ΑΡΧΗ ΤΟΥ ΕΛΑΧΙΣΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

ΑΡΧΗ ΤΟΥ ΕΛΑΧΙΣΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

ΑΡΧΗ ΤΟΥ ΕΛΑΧΙΣΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Οι νόμοι της ανάκλασης μπορούν να ερμηνευθούν με την αρχή του ελάχιστου χρόνου.Πράγματι στην περίπτωση που το φως διαδίδεται σε ομογενές υλικό η ταχύτητά του θα είναι σταθερή.Επομένως η διαδρομή που απαιτεί τον ελάχιστο χρόνο είναι αυτή που έχει το ελάχιστο μήκος.Στη διπλανή εικόνα έχουμε σχεδιάσει πιθανές πορείες διάδοσης του φωτός από το λαμπτήρα στον καθρέφτη και από τον καθρέφτη στο μάτι.Αν μετρήσουμε το μήκος κάθε διαδρομής,διαπιστώνουμε ότι η διαδρομή με το μικρότερο μήκος είναι η ενδιάμεση. 

Η αρχή του ελάχιστου χρόνου

 Σύμφωνα με την αρχή του ελάχιστου χρόνου,το φως θα ακολουθήσει κατά τη διάδοσή του αυτή τη διαδρομή.Μπορούμε επίσης να μετρήσουμε τις γωνίες πρόσπτωσης και ανάκλασης και να επαληθεύσουμε ότι είναι ίσες.

Οπτικός δρόμος μέσα σε ισότροπο μέσο.Το φως "ακολουθεί" τη συντομότερη διαδρομή,δηλαδή την ευθεία

 Χρησιμοποιώντας την αρχή του ελάχιστου χρόνου μπορούμε να αποδείξουμε τον νόμο της κατοπτρικής ανάκλασης;
 Αρχικά διατυπώνουμε το ερώτημα με ακρίβεια και σαφήνεια χρησιμοποιώντας τη γλώσσα των Μαθηματικών.

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΥΠΩΣΗ

 Αναζητούμε ένα σημείο Α που να ανήκει στο επίπεδο (κάτοπτρο) έτσι ώστε το μήκος ΛΑ+ΑΜ να είναι το ελάχιστο δυνατό.

ΑΠΟΔΕΙΞΗ

 Βρίσκουμε το σημείο Μ1 συμμετρικό του Μ ως προς το επίπεδο.Συνδέουμε το Μ1 με το Λ,η ευθεία Μ1Λ συναντά το επίπεδο στο Α.Το Α είναι το ζητούμενο σημείο.

Οι πορείες ΛΑ₁Μ και ΛΑ₂Μ δεν ακολουθούν το νόμο της κατοπτρικής ανάκλασης.Η πορεία ΛΑΜ ακολουθεί το νόμο της κατοπτρικής ανάκλασης.Το μήκος της τελευταίας είναι μικρότερο από το μήκος των άλλων δύο

 Πράγματι:

ΑΜ=ΑΜ1 

επομένως: 

ΛΑ+ΑΜ=ΛΑ+ΑΜ1              ή 

ΛΑ+ΑΜ=Μ1Λ

 Πρέπει να αποδείξουμε ότι το Μ1Λ είναι το ελάχιστο μήκος.Λαμβάνουμε ένα τυχαίο σημείο Α1 στο επίπεδο.
 Θα αποδείξουμε ότι:

                                                                          ΛΑ1+Α1Μ>Μ1Λ

Α1Μ=Α1Μ1                     ή 

ΛΑ1+Α1Μ=ΛΑ1+Α1Μ1

όμως παρατηρώντας το σχήμα και γνωρίζοντας ότι μεταξύ δύο σημείων ο συντομότερος δρόμος είναι το ευθύγραμμο τμήμα που τα συνδέει συμπεραίνουμε ότι ΛΑ1+Α1Μ>Μ1Λ,δηλαδή η διαδρομή ΛΑ+ΑΜ είναι η ελάχιστη δυνατή και επομένως το φως,καθώς διαδίδεται από το Α στο Μ μέσω του κατόπτρου,θα διέλθει από το Α. 

