreyfiorka]] byssukúlunnar. Önnur dæmi eru [[raforka]]n sem geymd er í [[rafhlaða|rafhlöðu]], [[efnaorka]]n sem er í [[matur|matarbita]] eða bensíni, [[varmi|varmaorka]] [[vatnshitari|vatnshitara]], [[stöðuorka]] upphækkaðs vatns á bak við [[stífla|stíflu]] og hreyfiorka bíls á ákveðnum hraða.
Það er auðveldlega hægt að breyta orku úr einni mynd yfir í aðra. Sem dæmi, ef rafhlaða er notuð til að knýja rafmagnshitara, breytist efnaorka í raforku, sem svo aftur breytist í varmaorku. Eða, með því að láta upphækkað vatn renna niður á við, breytist stöðuorka þess í hreyfiorku hreyfils, sem svo breytist í raforku með hjálp rafals. [[Orkuvarðveislulögmálið]] segir að í lokuðu kerfi haldist heildarorka kerfisins, sem samsvarar samanlögðum hlutorkugildum þess, föst. Þetta lögmál stafar af tímahliðrunarsamhverfu eðlisfræðilegra ferla, sem merkir að þeir eru óháðir byrjunartíma.
== Einingar ==
=== Alþjóðlegar og skyldar einingar ===
Alþjóðlega [[SI]]-einingin fyrir bæði orku og vinnu er [[júl]] (''J''), sem að skýrð er til heiðurs [[James Prescott Joule]] og rannsóknum hanns á [[vinnugildi varma]]. Í grunndvallaratriðum er 1 J skilgreint sem 1 [[newton]]-[[metri]] og, samkvæmt [[SI grunneining|grunneiningum]] SI kerfisins, er 1 J það sama og 1 [[kílógramm|kg]] [[metri|m]]<small><sup>2</sup></small> [[sekúnda|s]]<small><sup>−2</sup></small>.
Orkueiningin sem notuð er í [[kjarneðlisfræði]] er [[rafeindarvolt]] (''eV''). Eitt eV jafngildir 1,60217653×10<small><sup>−19</sup></small> J.
Taka má fram að [[snúningsátak]], sem yfirleitt er tjáð í newton-metrum, hefur sömu stærð og er það ekki tilviljun: snúningsátak upp á einn newton-metra beitt á eina bogamálseiningu þarf nákvæmlega eitt júl (newton-metra) af orku.
=== Aðrar orkueiningar ===
Meðal [[Breskar einingar|breskra]] og [[Bandarískar einingar|bandarískra eininga]] fyrir bæði orku og vinnu má telja [[fet-pund-kraftur|fet-pund-kraft]] (1,3558 J), [[Bresk varmaeining|bresku varmaeininguna]] (Btu) sem hefur nokkrar mismunandi skilgreiningar í kringum 1055 J og [[hestafl]]sstund (2,6845 MJ).
Algeng orkueining til að mæla [[raforka|raforku]], svo sem á rafmagnsreikningum, er [[kílóvattstund]] (kW h).
Varmaorkueiningin [[kaloría]] er aðallega notuð í [[næringarfræði]] og jafngildir þeim [[varmi|varma]] sem þarf til að auka [[hita]] eins [[gramm]]s af vatni um 1°[[Celsíus|C]] við 1 [[loftþrýstingur|loftþyngd]]. Þessi skilgreining gefur nokkuð misjöfn gildi eftir hitastigi vatnsins. Þetta veldur því að til eru nokkrar einingar sem hafa sama nafnið, „hitaeining“, en lítillega misjöfn orkugildi. Oft er miðað við að hita vatnið um 1 °C frá 14,5 °C í 15,5 °C. Þá jafngildir ein kaloría u.þ.b. 4,186 J. Vegna smæðar einingarinnar er í daglegu tali oftast talað um kílókaloríur. Algengt að þær séu kallaðar kaloríur sem eykur enn á ruglinginn.
== Varmaflutningur ==
=== Vinna ===
{{Aðalgrein|Vinna (eðlisfræði)}}
''Vinna'' (W) er skilgreind sem [[ferilheildi]] [[kraftur|krafts]] ''F'' yfir vegalengd ''s'':
:<math> W = \int \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{s}</math>
Þessi jafna segir að vinna (<math>W</math>) jafngildi heildi [[innfeldi]]s krafts (<math>\mathbf{F}</math>) á hlut og [[örsmæð]]ar[[staðsetning]]ar hlutsins (<math>\mathbf{s}</math>).
