Lavoro ed energia.

Presentazione sul tema: "Lavoro ed energia."— Transcript della presentazione:

1 Lavoro ed energia

2 Il lavoro Una forza compie lavoro quando sposta il suo punto di applicazione; più forze applicate allo stesso corpo compiono lavoro in modo indipendente l’una dall’altra

3 Il lavoro Una forza compie lavoro se produce uno spostamento.
Se forza F e spostamento s sono vettori paralleli, il lavoro L è il prodotto dei loro moduli: Se forza e spostamento non sono paralleli, si considera solamente la componente della forza parallela allo spostamento:

4 Il lavoro Nel SI il lavoro si misura in joule (J):
Se l’angolo tra forza e spostamento è α:

5 Il lavoro Valore e segno del lavoro L dipendono dall’angolo α tra la forza F e lo spostamento s.

6 Il lavoro Su un corpo agiscono più forze; il lavoro totale è:
la somma algebrica dei lavori delle singole forze che agiscono oppure, in modo equivalente il lavoro compiuto dalla risultante di tutte le forze applicate

7 Il lavoro In un grafico forza-spostamento, l’area al di sotto del grafico rappresenta il lavoro compiuto dalla forza. Questo permette di calcolare il lavoro di forze variabili con lo spostamento, come la forza elastica: Il lavoro compiuto tra le posizioni 0 e s è uguale all’area colorata. Per la forza elastica: Forza elastica

8 L’energia cinetica L’energia cinetica è associata al movimento di un corpo; essa varia quando sul corpo viene fatto un lavoro

9 L’energia cinetica Energia: capacità di compiere lavoro
Un corpo in movimento ha la capacità di compiere lavoro (per esempio comprimendo una molla) Energia cinetica: energia posseduta da un corpo in movimento. Dipende dalla massa e dalla velocità

10 L’energia cinetica L’energia cinetica Ec di un corpo è il semiprodotto della massa per il quadrato della velocità. Nel SI l’unità di misura dell’energia cinetica è il joule (J). Lavoro e energia cinetica hanno la stessa unità di misura:

11 L’energia cinetica Forza applicata a un corpo: l’energia cinetica può variare Una forza parallela alla velocità fa variare l’energia cinetica (moto di caduta) Una forza perpendicolare alla velocità modifica la traiettoria ma lascia invariata l’energia cinetica (moto circolare uniforme)

12 L’energia cinetica Una forza che forma un angolo α rispetto alla velocità può essere scomposta in due componenti: parallela alla velocità, fa variare l’energia cinetica perpendicolare alla velocità, modifica la traiettoria ma lascia invariata l’energia cinetica

13 L’energia cinetica Teorema dell’energia cinetica
Il lavoro compiuto da una forza su un corpo è uguale alla variazione di energia cinetica del corpo stesso. vi è la velocità iniziale del corpo, prima che inizi l’azione della forza, vf è la velocità finale, quando questa azione è terminata.

14 L’energia potenziale L’energia potenziale gravitazionale è associata alla posizione di un corpo rispetto alla Terra; l’energia potenziale elastica è associata alla deformazione dei corpi elastici

15 L’energia potenziale Un corpo fermo può avere la capacità di compiere lavoro: per esempio può avere energia potenziale gravitazionale (a) o energia potenziale elastica (b)

16 L’energia potenziale Energia potenziale gravitazionale di un corpo: lavoro che la forza di gravità può compiere facendolo cadere sul piano di riferimento. Se l’oggetto ha massa m e si trova a una quota h: Lgravità = m·g·h

17 L’energia potenziale

18 L’energia potenziale La forza peso è una forza conservativa
Per fare salire (a velocità costante) un corpo su un piano inclinato senza attrito si applica una forza F che compie il lavoro L = P·h. Il corpo acquista l’energia potenziale Ep = P·h. Cadendo sotto l’azione del peso il corpo può restituire il lavoro speso per sollevarlo: Ep = L. Il lavoro compiuto dalla forza peso dipende solo dalla differenza di quota h, e non dal percorso.

19 L’energia potenziale La forza d’attrito è una forza dissipativa
In presenza di una forza di attrito Fa il lavoro per spostare il corpo a quota h è: L = F·l = P·h + Fa·l > P·h. Il corpo acquista l’energia potenziale Ep = P·h. Cadendo il corpo non può restituire tutto il lavoro speso per sollevarlo: Ep < L. Il lavoro compiuto dalla forza d’attrito dipende dal percorso seguito.