Ο συντομότερος δρόμος είναι το ευθύγραμμο τμήμα που τα συνδέει συμπεραίνουμε ότι ΛΑ1+Α1Μ>Μ1Λ,δηλαδή η διαδρομή ΛΑ+ΑΜ είναι η ελάχιστη δυνατή και επομένως το φως,καθώς διαδίδεται από το Α στο Μ μέσω του κατόπτρου,θα διέλθει από το Α

 Παρατηρώντας το σχήμα καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η γωνία π=δ=γ=α,δηλαδή π=α.

ΤΟ ΧΡΩΜΑ

ΤΟ ΧΡΩΜΑ

ΤΟ ΧΡΩΜΑ

ΤΟ ΧΡΩΜΑ ΤΟΥ ΟΥΡΑΝΟΥ

 Οι αστροναύτες που αντίκρισαν τον ήλιο από τη σελήνη είδαν ένα λαμπερό δίσκο σε ένα μαύρο φόντο.Αντίθετα αντικρίζοντας τον ήλιο από τη Γη βλέπουμε ένα λαμπερό δίσκο σ’ ένα καταγάλανο φόντο.Κατά τη διάρκεια της ανατολής ή της δύσης του ήλιου ο ουρανός παίρνει διάφορους χρωματισμούς που από την αρχαιότητα ως σήμερα αποτελούν πηγή έμπνευσης για τους καλλιτέχνες αλλά και πολλές φορές αντικείμενο θαυμασμού από τους απλούς ανθρώπους.
 Πού οφείλεται το γαλάζιο χρώμα του ουρανού;
 Σωματίδια όπως τα άτομα,τα μόρια ή κόκκοι σκόνης απορροφούν κάποιες από τις φωτεινές ακτίνες που προσπίπτουν πάνω τους και τις επανεκπέμπουν προς όλες τις κατευθύνσεις.

Τα μόρια του οξυγόνου και του αζώτου καθώς και οι κόκκοι σκόνης απορροφούν τις φωτεινές ακτίνες και τις επανεκπέμπουν προς όλες τις κατευθύνσεις

 Λέμε τότε ότι το φως σκεδάζεται.Η ορατή ακτινοβολία του Ήλιου φθάνει στη Γη αφού διασχίσει την ατμόσφαιρα που την περιβάλλει,σκεδάζεται στα μόρια του οξυγόνου και του αζώτου και «διασκορπίζεται» προς όλες τις κατευθύνσεις.Από τις ακτίνες του ορατού φωτός περισσότερο σκεδάζονται εκείνες που αντιστοιχούν στο ιώδες χρώμα και ακολουθούν διαδοχικά ακτίνες που αντιστοιχούν στα υπόλοιπα χρώματα του φάσματος.Η ιώδης ακτινοβολία διασκορπίζεται 10 φορές περισσότερο από την κόκκινη.Το φως γαλάζιου χρώματος σκεδάζεται λιγότερο από εκείνο του ιώδους όμως τα μάτια μας είναι περισσότερο ευαίσθητα στο γαλάζιο παρά στο ιώδες και γι’ αυτό ο ουρανός μας φαίνεται γαλάζιος. Ο ουρανός όμως δεν φαίνεται πάντοτε γαλάζιος.Όταν στην ατμόσφαιρα υπάρχουν σωματίδια μεγαλύτερα από τα μόρια του οξυγόνου και του αζώτου,τότε σκεδάζονται έντονα φωτεινές ακτίνες και άλλων χρωμάτων εκτός του ιώδους και του μπλε.Αυτό κάνει τον ουρανό να φαίνεται λιγότερο γαλάζιος και να παίρνει ένα χρώμα προς το άσπρο.

