• No results found

1. Work, Energy and Power

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "1. Work, Energy and Power"

Copied!
11
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Module:

Energy 

Time allocation: 10 hours 

IJSO Training Course 

Phase II 

Objectives 

ü Introduce the concepts of heat, work, and internal  energy.  ü Discuss the main energy transformations that take  place in a power station.  ü Discuss the advantage and disadvantages of  producing electrical energy using various energy  resources, e.g., fossil fuel, nuclear fission, and  some renewable energy resources, e.g., solar  energy, hydro­electric  power, etc. 

1.  Work, Energy and Power 

ü When a force moves a body in the direction along  which it acts, work is done on the body.  ü Energy is the ability to do work, work is the  process of converting energy.  ü To calculate the work done by a moving force: 

Work done = force  x distance moved  in direction of force 

4  ü That is,  ü the unit of work or energy is the Joule (J). 

W = F•s 

1 J is the quantity of work done when a  force of 1 N moves a body 1m, along its  own line of action.  Although force and displacement are both vectors,  work (or energy) is a scalar quantity.  Examples:  Vectors: force, displacement, velocity  Scalar: temperature, energy, speed  Exercises:  1. How much work is done when a force of 4 kN  moves a block 1000cm in the direction of the  force?  (40000J)  2. Find the work done in raising 85 kg of water  through a vertical distance of 4m.  (3332 J)

(2)

7  If the direction of the displacement is not the same  as the direction of the force, we use the component  of the force  which is parallel to the displacement.  For example, when a body is caused to accelerate  down an inclined plane by the force  of gravity:  8  Therefore,  the more general equation to  calculate work done is       , where q  is the angle between the force  and the  displacement.  W = F•s cosθ 

2. 

Kinetic Energy 

A body in motion possesses kinetic energy.  The kinetic energy possessed by a body depends  on itsmassand itsspeed. Consider a body of mass  m and speed v, its kinetic energy is given by : 

K.E. = ½ (mv 2  10 

3. 

Potential Energy 

Examples:  1. A mass in a gravitational field possesses  gravitational potential energy.  2. A stretched spring possesseselastic potential  energy3. A charged body in an electric field possesses  electrical potential energy11 

Gravitational Potential Energy 

Consider a ball of mass m being lifted from A to B,  the increase in the gravitational potential energy is  given by : 

where  g  =  9.8  ms ­2  is  the  acceleration  due  to 

gravity. 

Gravitational P.E. =  m g h 

12  Note: The equation tells 

­ only the change in G.P.E. of the body, and  ­is  valid  for  a  short  distance  near  the  earth’s 

(3)

13  Exercises:  1. What is the change in potential energy if a body  of 7 kg on the ground (a) is lifted to 120 m.  (b) is  placed at the bottom of a vertical mine shaft 120m  deep.  (a) 8.2 kJ, (b) ­8.2 k J  14  2. A car of mass 500 kg traveling at 20m/s has its  speed reduced to 5m/s by a constant breaking  force over a distance of 80m.  (a) The cars initial kinetic energy  (b) The final kinetic energy  (c) The breaking force  (a) 100 kJ, (b) 6.25 kJ, (c) 1172 N  15 

Elastic Potential Energy 

Consider a spring being stretched an extension is x,  byHooke’s law, the restoring force is given by : 

F = ­ kx  16  The elastic potential energy stored in the spring is  given by the area under the curve:  or it equals:  Elastic P.E. = ½ (kx 2 

4. 

Power 

Power is work done per second (or energy  converted per second). 

unit of power is theJoule per second, Js ­1 1 Js ­1 is 

called 1 Watt (1W).  Combining this equation with the definition of work  we have:  P = W/t  P = Fv  Exercises:  1. A constant force of 3kN pulls a crate along a  level floor a distance of 15 m in 40s. What is the  power used?  1125W  2. A hoist operated by an electric motor has a mass  of 600 kg. It raises a load of 300 kg vertically at a  steady speed of 0.5 m/s. Frictional resistance can  be taken to be constant at 900 N. What is the  power required?  4860W

(4)