=== Varmi ===
{{Aðalgrein|Varmi}}
''Varmi'' er orkugildi sem tengist breytingu á hitastigi eða [[efnisástand]]i efnis. Í efnafræði er varmi magn orku sem gefið efnaferli gleypir í sig ([[innvermið efnahvarf]]) eða lætur frá sér ([[útvermið efnahvarf]]).
Samband varma og orku er svipað og vinnu og orku. Varmi flæðir frá svæðum með hærra hitastig yfir í svæði með lægra hitastig. Allt efni hefur ákveðið magn innri orku sem er mælikvarði á tilviljunarkennda hreyfingu [[frumeind]]a og [[sameind]]a þeirra. Þessi innri orka er í beinu hlutfalli við hitastig hlutarins. Þegar tveir hlutir með mismunandi hitastig komast í varmasnertingu, deila þeir með sér innri orku þar til hitastig þeirra jafnast. Algengt er að varma sé ruglað saman við innri orku, en það er munur á þeim: varminn sem flæðir frá umhverfinu í kerfið ásamt vinnunni sem umhverfið framkvæmir á kerfið jafngildir aukningu innri orku þess. Varmaorka getur flutzt á þrjá vegu: með [[varmaleiðni]], [[varmaburður|varmaburði]] og [[geislun]].
=== Varðveisla orkunnar ===
Fyrsta lögmál [[varmafræði]]nnar segir að samanlagt innstreymi orku inn í kerfi verður að jafngilda samanlögðu útstreymi ásamt aukningu innri orku þess. Þetta lögmál, ''orkuvarðveislulögmálið'' svokallaða, er eitt mest notaða og mikilvægasta lögmál eðlisfræðinnar, en er þó iðulega brotið tímabundið (líkindafræðilega) í [[skammtafræði]]. [[Setning Noethers]] tengir varðveislu orkunnar við tímaóbreytni eðlisfræðilegra lögmála.
Dæmi um breytingu og varðveislu orku er [[pendúll]]. Á hæsta punkti hans er hreyfiorkan núll og stöðuorkan í hámarki. Við lægsta punkt er hreyfiorkan í hámarki og jafngildir lækkun stöðuorkunnar frá hápunkti. Ef gengið er út frá því að ekkert [[viðnám]] sé til staðar varðveitist orkan og pendúllinn sveiflast að eilífu. (Í reynd varðveitist sú orka sem tiltæk er fyrir stórsæja hreyfingu aldrei fullkomlega þegar kerfið breytir um stöðu; vegna áhrifa viðnáms breytist hún smám saman í varma).
Annað dæmi er [[sprengiefni|sprenging]] þar sem efnafræðileg stöðuorka breytist leifturhratt í hreyfiorku og varma.
== Tegundir orku ==
=== Hreyfiorka ===
{{Aðalgrein|Hreyfiorka}}
'''Hreyfiorka''' er sú orka sem felst í hreyfingu hlutar.
:<math>E_h = \int \mathbf{v} \cdot \mathrm{d}\mathbf{p}</math>
Jafnan segir að hreyfiorkan (<math>E_h</math>) jafngildi heildi [[innfeldi]]s [[hraði|hraða]] (<math>\mathbf{v}</math>) hlutar og [[örsmæð]]ar[[skriðþungi|skriðþunga]] hans (<math>\mathbf{p}</math>).
Fyrir [[takmarkaða afstæðiskenningin|hraða langt undir]] [[ljóshraði|ljóshraða]] má nota nálgun Newtons:
:<math>E_h = \frac{1}{2}mv^2</math>
þar sem
: ''E''<sub>h</sub> er hreyfiorka
: ''m'' er massi hlutarins
: ''v'' er hraði hlutarins
Nær ljóshraða er notast við [[almenna afstæðiskenningin|afstæðisformúluna]]:
:<math>E_h = m c^2 (\gamma - 1) = \gamma m c^2 - m c^2 \;\!</math>
:<math>\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - (v/c)^2}} </math>
þar sem
: ''v'' er hraði hlutarins
: ''m'' er kyrrstöðumassi hlutarins
: ''c'' er hraði ljóssins í tómarúmi (í kringum 300.000 km/s).
<math>\gamma m c^2 \,</math> er samanlögð orka hlutarins
<math>m c^2 \,</math> er orka kyrrstöðumassans.
Skrifa má afstæðisformúluna á formi [[Taylorröð|Taylorraðar]] svo:
:<math>E_h = \frac{1}{2} mv^2 - \frac{3}{8} \frac{mv^4} {c^2} + \cdots </math>
Liðir raðarinnar frá 2. lið að telja lýsa fráviki hreyfiorkunálgunar Newtons frá hinu afstæðilega gildi.