20 L’energia potenziale Energia potenziale elastica Ee di una molla compressa di un tratto s: lavoro che la molla può compiere tornando alla posizione di equilibrio. La forza elastica è una forza conservativa

21 L’Energia si Conserva Forze conservative Il passaggio da EP a EC
e viceversa avviene in modo che la loro somma si mantenga costante

22 … e con l’Attrito ? Come mantenere la conservazione dell’Energia ?
L’energia trasformata non sembra essere uguale a quella iniziale. Parte della EC si trasforma in Calore SIMULAZIONE

23 Il principio di conservazione dell’energia meccanica
Il principio afferma che, in assenza di attrito o di altre forze, l’energia potenziale (gravitazionale ed elastica) e quella cinetica cambiano continuamente l’una nell’altra ma l’energia totale è sempre la stessa

24 La potenza La potenza è il lavoro compiuto da una forza nell’unità di tempo; la potenza è una proprietà delle macchine

25 La potenza La potenza è il rapporto fra il lavoro compiuto e l’intervallo di tempo impiegato per compierlo: Nel SI la potenza si misura in watt (W):

26 La potenza Multipli del watt
La potenza è un dato caratteristico delle apparecchiature elettriche.

27 La potenza Un corpo è soggetto a una forza F e si muove a velocità costante. (F compensa le altre forze che si oppongono al moto, come gli attriti). La potenza che deve essere fornita in questo caso è il prodotto della forza per la velocità:

28 La potenza Il rendimento di una macchina è il rapporto tra potenza utile e potenza assorbita; è sempre inferiore a 1

29 Osservazione Bisogna tener presente che si può svolgere molto lavoro (cioè consumare o produrre energia) anche sviluppando poca potenza. Ciò infatti dipende dalla durata del processo. Ad esempio una lampadina da 100 W consuma un decimo di una stufetta da 1000 W, ma se utilizziamo la stufetta per un'ora e lasciamo accesa la lampadina per 24 ore, alla fine la stufetta avrà consumato solo un chilowattora mentre la lampadina ne avrà consumati ben 2,4 (il chilowattora è un'unità di misura dell’energia, definita come l'energia necessaria a fornire una potenza di un kWatt (kW) per un'ora (h) e non fa parte del sistema internazionale). Per questo motivo al fornitore elettrico si paga prima di tutto l'energia consumata e non la potenza; ma la stessa azienda elettrica fa pagare anche una quota base, proporzionale alla potenza nominale (chilowatt), cioè alla potenza massima del contatore a cui questo stacca la corrente.

30 La termodinamica La termodinamica è la scienza che si occupa di tutti i possibili trasferimenti di energia che interessano la materia. 30 30

31 Il sistema Con il termine sistema si intende l’oggetto di indagine.
Tutto ciò che circonda il sistema costituisce l’ambiente. sistema + ambiente = universo 31 31

32 Sistemi aperti, chiusi ed isolati
I sistemi aperti scambiano energia e materia con l’ambiente. I sistemi chiusi scambiano con l’ambiente soltanto energia ma non materia. I sistemi isolati non scambiano con l’ambiente né energia né materia. 32 32

33 L’energia interna di un sistema
La materia, sia allo stato solido che liquido che gassoso è composta da atomi e molecole in continuo movimento. Esse, perciò possiedono energia cinetica Ec (dovuta al movimento) ed energia potenziale Ep (dovuta alla interazione tra le molecole) La somma di tutte le energie cinetiche e potenziali si chiama energia interna U L’energia interna di un sistema è la somma di tutte le forme di energie presenti nel sistema

34 Il principio di conservazione dell’energia
In un sistema isolato l’energia totale è costante Perciò l'energia non può essere né creata, né distrutta, ma solo trasformata tra due forme diverse. L'energia si presenta infatti sotto moltissime forme, quali ad esempio l'energia meccanica (cinetica e potenziale), il calore, l'energia chimica, l'energia nucleare, … che possono essere trasformate l'una nell'altra.

