Energy and the Environment Lecture 6 PHYS/ENVS 3070 Professor Dmitri Uzdensky Sept. 8, 2014 PHYS/ENVS 3070 1Announcements: • Read Chapter 1 of E&E textbook !! • CAPA Homework #2 due Friday, Sept. 12, at 11 PM. Sept. 8, 2014 PHYS/ENVS 3070 2Consider)a)moving)object)acted)upon)by)a)force)F"While)the)force)is)applied,)if)the)object)moves)a)distance)d)in)the)direc:on)of)the)force)vector,)then)the)work)done)is:)Force)|Δx|)=)d)ntDisplaceme Force W Work ×==Work)must)have)units)of)Newtons)x)meters)=)(kg)m/s2))x)m)=)kg)m2/s2)We)also)call)this)Joules)–)the)SI)unit)for)work)and)also)energy!)WORK+Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 3)The)kine/c+energy+(KE))of)an)object)of)mass+m!(in)kilograms))moving)with)speed+v!(in)meters/second))is: ))• )KE)is)the)energy)of)mo:on.)• )KE)is)always)posi:ve)(KE)>=)0).)• )KE)and)Work)are)related)by)the)“Work[Energy)Principle”)• )Units)of)KE:)Kine/c+Energy+221KE mv=22]/][[21KE smkgmv ⇒=⎥⎦⎤⎢⎣⎡= mskgm2[ ]]Joules[== NmSept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 4)m)=)mass)of)the)object)(in)kilograms))))v)=)velocity)of)the)object)(in)meters/second).)The)work)done)by)the)net+force+on+a+single+object+is)equal)to)the)change)in)kine:c)energy)of)that)object:)Since)work)is)a)transfer)of)energy)via)a)force,)this)is)a)statement)of)conserva:on)of)energy.))WORK?ENERGY+PRINCIPLE+Wnet))=))WFnet))=))ΔKE))=))KEf)[)KEi)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 5)This)person)pushes)the)curling)rock)of)mass)=)20)kg)and)releases)it)with)a)velocity)v)=)3)meters/second.))What)is)the)kine:c)energy)of)the)rock?))A)))30)Joules))) )))B)))60)Joules)C))90)Joules))))))D))180)Joules)E))320)Joules)))Since)energy)is)conserved,)how)much)work)has)the)person)done)in)pushing)the)rock)from)rest)to)this)velocity?))A)))30)Joules))) )))B)))60)Joules)C))90)Joules))))))D))180)Joules)E))320)Joules ) ))22)3)(20(2121== mvKESept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 6)Clicker+Ques/on+Room)Frequency)DC)In)addi:on)to)kine:c)energy,)there)is)also)stored+energy))[[[)not)associated)with)mo:on.)For)example:))Poten+al"Energy))Example)–)spring)poten:al)energy)221xkUPE Δ==Where!k)=)spring)constant)and)Δx!is)the)displacement)of)the)spring)from)its)relaxed)length.)Note)that)we)must)have)done)work)(Force)x)distance))in)the)first)place)to)store)this)energy.)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 7)Poten/al+Energy+Gravita/onal+Poten/al+Energy+)))))where)m)=)mass,)g)=)9.8)m/s2,)and)))h)=)height)above)the)earth’s)surface.)mg hUPE ==Using)a)force)F)we)lij)a)book)off)the)ground)by)a)height)h.))The)energy)is)now)stored)as)gravita:onal)poten:al)energy.))))If)we)drop)the)book)it)accelerated)due)to)gravity,)i.e.)conver:ng)the)poten:al)energy)into)kine:c)energy)(mo:on).))h)F)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 8)Clicker+Ques/on+If)you)drop)a)12)pound)ball)from)a)height)of)4)feet,)what)is)the)kine:c)energy)just)before)it)hits)the)ground?))A)))12)Joules)B)))48)Joules)C)))12)foot[pounds)D)))48)foot[pounds)E)))12)BTU)Another)(some:mes)useful))unit)of)energy)is)the)foot[pound.)Joules 1.36 pound-foot 1 =Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 9)Room)Frequency)DC)qV (Voltage) charge) electric( =×== UPEElectrical+Poten/al+Ener gy+⎯ + q force Current in external circuit Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 10)Chemical+Poten/al+Energy))))Molecules)are)formed)by)binding)atoms)through)sharing)of)electrons.))These)molecules)ojen)have)stored)electrical)poten:al)energy)à)which)we)refer)to)as)chemical)poten:al)energy.))We)ojen)free)this)stored)chemical)energy)through)chemical)reac:ons.))The)amount)of)stored)energy)can)be)surprisingly)large!)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 11)C + O2 CO2 + Energy Energy)comes)from)re[arrangement)of)orbital)electrons.)Note)that)the)nuclei)of)atoms)are)not)involved)(i.e.)not)a)nuclear)reac:on).) Energy)appears)as)the)Kine:c)Energy)of)the)product(s).)Products)are)“hot”)(energy)transferred)by)collisions). Most)fossil)fuels)have)stored)chemical)poten:al)energy)!))When)burning)coal,)consider)the)following)reac:on.)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 12)C + O2 CO2 + Energy Thus,)note)that)for)every)atom)of)carbon,)we)produce)one)molecule)of)CO2.))This)will)turn)out)to)be)one)of)the)major)factors)in)the)increase)in)carbon)dioxide)in)the)atmosphere)(a)greenhouse)gas).)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 13)Each)C)+)O2)à)CO2)reac:on)(burning)carbon)in)the)coal)for)example),)releases)an)energy)of)roughly)10?18+Joules.))This)seems)like)a):ny)number!))But)it)is)only)one)carbon)atom.))How)many)atoms)are)there)in)12)grams)of)carbon?))Avagadro’s+Number+=+6+x+1023+atoms+per+mole++)))))))))))(i.e.,)per)12)grams)of)carbon)))A)1/2)pound)lump)of)coal)has)about)1x1025)atoms)of)carbon.))Thus)the)total)energy)from)this)chemical)reac:on)is:)))( )Atoms)Carbon #(AtomCarbon per Energy Energy Total ×=( )Joules10Atoms)10(mJoules/Ato10 Energy Total 725-18=×=Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070) 14)Solu:on:)With this energy (107 Joules), approximately how many feet can we raise a 3000 lb car? Assume 100% efficient use of this energy. Clicker Question Unit Conversions: 1 Joule = 0.74 foot-pounds 1 Joule = 0.0009 Btu 1 Joule = 0.24 calories A) 4 feet B) 10 feet C) 200 feet D) 2300 feet ⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=JftlbsJ74.0)10(Energy 7lbsft −×=6107Energy Thus,)the)work)that)can)be)done)is)lijing)a)3000)lbs)car)x)2300)feet)~)7)x)106)j[lbs.)Sept.)8,)2014) PHYS/ENVS)3070)
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