Co z energią zawartą w materiałach?

Energia zawarta w materiałach, Na poziomie makroskopowym jest on rozkładany na niektóre z następujących sposobów: termiczny, chemiczny lub jądrowy. Materiał może uwalniać lub wchłaniać niektóre z tych rodzajów energii podczas interakcji z innymi materiałami.

Uwolniona energia może być wykorzystana do wykonywania pewnego rodzaju pracy, takich jak poruszanie pojazdu, oświetlenie lampy, zwiększenie rakiety, wytwarzanie prądu elektrycznego i wiele innych rodzajów pracy. 

Z tego powodu twierdzi się, że energią ciała jest jego zdolność do wykonywania pracy lub że energia można przekształcić w pracę.

Na poziomie podstawowym, to znaczy w skali molekularnej i atomowej energią zawartą w materii jest energia kinetyczna, energia potencjalna i energia zawarta w masie elementów jądrowych atomu.

Energia cieplna

Energia cieplna jest makroskopową ekspresją energii kinetycznej lub energii ruchowej atomów, które tworzą materiał.

Na przykład w gazie cząsteczki można w nim przenosić, więc mają translacyjną energię kinetyczną. Suma energii kinetycznej wszystkich cząstek tworzących materiał jest jego energia cieplna.

Energia ta charakteryzuje się za pomocą makroskopowej ilości zwanej temperatura, proporcjonalne do średniej wartości energii kinetycznej cząstek, które tworzą materiał.

Kiedy dwa materiały są w kontakcie, istnieje ruch energii cieplnej niż ma wyższą temperaturę do najniższej temperatury. Zjawisko to wyjaśniono na poziomie mikroskopowym jako przenoszenie energii kinetycznej najszybszych cząstek do najwolniejszych.

Nazywana jest energia cieplna w tranzycie dwóch materiałów w kontakcie ciepło.

Silnik parowy

Podgrzewając wodę z kotła parowego, energia cieplna jest przenoszona z płomieni płonącego węgla do wody, wytwarzając w ten sposób pary wodne w wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu, ponieważ kotła jest praktycznie hermetycznym pojemnikiem.

Energia cieplna jest w stanie wykonywać prace mechaniczne. Na przykład, gdy gorąca para kotła jest przekazywana do cylindra z mobilnym tłokiem, cząstki pary wywierają na nią nacisk, przesuwając.

Jeśli tłok jest sprzężony z kołem za pomocą pręta łączącego, to samo jest obracane. Jest to zasada działania starych lokomotyw pary, które wykorzystują energię cieplną pary wodnej do poruszania lokomotywy, która z kolei przenosi się do samochodów kolejowych. 

Energia chemiczna

To energia potencjalna przechowywana w linkach atomowych tworzą cząsteczki materiału. Jego pochodzenie jest elektromagnetyczne, głównie z powodu interakcji elektrostatycznej między obciążeniami.

Kiedy te wiązania lub więzi są zepsute przez reakcję chemiczną, energia potencjalna uwalniana w każdej cząsteczce staje się energią kinetyczną jej składników. W ten sposób egzotermiczne reakcje chemiczne uwalniają energię chemiczną, aby przekształcić ją w energię cieplną.

Spalanie to reakcja chemiczna, w której określona substancja, zwana paliwo, Jest łączony z tlenem, powodując pęknięcie linków i tworząc nowe związki. W tym procesie uwalnia się energia potencjalna każdego wiązania cząsteczek paliwa, co powoduje, że powstałe cząsteczki nabywa energię kinetyczną.

Produkty spalania mają więcej energii cieplnej niż paliwo i tlen przed spalaniem.

Silniki spalinowe i energia chemiczna

Ponownie, ponieważ produkty spalania mają wysoką temperaturę i wysokie ciśnienie, można je wykorzystać do poruszania tłoków silnika spalinowego. A w wyniku uwolnienia energii chemicznej paliwa silnik pracuje nad wykonywaniem pracy, na przykład uruchamianie samochodu.

Baterie i energia chemiczna

Innym przykładem energii chemicznej są baterie, w których elektrony są uwalniane dzięki reakcjom chemicznym. Z kolei przechodzą przez zewnętrzny sterownik i wykonaj zadanie, na przykład przesuń silnik elektryczny.

Wszystko wskazuje, że samochody przyszłości będą elektryczne, ale z tyłu.

Energia nuklearna

Albert Einstein pokazał, że kawałek materiału, ponieważ sam fakt posiadania masy, nawet jeśli jest w spoczynku, zawiera ogromną ilość energii. Fakt ten przejawia się w słynnym równaniu:

Gdzie m jest masą, C Prędkość światła w pustce i energii zawartej w kawałku materiału.

Jest to równoważność między masą a energią, dlatego masa materiału może stać się energią i odwrotnie. Na przykład poprzez całkowitą rozpad 1 g materii, energia równoważna:

E = 1 g x (300.000 km/s)² = 0,001 kg x (3 x 10⁸ SM)² = 9 x 10¹³ Dżule = 20 kilotonów.

Energia równoważna temu uwolnionej w eksplozji dwudziestu tysięcy ton TNT. Z tą ilością energii, w kontrolowany sposób, lotniskowca może być promowana, aby kilkakrotnie obracać ziemię.

Uwolniłaby również ogromna ilość energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, to znaczy światło.

Masa materiału jest zawarta w 99,99% w jądrze atomów, które składają się. Masa atomu jest głównie energią potencjalną silnej interakcji jądrowej, która utrzymuje protony i neutrony w jądrze.

Kiedy to się pęknie „Link nuklearny”, Bombardując cząstki energii lub przez zderzenie dwóch rdzeni, uwalnia się duża ilość energii, ponieważ utrata niewielkiej frakcji masy w reakcji jądrowej.

Fuzja nuklearna

W gwiazdach jak słońce występują reakcje fuzji jądrowej. Tam, ze względu na wysokie temperatury, rdzenie atomowe wodoru i deuteru są oddzielone od elektronów i poruszają się z bardzo dużą prędkością. 

Z drugiej strony, ze względu na kolosalne ciśnienia wewnątrz gwiazd, jądra są bardzo blisko siebie, a prawdopodobieństwo wstrząsu czołowego między dwoma jąderami wodorowymi jest dość wysokie.

Bardzo wysoka energia kinetyczna jąder w zderzeniu przezwycięża odpychanie elektrostatyczne, dzięki czemu jądra zbliża się tak bardzo, że bardzo krótka silna siła jądrowa działa i utrzymuje je razem, tworząc większe jądro.

W tym procesie wiązania lub fuzji dwóch jąder wodoru w celu utworzenia rdzenia helu, część masy jest utracona. Oznacza to, że rdzeń helu utworzony przez fuzję jest lżejszy niż suma oryginalnych składników.

Wynika to z faktu, że część początkowej masy została wykorzystana do energii jądrowej, a inna została uwalniana jako energia kinetyczna z neutronów i fotonów wynikających z reakcji. Dlatego energia uwolniona w fuzji jądrowej wynika z utraty masy w reakcji i jej późniejszej konwersji w energię.

Fisja jądrowa

Nazywa się to procesem, w którym ciężki rdzeń jest podzielony na dwie lżejsze rdzenie, z powodu zderzenia incydentu neutronowego z dużą prędkością.

W tym procesie utrata masy, ponieważ suma mas powstałych jąder jest mniejsza niż masa pierwotnego jądra.

Ta utracona masa jest przekształcana w energię kinetyczną powstałych jąder (energia termojądrowa) i promieniowanie. W ten sposób bomba atomowa i pompa nuklearna uranu uwalniają energię materii.