אנרגיה בעולמנו
בעולם סביבנו מתרחשים כל הזמן תהליכים של מעברי אנרגיה וגלגולי אנרגיה, חלק ממעברי האנרגיה מתרחשים בטבע סביבנו וחלק במכשירים שבנה האדם.
דוגמאות למעברי אנרגיה בין גופים וגלגולי אנרגיה:
← במנוע של מכונית נשרף דלק ונוצרת אנרגית חום שמומרת לאנרגית תנועה.
← כאשר מקרינים אור על משטח של תאים סולריים, אנרגית קרינה מומרת לאנרגיה חשמלית.
← כאשר מניחים כוס תה חמה על משטח. המשטח מתחמם וכוס התה מתקררת. אנרגית חום עוברת למשטח.
← בנורה אנרגיה חשמלית מומרת לאנרגית קרינה.
ניתן להציג את המידע בעזרת תרשימי זרימה לדוגמא:
חקר הצורות השונות של האנרגיה ומעברים בין צורות אנרגיה שונות הביא את החוקרים לנסח את אחד החוקים החשובים ביותר והוא חוק שימור אנרגיה.
חוק שימור האנרגיה
חוק שימור האנרגיה קובע שסך האנרגיה במערכת סגורה הוא גודל קבוע שאינו משתנה. שינוי האנרגיה במערכת סגורה מתבטא רק בשינוי צורת האנרגיה או במיקומה, ואילו כמות האנרגיה קבועה תמיד.
משמעות הדבר היא שאנרגיה נוצרת תמיד מאנרגיה אחרת, במערכת סגורה היא לעולם לא מתכלה וכמותה נשארת קבועה.
Image by Carabo Spain from Pixabay
סוגי אנרגיה
המונח אנרגיה פוטנציאלית מציין את יכולתו של הגוף לבצע עבודה
אנרגית פוטנציאלית
אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיה שנובעת ממיקום הגוף או מצבו.
דוגמאות
אנרגיה אלסטית היא אנרגיה שיש לגופים אלסטיים. קפיץ מתוח או חץ וקשת ואפילו גומייה מתוחה יכולים לנוע או לגרום לתנועה של גופים אחרים.
אנרגיה כימית הנמצאת במזון מאפשרת לגופנו לנוע ולבצע את תהליכי החיים.
אנרגיה כימית בדלק מצויה בקשרים הכימיים בין האטומים, כאשר הדלק נשרף משתחררת אנרגיית חום שמאפשרת למנועים תנועה.
אנרגיית גובה, אנרגיה שנובעת ממיקומו של גוף. באזורים רבים בעולם יצרו סכרים שבהם נפילת המים מגובה רב מאפשרת ייצור חשמל.
אנרגיה קינטית
היא אנרגיה שיש לגופים שנמצאים בתנועה, הודות לתנועתו הגוף יכול לבצע עבודה.
דוגמאות
רוח, כדור מתגלגל, זרם של מים, זרם חשמלי, מכונית בתנועה. כל אילו הם דוגמאות לתנועה של גופים ולתנועה של חלקיקים.
חוקרים שעסקו בתחום פיתחו את הביטויים המתמטיים שמאפשרים לנו למדוד ולחשב אנרגיה פוטנציאלית וקינטית
אנרגית גובה (פוטנציאלית)
כדי לחקור את נושא זה, הגביהו החוקרים גופים בעלי מסות שונות ועקבו אחר נפילתם על מצע של חול.
החוקרים הבינו שקיים קשר בין מסת המשקולת, הגובה ממנו נפלה ועומק השקע שנוצר בקרקע. ככל שמסת המשקולת גדולה יותר והגובה רב יותר, השקע בחול היה עמוק יותר.
הם הסיקו שקיים קשר ישיר בין מסת העצם, גובה הנפילה ואנרגיית הגובה שלו.
אנרגיית הגובה קשורה גם לכוח הכבידה של גרמי שמיים, ככל שקבוע הכבידה גדול יותר יש השפעה ישירה על אנרגיית הגובה של הגוף.
החוקרים ניסחו את הקשר שמצאו בעזרת נוסחה מתמטית:
Eh – אנרגית גובה ביחידות ג’אול
m – מסה ביחידות ק”ג
g – קבוע הכבידה (בכדור הארץ 10N/kg)
h – גובה העצם
אנרגית תנועה (קינטית)
פני הירח מכוסים במכתשים שנוצרו כתוצאה מפגיעת מטאוריטים.