19  3. A car of mass 1000 kg has an engine with power  output of 45 kW. It can achieve a maximum speed  of 110 km/h along the level.  (a) What is the resistance to motion?  (b) If the maximum power and the   resistance  remained the same what would be the maximum  speed the car could achieve up an incline of 1 in 40  along the slope?  (a) 1473 N, (b) 26.2 m/s  20 

5.  The Law of Conservation of Energy 

Energy can never be destroyed, it is just converted  from one form to another.  Examples of Energy Conversions: 

1. A battery converts chemical energy into  electrical energy. 

2. An electric motor lifting an elevator converts  electrical energy intogravitational potential  energy. 

21  3. When a moving vehicle uses its brakes to stop,  thekinetic energy of the vehicle is converted to  heatin the brakes. 

4. A nuclear reactor converts nuclear energy into  heat.  5. Sound is caused by the vibration of air  molecules.  22  Example:  Now the ball is at rest at B and is  falling from a height h.  ­At B, the ball has gravitational  potential energy only, i.e., E =  mgh;  ­At A, the elephant has kinetic  energy only, i.e.,  E = ½ mv 2  23  By the law of conservation of energy,  Therefore,  the speed of the elephant at A is given  by :  m g h = ½ mv 2  v = √(2gh)  24  Exercises:  1. Describe the energy transformation for the following  processes.  (a) A block is released down a smooth inclined  plane.  (b) A bullet strikes a wooden block and is embedded  inside.  (c) Two blocks resting on a smooth horizontal surface  held against a compressed, light spring are released.  (d) Streams of water fall from the top to the bottom of a  waterfall.

(5)

25  2. A cyclist and his bicycle has a mass of 90 kg.  After 200 m he reaches the top of a hill, with slope  1 in 40 measured along the slope, at a speed of 3  m/s. He then free wheels the 200m to the bottom  of the hill where his speed has increased to 7m/s.  How much energy has he lost on the hill?  2610J  26 

6. 

Machines 

Examples:  Lever (left) and pulley (right)  27  Efficiency  of a machine:  ­Work input into a machine:  ­Work output by a machine: 

Work input into a machine  = Effort x distance moved by effort  work input = E x d 

Work output by a machine  = Load x distance moved by load  work output = L x d L 

´ 

28  ­Efficiency  of a machine: 

­Mechanical advantage of a machine: 

Efficiency (h) of a machine  = (work input/ work  output) x 100%  h = [(L x d L )/(E x d E )]x 100% 

M.A.= Load / Effort  =L/E 

­Velocity ratio of a machine: 

­Efficiency  of a machine can be rewritten as: 

V.R. = distance moved  by effort  / distance moved  by load =dE/dL 

h = (M.A. / V. R.) x 100%  Exercises:  1. A machine has an efficiency of 70%. The effort  moves 5 m in lifting a load of 25 kg through 0.5 m.  Find  (a) the useful output of the machine,  (b) the total input of the machine,  (c) the effort  required.  (a) 122.5 J, (b) 175 J, (c) 35 N

(6)

31 

2. A car of mass 800 kg, running  at 55 km h ­1 , consumes 5.25 

liters of petrol per hour. The time taken for the car to decelerate  from 70 km h ­1 to 40 km h ­1 when engaged in neutral gear is 

found to be 14 s.  (a) Calculate the deceleration of the car when its speed is 55 km  h ­1  (b) What is the resistance  acting on the car at this speed?  (c) (i)  What is the work output by the engine in 1 hour when  the car is moving at km/hr?  (ii)  If 4.55 litres of petrol can release 1.7 x 10 8 J of energy,  find the efficiency of the engine of the car. 

(a) 0.595ms ­2 ,  (b) 476.2 N, (c) (i) 2.62 x 10 J, (ii) 15.4% 

32 

7. 

Some kinds of machines 

The levers  Scissors (left) and nutcrackers (right)  33  The pulleys  V.R. = ______V.R. = ______V.R. = ______  34 

The screw jack 

V.R. = __________ 

35  8. Fossil fuels as a major source of energy  Forms of energy can be classified as  1. Non­renewable energy: those which are  exhaustive, i.e., fossil fuels (石化燃料) and  nuclear energy  2.Renewable energy: those which will not be  exhaustive, e.g., solar power, water power, wind  power, etc.  36  Fossil fuelsis commonly used today for electricity  generation, and come in 3 principal forms: Coal  (煤) , Natural Gas (天然氣) andCrude Oil (原油).