Η ιώδης,η μπλε και η γαλάζια ακτινοβολία σκεδάζονται περισσότερο από τις υπόλοιπες.Έτσι το χρώμα του ουρανού που προκύπτει από το διάχυτο ηλιακό φως φαίνεται γαλάζιο

 Γιατί κατά την ανατολή και τη δύση του ήλιου ο ουρανός «βάφεται» κόκκινος;

 Είδαμε ότι οι φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα σκεδάζονται λιγότερο από αυτές του ιώδους.Επομένως όταν μια δέσμη λευκού φωτός διανύει μικρή απόσταση στην ατμόσφαιρα και φτάνει στον παρατηρητή θα περιέχει κυρίως ακτίνες ιώδους και μπλε χρώματος.Αντίθετα μια δέσμη λευκού φωτός που διανύει μεγάλη απόσταση στην ατμόσφαιρα όταν φθάσει στον παρατηρητή θα περιέχει κυρίως ακτίνες που αντιστοιχούν στο πορτοκαλί και το κόκκινο χρώμα.

Κατά την ανατολή και τη δύση του ήλιου ο ουρανός «βάφεται» πορφυρός

 Το φως που φθάνει στον παρατηρητή όταν ο ήλιος βρίσκεται κοντά στον ορίζοντα διανύει πολύ μεγαλύτερη απόσταση στην ατμόσφαιρα απ’ ότι διανύει κατά τη διάρκεια της ημέρας.Έτσι κατά το ηλιοβασίλεμα ο ουρανός εμφανίζεται διαδοχικά κίτρινος,πορτοκαλί και τελικά κόκκινος.Η αντίθετη σειρά χρωμάτων εμφανίζεται κατά την ανατολή.

ΤΟ ΧΡΩΜΑ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΩΝ

 Ο κόσμος που μας περιβάλλει εμφανίζει ποικιλία χρωμάτων.Τα τριαντάφυλλα είναι κόκκινα,ο ουρανός γαλάζιος,τα φύλλα των φυτών πράσινα.Τα χρώματα βρίσκονται πάντα στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος τόσο των καλλιτεχνών όσο και των φυσικών.

Ο κόσμος που μας περιβάλλει εμφανίζει ποικιλία χρωμάτων

 Για το φυσικό όμως τα χρώματα των σωμάτων δεν προέρχονται από το υλικό από το οποίο αποτελούνται.Η αίσθηση του χρώματος προκαλείται στο σύστημα ματιού-εγκεφάλου του παρατηρητή από το φως που ανακλάται ή εκπέμπεται από τα σώματα.

ΧΡΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΑΝΑΚΛΑΣΗ

 Έχετε παρατηρήσει πώς μεταβάλλεται το χρώμα των αντικειμένων όταν μεταβάλλεται το χρώμα της φωτεινής δέσμης που πέφτει πάνω τους;

 Στο λευκό φως το άνθος ενός τριαντάφυλλου φαίνεται κόκκινο,ενώ τα φύλλα πράσινα.Αν το τριαντάφυλλο φωτιστεί με φωτεινή δέσμη πράσινου χρώματος,τότε το άνθος φαίνεται μαύρο,ενώ τα φύλλα διατηρούν το πράσινο χρώμα τους.

Το χρώμα ενός ετερόφωτου σώματος εξαρτάται από το χρώμα του φωτός που πέφτει πάνω του.Τα τριαντάφυλλα φωτίζονται:
α) με λευκό φως και
β) με πράσινο

 Γιατί το χρώμα των ετερόφωτων σωμάτων εξαρτάται από το χρώμα με το οποίο φωτίζονται;

 Τα αδιαφανή σώματα απορροφούν ένα μέρος των φωτεινών ακτίνων που πέφτουν πάνω τους,ενώ ανακλούν το υπόλοιπο.Αν ένα σώμα ανακλά τις φωτεινές ακτίνες κόκκινου χρώματος και απορροφά αυτές που αντιστοιχούν στα υπόλοιπα ορατά χρώματα,τότε θα φαίνεται κόκκινο όταν φωτίζεται με λευκό ή με κόκκινο φως.Με οποιοδήποτε άλλο χρώμα θα φαίνεται μαύρο.Τα μέρη των φυτών που περιέχουν χλωροφύλλη απορροφούν φωτεινές ακτίνες όλων τωνχρωμάτων και ανακλούν μόνο αυτές που αντιστοιχούν στο πράσινο χρώμα και γι’ αυτό φαίνονται πράσινα.