חוקרים בדקו את הצילומים של מכתשים שנוצרו לאחר פגיעת מטאוריטים במטרה למצוא קשר בין מסת המטאוריטים הפוגעים בירח לבין עומק המכתשים שנוצרו.
החוקרים מצאו כי מטאוריטים בעלי מסה גדולה יותר שנעו בחלל (באותה מהירות) ופגעו בירח, יצרו מכתשים עמוקים יותר. במילים אחרות, קיים קשר בין מסת מטאוריטים שפוגעים בירח לעומק המכתשים שנוצרים על פניו.
Image by Reimund Bertrams from Pixabay
במחקר אחר, עקבו חוקרים אחר מכוניות בתנועה ובבלימה. הם גילו שככל שמהירות המכונית הייתה גדולה יותר ומסת המכונית גדולה יותר כך זמן הבלימה התארך.
מחקרים אלו הובילו את החוקרים למסקנה כי קיים קשר בין מהירות ומסת הגוף לאנרגית התנועה שלו ולאחר ניסויים רבים ניסחו החוקרים קשר מתמטי בעזרת הנוסחה הבאה:
Ek– אנרגית תנועה ביחידות ג’אול
m – מסה בק”ג
v- מהירות במטר לשנייה.
תרגילים לדוגמא בנושא אנרגית גובה
סלע שמסתו 10Kg נמצא בגובה של 5m בכוכבי לכת שונים.
מהי אנרגית הגובה של הסלע ? השלם את הטבלה.
פתרון
2 אסטרונאוטים בעלי מסה זהה של 60Kg מתאמנים במרכז החלל.
אחד מהם נמצא בסימולטור המדמה את פני השטח בנוגה ואילו השני מרחף בסימולטור המדמה את כוכב חמה.
מהי אנרגית הגובה שלהם 2m מעל כוכב הלכת ?
פתרון
מסת מנורה שנמצאת 3m מהרצפה היא 400g, נמצאת בגובה 2m מהאי.
מה אנרגית הגובה של המנורה ?
פתרון
כדי לענות על השאלה יש לבחור מישור ייחוס.
אם מישור הייחוס שלנו הוא רצפת החדר נחשב את הגובה היחסי לרצפה :
אם מישור הייחוס שלנו הוא האי, אז נחשב את הגובה היחסי לאי :
משקולת נופלת על משטח חול, השלימו את המשפטים הבאים:
א. במהלך נפילת המשקולת, אנרגית הגובה של המשקולת ____ ואילו אנרגית התנועה של המשקולת ____.
ב. כדי ליצור שקע עמוק יותר בחול יש לשחרר את המשקולת ____.
ג. כדי ליצור שקע עמוק יותר בחול ניתן להחליף את המשקולת במשקולת בעלת ____.
פתרון
א. קטנה, גדלה.
ב. מגובה גדול יותר.
ג. מסה גדולה יותר.
Image by Carabo Spain from Pixabay
תרגילים לדוגמא בנושא אנרגיה קינטית
ספורטאי מתאמן בהדיפת כדור ברזל.
הוא הדף כדור שמסתו 4Kg, הכדור נע בקשת והגיע לגובה 3m.
נקודה א’ רגע לפני ההדיפה של הכדור, נקודה ב’ בשיא הגובה ונקודה ג’ ממש לפני שפוגע בקרקע.
איזה סוגי אנרגיה יש לכדור בשיא הגובה?
חשבו את אנרגית הגובה בשיא הגובה ביחס לקרקע.
איזה סוגי אנרגיה יש לכדור בנקודות א’, ב’, ג’.
פתרון
-
בשיא הגובה לכדור יש אנרגית גובה ואנרגית תנועה.
-
. 120J
-
בנקודה א’ יש לכדור אנרגית גובה בלבד, בנקודה ב’ יש לכדור אנרגית גובה ואנרגית תנועה ובנקודה ג’ אנרגית תנועה בלבד שמומרת לאנרגיית חום בפגיעה בקרקע.
אדם זורק כדור אנכית כלפי מעלה.
הכדור מגיע לגובה מסוים (נקודה 1) ומשם מתחיל ליפול חזרה לקרקע.
כאשר הכדור פוגע בקרקע (נקודה 3) הוא נמעך מעט וקופץ שוב.
בשלב מסוים הכדור לא קופץ יותר הוא מתגלגל מעט ונעצר (נקודה 6).
איזה גלגולי אנרגיה מתרחשים במערכת ואיזה אנרגיה יש לכדור בנקודות המסומנות בציור?