(7)

37 

Formation of Coal 

Organic material made up primarily of carbon,  varying amounts of hydrogen, oxygen, nitrogen  and sulphur.  It was formed millions of years ago in the  Carboniferous Period 石炭紀時期 (~360 to 286  million years ago). As the trees and plants died,  they sank to the bottom of the swamps of oceans,  forming layers of a spongy material call peat(泥 煤).  38  Peat is a brownish material that looks like wood.  Although it can be burnt as a fuel, it contains a lot  of water, and therefore  is very  smoky when burnt.  As the peat became buried beneath more sand,  clay and other plant matter, the pressure and  temperature increased and the water was squeezed  out of it.  Over many years the materials became  compacted the carbon content increased, it turned  into carbon­rich coal.  39 

Formation of Oil 

Fossil fuels: liquid forms ­ crude oil, gaseous  forms ­ natural gas.  Between 10 to 160 million years ago, marine  plants and animals died and sank to the bottom,  they were rapidly covered  in mud, sand, and other  mineral deposits. This rapid burial prevented  immediate decay.  40  In a lack­of­oxygen  environment, the organisms  were slowly decayed into carbon­rich compounds.  These compounds mixed with surrounding  sediments and formed source rock.  As more layers were deposited on top of one  another, pressure and heat acting on the source  rock compressed the organic material into oil.  As the movement of the earth, oil travels into  rocks that have larger spaces, or pores, to hold it.  Limestone and sandstone are two types of rocks  with large pores, and they are called porous rocks.  These reservoir rocks were trapped between  impermeablecap rock, which can hold oil within  the ground for many years. 

Crude oil 

It has various components,  which do not have the  same boiling points.  Atoil refineries, crude oil  is split into various types  of products by heating.

(8)

43  It then made into many different  products ­ the  clothes, the toothbrush, the plastic bottle, the  plastic pen. Almost all plastic comes originally  from crude oil.  The products include gasoline, diesel fuel,  aviation or jet fuel, home heating oil, oil for ships  and oil to burn in power plants to make electricity.  44 

Natural gas 

Mostly made up of a gas called methane (CH4),  which is made up of 1 carbon and 4 hydrogen  atoms.  Lighter than air, highly flammable(易燃) 

Colourlessandno odor.  It is mixed with a  chemical that gives a strong rotten­egg odor  before being sent to storage tanks.  45 

Safety Note 

If you smell that rotten egg smell in your house,  get out of the house quickly.  Don't turn on any lights or other electrical devices.  A spark from a light switch can ignite the gas  easily.  46 

Saving Fossil Fuels 

Fossil fuels take millions of years to make. We are  using up the fuels that were made more than 300  million years ago before the time of the dinosaurs.  So, it's better not to waste fossil fuels. They  are  not renewable. We can save fossil fuels by  conserving energy.  47  9.Alternative energy source: Nuclear power  Nuclear energy is not renewable.  Matter and energy can't be created nor destroyed,  but they can be changed in form. Matter can be  changed into energy. That is the mass­energy  equation:  .  This equation says mass and energy are equivalent.  In which, E [energy] equals m [mass] times c 2  where c is the speed of light. 

Nuclear energy 

E=mc 2  48  When a neutron bombards  on a heavy nucleus, e.g., uranium  235, it splits into several smaller fragments. 2 or 3 neutrons  are emitted spontaneously.  This process is called nuclear  fission. The sum of the masses of these fragments is less than  the original mass. This 'missing'  mass (~ 0.1 %) has been  converted into energy according to the mass­energy equation.