ΤΟ ΛΕΥΚΟ ΚΑΙ ΤΟ ΜΑΥΡΟ

 Η σελίδα του τετραδίου μας ανακλά τις φωτεινές δέσμες που αντιστοιχούν σε όλα τα χρώματα.Έτσι όταν φωτιστεί με λευκό φως φαίνεται λευκή,ενώ αν φωτιστεί με το κίτρινο φως ενός κεριού φαίνεται κίτρινη.Γενικά αν ένα σώμα ανακλά τις φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν σε όλα τα χρώματα θα εμφανίζεται με το χρώμα της φωτεινής δέσμης με την οποία φωτίζεται,ενώ αν απορροφά τις φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν σε όλα τα χρώματα και δεν ανακλά καμία τότε θα εμφανίζεται μαύρο.

 Αντικείμενα όπως το κάρβουνο ή τα γράμματα του βιβλίου σου φαίνονται μαύρα γιατί απορροφούν εξίσου σχεδόν όλες τις φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν στο ορατό φως.

ΧΡΩΜΑΤΑ ΑΠΟ ΔΙΕΛΕΥΣΗ

 Τα διαφανή έγχρωμα σώματα,όπως ένα κομμάτι χρωματιστό τζάμι,αφήνουν να περάσουν φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν σε ορισμένα χρώματα και απορροφούν τις υπόλοιπες.

Χρώμα διαφανούς σώματος
Το κόκκινο τζάμι επιτρέπει τη διέλευση των φωτεινών ακτίνων που αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα και απορροφά τις υπόλοιπες

 Ένα κομμάτι τζάμι το οποίο στο λευκό φως φαίνεται κόκκινο επιτρέπει στις φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα να διέλθουν,ενώ απορροφά τις υπόλοιπες.Τα συνήθη τζάμια των παραθύρων είναι άχρωμα επειδή επιτρέπουν το πέρασμα φωτεινών ακτίνων που αντιστοιχούν σε όλα τα χρώματα.

Χρώμα αδιαφανούς σώματος
Το κόκκινο άνθος ανακλά τις φωτεινές ακτίνες που αντιστοιχούν στο κόκκινο χρώμα και απορροφά τις υπόλοιπες

 Γενικά το χρώμα ενός αδιαφανούς σώματος καθορίζεται από το χρώμα που αντιστοιχεί στις φωτεινές ακτίνες που αυτό ανακλά,ενώ ενός διαφανούς καθορίζεται από το χρώμα που αντιστοιχεί στις φωτεινές ακτίνες των οποίων επιτρέπει τη διέλευση.

ΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΦΩΣ

 Το ηλιακό φως είναι λευκό γιατί περιέχει φωτόνια όλων των ενεργειών του ορατού φάσματος.Περιέχει όμως περισσότερα φωτόνια που αντιστοιχούν στην ενδιάμεση περιοχή μεταξύ του κίτρινου και του πράσινου χρώματος και λιγότερα στις ακραίες περιοχές του κόκκινου και του ιώδους.

Το ηλιακό φως είναι λευκό γιατί περιέχει φωτόνια όλων των ενεργειών του ορατού φάσματος

 Επειδή το ανθρώπινο είδος εξελίχθηκε στο περιβάλλον του ηλιακού φωτός,τα μάτια μας είναι πιο ευαίσθητα στο φως αυτών των χρωμάτων.Γι’ αυτό κάποιες λουρίδες σε αυτοκινητόδρoμους βάφονται κίτρινες ώστε να διακρίνονται καλύτερα.Για τον ίδιο λόγο βλέπουμε καλύτερα με το κίτρινο φως που εκπέμπουν λαμπτήρες ατμών νατρίου.