פתרון
במערכת המתוארת בציור יש חיכוך עם האוויר והרצפה ולכן הגובה אליו מגיע הכדור בכל פעם קטן.
בסוף התהליך הכדור נעצר (אנרגית תנועה=0) והפסיק לקפוץ (אנרגית גובה=0), ניתן להסיק שכל האנרגיה הומרה לאנרגית חום.
כדור נע לאורך המסלול המתואר באיור.
מהירות הכדור בנקודה A היא 6m/sec, מסת הכדור היא 3Kg והחיכוך עם המשטח והאוויר אפסיים וניתנים להזנחה.
לצורך החישוב הניחו ש- g=10 N/Kg
חשבו את אנרגית הגובה ואנרגית התנועה של הכדור בנקודות A,B,C,D?
מה המהירות של הכדור בכל נקודה ומה משפיע על המהירות?
פתרון
כדי לפתור את השאלה, נשתמש בנוסחאות האנרגיה בתנועה ואנרגית גובה. ניתן לחשב את האנרגיה ההתחלתית המורכבת מאנרגיה קינטית ואנרגית גובה, מכיוון שאין חיכוך, סך האנרגיה נשמר וישמש אותנו לפתור את המשך התרגיל. בכל נקודה נבדוק כיצד השתנה הרכב האנרגיה (גובה+תנועה) וכתוצאה מכך נוכל לחשב את המהירות החדשה.
נקבל את הטבלה הבאה :
מכונית נוסעת על כביש במהירות של 90 קמ”ש. אנרגית התנועה של המכונית 500,000J .
מצאו מה מהירות המכונית ביחידות מטר לשנייה ומה מסת המכונית?
פתרון
כדי לעבור מקמ״ש למטר לשנייה נחלק ב-3.6 ונקבל שמהירות המכונית היא 25 מטר לשנייה, למכונית יש אנרגית תנועה ולכן נוכל להציב את הנתונים בנוסחת האנרגיה המתאימה ולחלץ את המסה. נקבל שמסת המכונית היא 1,600Kg.
מכונית שמסתה 1200Kg נוסעת במהירות קבועה של 30m/sec על כביש אופקי.
ברגע מסוים הנהג בולם את המכונית לעצירה.
א. צייר בעזרת תרשים מלבנים את מעברי האנרגיה בתהליך.
ב. הוסף לתרשים בעזרת חישוב את הערך המספרי של האנרגיה בכל שלב.
ג. מהו ΔEk של התהליך?
ד. המכונית ממשיכה לנוע ומטפסת אל גבעה שגובהה 150m.
מהו ΔEh של התהליך?
פתרון
חלק א׳ + ב׳
חלק ג׳ + ד׳
משמאל, ניתן לראות איור ובו מדרונות חלקים בעלי שיפוע שונה (החיכוך עם המשטח והאוויר זניח).
חוקרים הניחו כדור זהה בגדלו במעלה כל המדרון ומדדו את מהירותו בתחתית המדרון.
מה גילו החוקרים ומדוע?
פתרון
החוקרים גילו שהכדורים הגיעו באותה מהירות לתחתית המדרון.
הסבר: הכדורים מתחילים את תנועתם מאותו גובה 2m ולכן הם בעלי אנרגית גובה זהה. בהמשך התהליך, כל אנרגית הגובה מומרת לאנרגית תנועה ולכן יגיעו לתחתית המסלול באותה מהירות.
משמאל, ניתן לראות איור ובו מדרונות חלקים בעלי שיפוע שונה (החיכוך עם המשטח והאוויר זניח).
חוקרים הניחו כדור זהה בגדלו אבל שונה במסתו במעלה כל המדרון ומדדו את מהירותו בתחתית המדרון.
מה גילו החוקרים ומדוע?
פתרון
החוקרים גילו, שהכדורים הגיעו באותה מהירות לתחתית המדרון.
הסבר: מאחר והמסה של הכדורים שונה, אנרגית הגובה שלהם שונה (תלויה במסה).
עם זאת, בהמשך התהליך אנרגית הגובה מומרת לאנרגית תנועה בקצב שונה. ניתן לראות במשוואה הסופית של מעבר האנרגיה שהמהירות הסופית לא תלויה במסה (המסה מתקזזת בשני הצדדים).
מכאן נסיק שכדורים בעלי מסה שונה יגיעו לתחתית המסלול באותה מהירות.
2 כדורים התגלגלו מראש גבעה (ראה איור).