(9)

49  Nuclear chain reactionrefers to a process in  which neutrons released in fission produce an  additional fission in further nucleus.  If each  neutron releases one more neutron, then the  number of fissions doubles each generation. In  that case, in 10 generations there are 1,024 fissions.  The rate of the reaction can be controlled (nuclear  power) or uncontrolled (nuclear weapons).  50 

Controlled nuclear reaction 

Nuclear power stations work much the same way  as fossil fuel­burning stations, except that a  nuclear fission inside a nuclear reactor makes the  heat instead.  Modern reactors use enriched uranium­235 as fuel.  Natural uranium is only 0.7% uranium­235; the  rest is uranium­238.  51  Neutrons smash into the nucleus of the uranium  atoms, which split the atom and release energy in  the form of heat.  Pressurized water is pumped through the reactor to  take the heat away, and the hot gas then heats  water to make steam.  The steam drives turbines  which drive generators.  52  Control rods(made of boron or graphite) are to  absorb extra neutrons in order to control the rate  of nuclear reaction.  If the reactor gets too hot (nuclear reaction is too  fast), the control rods are lowered into the reactor  to absorb neutrons. Hence, the reaction rate is  decreased.  If the reaction is slow down, the control rods are  raised. More neutrons crash into uranium atoms  and hence more energy is generated.

(10)

55 

Advantage of using nuclear power 

It is relatively  not expensive to build a nuclear  power plant.  Produces huge amounts of energy from small  amounts of fuel.  Does not produce smoke or carbon dioxide, so it  does not contribute to the greenhouse effect.  Small amounts of waste are produced.  56 

Disadvantage of using nuclear power 

Radioactive waste is produced.  It must be sealed  up and buried for many years to allow the  radioactivity to die away.  Terrorism may increase in scale. Reactors could  be a target being attacked with bombs.  Much effort (e.g., money) is paid for safety  measures. If it goes wrong, a nuclear accident can  be a major disaster.  57 

10.  Renewable energy sources 

Solar energy is free, renewable and available to  everywhere  in the world.  No waste or pollution is produced, few  environmental problems are created.  Exempt from rising energy prices.  Good for remote locations. 

Solar power 

58  However,  Produces a small energy output per surface area of  solar cell.  Not good for large­scale production. It requires  thousands of mirrors or cells that take up a large  area of land.  It’s relatively expensive to build solar power  stations.  Does not work at night or in a cloudy day.  59 

Hydro­electric power 

The efficiency  is high and the running costs are  low.  No waste or pollution produced.  More reliable than other renewable energy  resources such as wind or solar power.  Water can be stored above the dam ready to cope  with peaks in demand.  60  However,  Very expensive to build a dam, but many dams are  also used for flood control, so building costs can  be shared.  Building a large dam will flood a very large area  upstream, causing problems for animals that used  to live there.  Water quality and quantity downstream can be  affected, which can have an impact on plant life.

(11)

61 

Wind power 

Cheap and clean, produces no waste or greenhouse  gases.  Provide electricity  to remote areas.  Wind farms can be tourist attractions.  62  However,  The wind is not always predictable ­ some days  have no wind.  Suitable areas for wind farms are often near the  coast, where land is expensive.  Noisy. A wind generator makes a constant, low,  "swooshing" noise day and night.  — End —

References

Related documents

► Our systematic review and random-effects network meta-analysis (NMA) will provide pragmatic answers to a critical question in the field of psychiatry: which drug or

Drawing on published document collections from the Central Powers (Germany, Austria-Hungary) and the Allies (Great Britain, France, and Russia), as well as unpublished materials from

Arena Solutions, originator of multi-tenant, cloud-delivered Product Lifecycle Management (PLM), provides user-ready solutions developed to address key business

H1: SMEs representing individual clusters (based on the use of marketing communication tools and their intended use) in terms of selected attributes (enterprise size,

This Malaysian Standard deals with the safety of electric storage water heaters for household and similar purposes and intended for heating water below boiling temperature, their

Consultant will work with the Scott County webmaster and 10-member design team to develop a new successful Drupal setup and website redesign.. The successful

The driving force in the sector was international trade, which is just under 29.6 million tons and equal to about 4.8 billion square feet (450 million equivalent square meters)

Učitelji koji rade s djecom s posebnim potrebama trebaju imati širok spektar znanja o razvoju djece. Iskustvo učitelja također može doprinijeti boljitku i boljem