=== Stöðuorka ===
{{Aðalgrein|Stöðuorka}}
'''Stöðuorka''' kerfis er orka sem stafar af kröftum sem verka á milli eininga þess og afstöðu þeirra.
<!--
samsetningu uppistöðuhluta þess í rúmi og gagnkvæm áhrif þeirra á hvora aðra. Hópur frumeinda, af hvaða stærð sem er, sem beitir kröftum á hverja aðra, mynda sjálfkrafa kerfi með stöðuorku.
-->
Kraftarnir geta verið [[rafkraftur]], [[segulkraftur]] eða [[þyngdarkraftur]].
Fyrir einangrað kerfi sem samanstendur af tveimur föstum hlutum sem beita hvor annan krafti (<math>f(x)</math>) og liggja á x-ás, skilgreinist stöðuorka þeirra sem:
:<math>E_s = -\int f(x) \, dx</math>
þar sem krafturinn milli hlutanna breytist eingöngu með vegalengd (<math>x</math>) og er heildað eftir línu sem tengir hlutina saman.
Til að sýna betur fram á samband krafts og stöðuorku má taka sem dæmi sama kerfi tveggja hluta sem liggja á x-ás. Ef stöðuorka annars þeirra í punktinum <math>x</math> er <math>U(x)</math>, þá er krafturinn sem verkar á hlutinn í þeim punkti:
:<math>f(x) = -\frac{dU(x)}{dx}</math>
Stefna kraftsins milli tveggja hluta er í átt breytingar stöðuorku og stærð hans er í beinu hlutfalli við breytingahraðann (afleiðuna). Stór kraftur tengist miklum stöðuorkumun miðað við gefna vegalengd, lítill kraftur litlum.
Þessar tvær skilgreiningar, stöðuorku útfrá á krafti og krafts útfrá stöðuorku, sýna hvernig hugtökin kraftur og stöðuorka eru nátengd. Tveir hlutir sem beita hvor annan krafti hafa stöðuorku, hvor í kraftsviði hins. Ef kerfi samanstendur af tveim hlutum sem beita hvor annan krafti, kemur fram í því stöðuorka.
Vegna þess að allir kraftar eru fall af vegalengd, mun sérhver breyting á innbyrðis afstöðu kerfis með stöðuorku annaðhvort minnka hana eða auka. Þegar stöðuorka kerfis minnkar, breytist hún í aðra tegund orku, t.d. hreyfiorku. „Geyma“ má stöðuorku svo sem þyngdarstöðuorku, fjöðrunarorku, efnaorku, kyrrstöðumassaorku eða raforku og leysa síðar úr læðingi.
Um stöðuorku hlutar í þyngdarsviði jarðar gildir:
:<math>E_s = mgh \;</math>
þar sem ''m'' e massi hlutarins, ''g'' [[g (eðlisfræði)|þyngdarhröðun jarðar]] og ''h'' hæð hlutarins frá núllpunkti. Hann má skilgreina eftir hentugleikum. Fyrir hlut sem fellur alla leið til jarðar er yfirborð jarðar eðlilegur núllpunktur. Fyrir vatn í fossi getur verið eðlilegra að skilgreina yfirborð hylsins sem fossinn fellur í sem núllpunkt; hreyfiorka vatnsins rétt áður en það fellur í hylinn jafngildir í góðri nálgun hreyfiorku þess á fossbrúninni plús stöðuorku þess þar, reiknað frá yfirborði hylsins. Í raunhæfum reikningum er "absolút" gildi stöðuorku yfirleitt aldrei gagnleg stærð, heldur mismunur stöðuorkugilda í tveimur punktum.
<!--
When a system moves to a lower potential energy state, energy is either released in some form or converted into another form of energy, such as kinetic energy. The potential energy can be "stored" as gravitational energy, elastic energy, chemical energy, rest mass energy or electrical energy, but arises in all cases from the spatial positioning and interaction of objects within a system. Unlike kinetic energy, which exists in any moving body, potential energy exists in any body which is interacting with another object.
For example a mass released above the [[Earth]] initially has potential energy resulting from the [[gravity|gravitational attraction]] of the Earth, which is transferred to kinetic energy as the gravitational force acts on the object and its potential energy is decreased as it falls.
Equation:
:<math>E_p = mgh \;</math>
where ''m'' is the mass, ''h'' is the height and ''g'' is the value of [[acceleration]] due to gravity at the Earth's surface (see [[gee]]).