הכדור האדום התגלגל שמאלה למדרון מתון ואילו הכדור הכחול התגלגל ימינה למדרון התלול.
המדרון חלק אין חיכוך עם המדרון או האוויר.
א. השלם את הטבלה לגבי כל כדור.
ב. קבע את המהירות של כל כדור בתחתית הגבעה והסבר את התוצאה שקיבלת.
פתרון
כדור כחול
כדור אדום
חלק א׳
נשתמש בנוסחאות האנרגיה :
חלק ב׳
מהירות הכדורים בתחתית המדרון נקבעת ע”י הגובה בלבד:
כמות האנרגיה מתארת את היכולת של גוף או מערכת לבצע עבודה
אנרגית חום
אנרגית חום מתקבלת בתהליכים שונים של גלגול אנרגיה. כפי שנראה מיד, בחלק מהמקרים המטרה היא אכן חימום, אך במקרים אחרים אנרגית החום היא תוצר לוואי שיצרנים ומהנדסים מנסים להקטין.
נצילות היא מושג שמגדיר את כמות האנרגיה שהמכשיר מפיק ביחס לאנרגיה שהוא מנצל, ככל שהנצילות גבוהה יותר ניתן לומר שהמכשיר יעיל יותר.
בעת חימום מזון על גז בישול או כיריים חשמליות או בעת חימום מים בדוד שמש, אנו מנצלים את אנרגית החום בצורה מכוונת אך בעת התחממות מכשירי חשמל שונים כגון מכונת כביסה או מייבש שיער נוצרת אנרגית חום שאינה מכוונת.
החוקרים בדקו איזה גורמים משפיעים על אנרגית חום שנוספת לחומר (ללא שינוי מצב צבירה) ומצאו שהיא תלויה בשלושה גורמים:
חשוב לזכור
כאשר מספקים לגוף אנרגית חום ומצב הצבירה שלו נשאר זהה,
האנרגיה שהשקענו גורמת לטמפרטורת הגוף לעלות
לכל חומר יש כמות אנרגיה מסוימת שנדרש להשקיע כדי לשנות את מצב הצבירה של החומר ממצב צבירה נוזל לגז או ממצב צבירה מוצק לנוזל. רמת אנרגיה זו נקראת חום כמוס.
בטבלה המצורפת נתונים חום כמוס של היתוך וחום כמוס של רתיחה עבור חומרים שונים :
כיצד נחשב את אנרגית החום הדרושה כדי לשנות מצב צבירה של חומר?
אנרגית חום הדרושה להיתוך = מסה בק”ג х חום כמוס של היתוך.
אנרגית חום הדרושה לרתיחה = מסה בק”ג х חום כמוס של רתיחה.
חשוב לזכור:
חום כמוס הוא אנרגית החום שיש להשקיע כדי לשנות את מצב הצבירה של 1 ק”ג חומר ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל או ממצב צבירה נוזל למצב צבירה גז.
כאשר מספקים לגוף אנרגית חום ומצב הצבירה שלו משתנה, טמפרטורת הגוף נשארת קבועה במהלך שינוי מצב הצבירה.
חום כמוס היתוך הוא כמות האנרגיה אותה יש להשקיע כדי להפוך 1Kg חומר ממצב צבירה מוצק לנוזל, בתהליך הפוך של קיפאון משתחררת אותה כמות חום שהשקענו.
חום כמוס רתיחה הוא כמות האנרגיה אותה יש להשקיע כדי להפוך 1Kg חומר ממצב צבירה נוזל לגז, בתהליך הפוך של התעבות משתחררת אותה כמות חום שהשקענו.
תרגילים לדוגמא בנושא אנרגית חום
על השולחן החדר מונחים מפתח מתכת, כוס מלאה מים וסרגל פלסטיק.
א. מה הטמפרטורה של כל אחד מהפריטים אם טמפרטורת החדר 20°c?
ב. כשנוגעים במפתח או מכניסים אצבע לכלי עם מים מרגישים קור. מדוע?
פתרון
א. כל הפריטים יהיו בטמפ’ של .20°c
ב. היד בטמפ’ של 36°c ולכן חום עובר מהיד למפתח ולכלי המים באזור המגע בין היד לחפץ יש פחות חום ולכן תחושת קרירות.
לפניך מונחות כפית וכף מברזל. באיזה אחת מהן צריך להשקיע יותר אנרגית חום כדי להעלות את הטמפרטורה שלה במעלה אחת?