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΑΛΛΑΓΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΟΥ ΤΡΟΠΟΥ ΚΙΝΗΣΗΣ ΤΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΛΙΘΩΝ

 Πώς συμπεριφέρονται οι δομικοί λίθοι ενός στερεού σώματος όταν μεταφέρεται σε αυτό θερμότητα;

 Αρχικά η μεταφερόμενη θερμότητα προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας,δηλαδή της κινητικής ενέργειας των δομικών λίθων του σώματος.Επομένως,οι ταλαντώσεις των δομικών λίθων γίνονται όλο και πιο έντονες.Σε ορισμένη θερμοκρασία,ωστόσο,οι ταλαντώσεις είναι τόσο έντονες,ώστε οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων δεν μπορούν να τα συγκρατήσουν πλέον στις θέσεις τους.Οι δομικοί λίθοι αρχίζουν να «γλιστρούν» ο ένας επάνω στον άλλο και οι μεταξύ τους δυνάμεις μειώνονται:το στερεό γίνεται υγρό.Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει κατά την πήξη.

Στη θερμοκρασία τήξης του πάγου οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του νερού εξασθενούν.Ο τρόπος που κινούνται τα μόρια αλλάζει

 Όταν θερμότητα μεταφέρεται σε ένα υγρό,αρχικά αυξάνεται η κινητική ενέργεια των δομικών του λίθων,οπότε οι κινήσεις τους γίνονται όλο και πιο έντονες,η θερμοκρασία του υγρού αυξάνεται.Σε ορισμένη θερμοκρασία οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων δεν μπορούν να τους συγκρατήσουν κοντά τον ένα στον άλλο,οπότε αρχίζουν να κινούνται ελεύθερα:το υγρό γίνεται αέριο.Τότε,η αλληλεπίδραση μεταξύ των δομικών λίθων έχει σχεδόν μηδενιστεί.Η αντίστροφη διαδικασία συμβαίνει κατά την υγροποίηση.

Στη θερμοκρασία βρασμού οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων του σώματος μηδενίζονται με αποτέλεσμα να κινούνται ελεύθερα

 Κατά τη διάρκεια της τήξης ή του βρασμού, οι δομικοί λίθοι του σώματος διατηρούνται αναλλοίωτοι.Δε λιώνουν και δεν εξαερώνονται.Απλώς μεταβάλλεται ο τρόπος που κινούνται και αλληλεπιδρούν.

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 Γιατί κατά τη διάρκεια των αλλαγών κατάστασης η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή αν και στο σώμα μεταφέρεται θερμότητα;

 Κατά τη διάρκεια των αλλαγών κατάστασης,η κινητική ενέργεια των δομικών λίθων του σώματος διατηρείται σταθερή.Αλλάζει όμως η δυναμική τους ενέργεια.Στις αλλαγές φάσης, επομένως,η εσωτερική ενέργεια του σώματος μεταβάλλεται, επειδή μεταβάλλεται η συνολική δυναμική ενέργεια των δομικών λίθων αν και η θερμική ενέργεια του σώματος μένει σταθερή.Το νερό θερμοκρασίας 0°C έχει μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από ίση ποσότητα πάγου ίδιας θερμοκρασίας.Η διαφορά στην εσωτερική ενέργειά τους ισούται με τη θερμότητα τήξης.Επίσης,υδρατμοί στους 100 °C έχουν μεγαλύτερη εσωτερική ενέργεια από ίση ποσότητα νερού ίδιας θερμοκρασίας.

Η αλλαγή κατάστασης συνοδεύεται και από μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας

 Κάθε μόριο πρέπει να απορροφήσει ορισμένη ενέργεια για να αλλάξει ο τρόπος σύνδεσής του με τα υπόλοιπα.
 Άρα,η θερμότητα τήξης ή βρασμού είναι ανάλογη με τη μάζα του σώματος: διπλάσια μάζα πάγου χρειάζεται διπλάσια θερμότητα για να λιώσει.