35 I trasferimenti di energia
L’energia si può trasferire da un sistema a un altro in modi diversi; nel trasferimento ci possono essere delle perdite di energia

36 Lavoro come modalità di trasferimento dell’energia
Conosciamo già una modalità di trasferimento di energia, il lavoro. Per esempio, applicando una forza F ad un corpo per un determinato spazio s, si modifica l’energia cinetica del corpo. Il corpo accelera, passando dalla velocità v1 alla velocità v2. La sua energia cinetica passa dal valore E1 = ½ m v12 al valore E2 = ½ m v22 Perciò il lavoro L= F∙ s trasferisce energia al corpo cosicché la sua energia cinetica aumenta da E1 a E2 E1 lavoro E2

37 Come si trasmette il calore
La nostra esperienza quotidiana ci insegna che il calore si trasmette da un corpo a un altro. Se immergiamo un chiodo riscaldato su una fiamma, quindi rovente, in una vaschetta di acqua fredda, l’acqua diventa tiepida, mentre il chiodo si raffredda: infatti esso ha ceduto calore all’acqua. Il calore è energia “in transito” e non un’entità contenuta nei corpi.

38 Come si trasmette il calore
Il calore dunque è una forma di energia, e viene misurato, nel SI, joule (J). Per lungo tempo è stata però utilizzata come unità di misura la caloria (cal), definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14.5°C a 15.5°C (a pressione standard). Il fattore di conversione tra le due unità di misura è il seguente: 1 cal = J 1 J = cal

39 Come si trasmette il calore
Il passaggio di calore avviene sempre da un corpo più caldo a uno più freddo e termina quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura. La trasmissione del calore può avvenire in modo diverso a seconda che si propaghi attraverso i solidi, i fluidi (liquidi e aeriformi) o nel vuoto. La temperatura è la misura di quanto un corpo è caldo o freddo; essa dipende dallo stato di agitazione medio delle particelle che costituiscono il corpo.

40 Propagazione del calore nei solidi
Nei solidi il calore si trasmette per contatto diretto, un processo che viene chiamato conduzione. Se teniamo in mano, per un’estremità, una sbarretta di ferro e appoggiamo sul fuoco l’altra estremità, dopo un po’ di tempo anche l’estremità impugnata comincerà a scottare. Le particelle di ferro direttamente poste sulla fiamma acquistano energia termica, cioè aumentano il loro stato di agitazione e, vibrando, trasmettono questa agitazione alle molecole vicine. Ma non c’è spostamento di molecole, esse, vibrando, trasferiscono la loro agitazione alle molecole vicine per contatto diretto, realizzando così la propagazione dell’agitazione e quindi del calore per conduzione.

41 La conducibilità termica
La conducibilità termica di un corpo è la capacità del corpo di trasmettere il calore, essa dipende dalla natura del corpo: i metalli sono, in genere, dei buoni conduttori del calore; al contrario, il vetro, il legno, la plastica sono dei cattivi conduttori Il mestolo d’acciaio lasciato nell’acqua bollente... scotta! Il cucchiaio di legno lasciato per uno stesso tempo si scalda solo moderatamente.

42 Propagazione del calore nei fluidi
Nei fluidi la propagazione del calore avviene con un meccanismo che prevede il trasporto delle molecole riscaldate dal basso verso l’alto e di quelle fredde dall’alto verso il basso, realizzando così il mescolamento del fluido che si riscalda. Questo movimento circolare delle particelle è detto movimento (oppure moto) convettivo e il meccanismo di propagazione del calore nei fluidi è detto convezione. I chicchi di riso nell’acqua bollente evidenziano il movimento della massa d’acqua dal basso verso l’alto.

43 Propagazione del calore nei fluidi
I moti convettivi in una stanza: l’aria sopra il calorifero si riscalda e sale verso l’alto spingendo in basso quella fredda. Le differenze di temperatura nelle masse d’aria sono la causa della circolazione atmosferica.

44 Propagazione del calore per irraggiamento
Il Sole, che riscalda il nostro pianeta, invia calore attraverso il vuoto: infatti gran parte dei 150 milioni di chilometri che ci separano dalla nostra stella sono costituiti da spazio interplanetario, che è pressoché vuoto, ossia privo di materia. In realtà, il Sole, come tutti i corpi caldi, emette delle radiazioni calorifiche, che vengono assorbite dai corpi più freddi, riscaldandoli. Questo meccanismo di propagazione del calore è chiamato irraggiamento. Se avviciniamo una mano a una sorgente luminosa, come la lampadina, ci rendiamo conto che da essa si propaga calore per irraggiamento.