פתרון
בכף נשקיע יותר אנרגיה. ככל שהמסה גדולה יותר, נדרשת יותר אנרגיה לצורך שינוי הטמפרטורה (עבור אותו חומר ואותו הפרש טמפרטורה).
Image by cocoparisienne from Pixabay
לפניכם שני כלים המכילים 3 ליטר מים כל אחד. מעוניינים להעלות את הטמפ’ של המים בכלי א’ מ 25°C ל- 30°C ואת הטמפרטורה של המים בכלי ב’ מ-25°C ל- 35°C . באיזה כלי צריך להשקיע יותר אנרגית חום?
פתרון
פתרון: כלי ב’. ככל שמעוניינים בהפרש טמפרטורה גדול יותר, נדרשת יותר אנרגית חום (עבור אותו חומר ואותה מסה).
Image by PublicDomainPictures from Pixabay
לפניכם שני גופים גוף אחד 2 ק”ג כסף וגוף שני 2 ק”ג ברזל.
מעוניינים להעלות את הטמפרטורה של שני הגופים במעלה אחת.
האם צריך להשקיע בשני החומרים אותה כמות של אנרגית חום?
פתרון
פתרון: כמות החום (אנרגיית החום) הנדרשת להעלות ק”ג אחד של חומר בטמפרטורה של מעלת צלזיוס אחת היא ייחודית (סגולית) לחומר ונקראת “חום-סגולי”.
כשהמסה קבועה, לברזל חום סגולי גבוה מזה של כסף ולכן נשקיע יותר אנרגיה בחימום הברזל.
מהי כמות החום (אנרגיית החום) הדרושה לחימום 200g ברזל מטמפרטורה של 170°C ועד לטמפרטורה של 400°C?
פתרון
חיממו גוש כסף מטמפרטורה של 17°C ועד לטמפרטורה של 40°C.
גוש הכסף פלט 20,000J לסביבה.
מהי מסתו של גוש הכסף?
פתרון
חיממו סיר ברזל שמסתו 2Kg, בתוך הסיר 3Kg מים מטמפ’ של 15°C ועד לטמפ’ של 50°C .
חשבו את אנרגיית החום של הסיר והמים.
פתרון
מהי כמות אנרגית החום המשתחררת כאשר 2Kg של אדי כסף הופכים לנוזל בטמפרטורת הרתיחה של כסף?
פתרון
אנרגית חום הדרושה לרתיחה = מסה בק”ג х חום כמוס של רתיחה.
החום הכמוס של רתיחת כסף הוא 2,336,000J/Kg.
כאשר כסף מתעבה מגז לנוזל משתחררת אותה כמות חום.
מהי כמות אנרגית החום שיש לספק ל3Kg מים במצב צבירה נוזל בטמפ’ רתיחה כדי שיהפכו לגז בטמפ’ הרתיחה.
פתרון
אנרגית חום הדרושה לרתיחה = מסה בק”ג х חום כמוס של רתיחה.
החום הכמוס של רתיחת מים הוא 2,256,000J/Kg
מהי כמות אנרגית החום המשתחררת כאשר גוש מוצק של 2Kg של כסף הופכים לנוזל בטמפרטורת הרתיחה של כסף?
פתרון
אנרגית חום הדרושה להתכה = מסה בק”ג х חום כמוס של התכה.
החום הכמוס של התכת כסף הוא 105,000J/Kg
בחימום 2Kg מים בכוס לא מבודדת בעזרת מזלג חשמלי הושקעה אנרגיה של 120KJ.
ידוע כי נצילות המכשיר היא 42% והחום הסגולי של מים הוא 4,200J/Kg׺C.
א. מה משמעות המונח נצילות?
ב. כמה אנרגית חום קולטים המים במהלך התהליך.
ג. מה שינוי הטמפ’ עקב החימום?
פתרון
א. נצילות היא כמות האנרגיה שהתגלגלה להפעלת המערכת ולא “התבזבזה” לסביבה.
ב.
ג.
על הגגות בישראל ממוקמים דודי שמש. כל דוד מכיל 150Kg מים.
ידוע כי החום הסגולי של מים הוא 4,200J/Kg׺C.
א. חשבו את כמות האנרגיה שיש לספק למים שבדוד כדי להעלות את טמפ’ המים ב 35°C .
ב. ידוע כי נצילות דוד שמש היא 20%. מה משמעות הנתון? כמה אנרגיה משקיעים כדי לחמם את המים ב 35°C.
פתרון