===Internal energy===
''Main article: [[Internal energy]].''
''Internal energy'' is the [[kinetic energy]] associated with the motion of [[molecule]]s, and the [[potential energy]] associated with the [[rotation|rotational]], [[vibration|vibrational]] and [[electric]] energy of [[atom]]s within molecules. [[Internal energy]], like energy, is a quantifiable [[state function]] of a system.
-->
=== Innri orka ===
{{Aðalgrein|Innri orka}}
'''Innri orka''' er [[hreyfiorkan]] sem tengist hreyfingu [[sameind]]a og [[stöðuorkan]] sem tengist [[snúningur|snúnings]]-, [[titringur|titrings]]- og [[raforka|raforku]] [[frumeind|atómanna]] í sameindunum. Innri orka kerfis er eitt [[ástandsfall]]a þess.
{{Gæðagrein}}
[[Flokkur:Orka| ]]
[[Flokkur:Eðlisfræði]]
[[af:Energie]]
[[am:አቅም]]
[[an:Enerchía]]
[[ar:طاقة]]
[[arc:ܐܢܪܓܝ]]
[[arz:طاقه]]
[[ast:Enerxía (física)]]
[[az:Enerji]]
[[bat-smg:Energėjė]]
[[be:Энергія]]
[[be-x-old:Энэргія]]
[[bg:Енергия]]
[[bn:শক্তি]]
[[br:Energiezh]]
[[bs:Energija]]
[[ca:Energia]]
[[ckb:وزە]]
[[cs:Energie]]
[[cy:Egni (gwyddonol)]]
[[da:Energi]]
[[de:Energie]]
[[el:Ενέργεια]]
[[en:Energy]]
[[eo:Energio]]
[[es:Energía]]
[[et:Energia]]
[[eu:Energia]]
[[fa:انرژی]]
[[fi:Energia]]
[[fr:Énergie]]
[[frr:Energii]]
[[fy:Enerzjy]]
[[gl:Enerxía]]
[[gv:Bree]]
[[he:אנרגיה]]
[[hi:ऊर्जा]]
[[hif:Shakti]]
[[hr:Energija]]
[[ht:Enèji]]
[[hu:Energia]]
[[hy:Էներգիա]]
[[ia:Energia]]
[[id:Energi]]
[[io:Energio]]
[[it:Energia]]
[[ja:エネルギー]]
[[ka:ენერგია]]
[[kaa:Energiya]]
[[kk:Энергия]]
[[kn:ಶಕ್ತಿ]]
[[ko:에너지]]
[[ku:Wize]]
[[la:Energia]]
[[lb:Energie]]
[[li:Energie]]
[[lmo:Energia]]
[[ln:Molungé]]
[[lt:Energija]]
[[lv:Enerģija]]
[[mg:Angôvo]]
[[mk:Енергија]]
[[ml:ഊർജ്ജം]]
[[mn:Энерги]]
[[mr:ऊर्जा]]
[[ms:Tenaga]]
[[mwl:Einergie]]
[[my:စွမ်းအင်]]
[[mzn:انرژی]]
[[nds:Energie]]
[[ne:ऊर्जा]]
[[new:ऊर्जा]]
[[nl:Energie]]
[[nn:Energi]]
[[no:Energi]]
[[nov:Energie]]
[[oc:Energia]]
[[or:ଶକ୍ତି]]
[[pl:Energia (fizyka)]]
[[pnb:جان]]
[[pt:Energia]]
[[qu:Micha]]
[[ro:Energie]]
[[ru:Энергия]]
[[rue:Енерґія]]
[[sah:Энергия]]
[[scn:Enirgìa]]
[[sh:Energija]]
[[si:ශක්තිය (භෞතික විද්යාව)]]
[[simple:Energy]]
[[sk:Energia]]
[[sl:Energija]]
[[sn:Simba]]
[[so:Awood]]
[[sq:Energjia]]
[[sr:Енергија]]
[[su:Énergi]]
[[sv:Energi]]
[[sw:Nishati]]
[[ta:ஆற்றல்]]
[[tg:Энергия]]
[[th:พลังงาน]]
[[tl:Enerhiya]]
[[tr:Enerji]]
[[tt:Энергия]]
[[ug:ئېنېرگىيە]]
[[uk:Енергія]]
[[ur:توانائی]]
[[vec:Energia]]
[[vi:Năng lượng]]
[[war:Enerhiya]]
[[wo:Kàttan]]
[[yi:ענערגיע]]
[[zh:能量]]
[[zh-min-nan:Lêng-liōng]]
[[zh-yue:能量]]
| |||