Verklegar æfingar í náttúrufræði

16 Eðlisfræðilegar útskýringar og hugtök Eðlisfræðilegar útskýringar og hugtök Orka og orkuform Lögmálið umvarðveislu orkunnar er ein af grundvallarreglum eðlisfræðinnar. Orka í lokuðu kerfi getur tekið á sig nokkrar myndir en heildar orkuinnihald breytist ekki með tíma. Þannig getur orka massa í þyngdarsviði breyst milli stöðuorku og hreyfiorku en summa þeirra verður föst. Í ystu stöðu er öll orka pendúls á formi stöðuorku en í lægstu stöðu á formi hreyfiorku. Ef viðnámskraftar koma við sögu getur hreyfiorka breyst í varmaorku. Samsvarandi mynd höfum við fyrir orku hlaðinna agna í rafsviði. Hitastig er mælikvarði á innri hreyfiorku efnisagna í einhverjum massa, sveiflur um jafnvægisstöðu í föstum efnum og vökvum og hreyfiorku í tilviljanakenndum færslum sameinda í gasi. Samanlögð innri orka allra byggingarsteina efnis er kölluð varmaorka eða varmi. Breyting á varmaorku (∆Q) er margfeldi hitastigsbreytingar (∆T) og stærðar sem er kölluð varmarýmd (C). ∆Q=C ∆T Hliðstæða við þetta er hæð vökvasúlu í mæliglasi. Varminn samsvarar rúmmáli vökvans, varmarýmdin þverskurðarflatarmáli mæliglass og hitastigið hæð vökvasúlunnar í glasinu. Varmi streymir frá heitari stað til kaldari á svipaðan hátt og vökvi lekur frá hærri stað til lægri. Þetta getur gerst á þrjá vegu; með varmaleiðni, með iðustraumum í vökva eða gasi og með varmageislun. Málmar eru almennt góðir varmaleiðarar og einangra varma þannig illa. Kyrrstætt loft (engir iðustraumar) leiðir varma illa. Einangrandi efni innihalda því mörg lokaðar loftbólur. Í ofnakerfi húsa er heita vatnið leitt efst inn í ofninn. Varmaskiptin við umhverfið gerast að hluta með varmageislun en annars með varmaleiðni til loftsins sem er í snertingu við ofninn. Varminn dreifist svo með iðustraumum því heita loftið er eðlisléttara en það kalda. Heita loftið streymir upp frá ofninum og dregur um leið kaldara loft að honum neðanverðum. Vatnið í ofninumkólnar við það aðmissa varmaorku til loftsins, kaldara eðlis- þyngra vatnið sígur niður í ofninum að úttakinu sem er við neðri brún ofnsins. Vatn hefur sérlega háa varmarýmd og hentar því vel sem flutningsmiðill fyrir varmaorku. Efnismassi getur haft þrjú form; fast efni, vökva eða gas. Vatn tekur á sig formið ís þegar hitastigið er undir frostmarki, vökvi við hitastig frá frostmarki að suðumarki og gas við hita- stig ofan suðumarks. Hamskiptin kosta eða skila varmaorku. Orkulægsta formið er fast efni, þá vökvinn og gasið er orkuríkast. Í vatnsaflsvirkjunum er stöðuorka vatnsins í lóninu nýtt til að knýja rafala sem umbreyta orkunni í raforku. Hún er flutt sem rafstraumur með háspennulínum til neytenda.