 Εξάλλου,επειδή οι δυνάμεις μεταξύ των δομικών λίθων δεν είναι εξίσου ισχυρές στα διάφορα υλικά, η θερμότητα τήξης και βρασμού (για την ίδια μάζα) διαφέρει από υλικό σε υλικό.Η λανθάνουσα θερμότητα τήξης,για παράδειγμα,του χαλκού είναι διπλάσια από του χρυσού.Για το ίδιο υλικό η λανθάνουσα θερμότητα βρασμού είναι πάντοτε μεγαλύτερη από τη θερμότητας τήξης.

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΟΓΚΟΥ

 Μεταβάλλεται η μάζα και όγκος κατά την τήξη;

 Μέσα σ' έναν ογκομετρικό σωλήνα που περιέχει πετρέλαιο ρίχνουμε παγάκια και τον τοποθετούμε στον ένα δίσκο ζυγαριάς.Βάζοντας κατάλληλα σταθμά στον άλλο δίσκο,η ζυγαριά ισορροπεί. Καθώς ο πάγος λιώνει,παρατηρούμε ότι η ισορροπία διατηρείται, αλλά η στάθμη του πετρελαίου κατεβαίνει.Συμπεραίνουμε ότι το νερό που προέκυψε από την τήξη του πάγου έχει ίδια μάζα,αλλά μικρότερο όγκο.Όταν ο πάγος τήκεται,ο όγκος του ελαττώνεται.Αντίθετα,όταν το νερό γίνεται πάγος στους 0 °C,ο όγκος του αυξάνεται. 

Κατά την τήξη του πάγου η μάζα διατηρείται σταθερή,ενώ ο όγκος μειώνεται

 Επομένως:

 Κατά την τήξη ενός στερεού ή την πήξη ενός υγρού,η μάζα του διατηρείται σταθερή,ενώ ο όγκος του μεταβάλλεται.

 Η παραπάνω διαπίστωση μας βοηθάει να ερμηνεύσουμε για ποιο λόγο ένα γυάλινο μπουκάλι γεμάτο με νερό, όταν παγώσει στην κατάψυξη του ψυγείου μας,σπάει.Ο πάγος έχει μεγαλύτερο όγκο από ίση μάζα νερού ίδιας θερμοκρασίας,οπότε έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό και συνεπώς θα επιπλέει στο νερό.Τα παγόβουνα λοιπόν επιπλέουν στη θάλασσα και τα παγάκια στην πορτοκαλάδα μας.

Το μέταλλο γάλλιο λιώνει στη γαντοφορεμένη χούφτα,όπως φαίνεται και στην εικόνα.Αυτό συμβαίνει,γιατί η θερμοκρασία τήξης του είναι μόλις 29,8 °C.Είναι από τα λίγα μέταλλα που,όπως και το νερό,όταν στερεοποιείται, διαστέλλεται.Χρησιμοποιείται σε ειδικά θερμόμετρα ως θερμομετρικό υγρό για τη μέτρηση υψηλών θερμοκρασιών,επειδή βράζει στους 2.400 °C περίπου

 Πώς μπορούμε να ερμηνεύσουμε μικροσκοπικά την αύξηση του όγκου του νερού κατά την πήξη;

 Στο νερό τα μόρια "γλιστρούν" το ένα πάνω στο άλλο ενώ βρίσκονται σχεδόν σε επαφή μεταξύ τους.Όταν το νερό γίνεται πάγος,τα μόρια σχηματίζουν εξάγωνα,οπότε ο χώρος που καταλαμβάνουν αυξάνεται.Όλα τα υλικά δε συμπεριφέρονται όπως το νερό σε σχέση με τη μεταβολή του όγκου κατά την πήξη ή την τήξη.Στα περισσότερα ο όγκος αυξάνεται κατά την τήξη και ελαττώνεται κατά την πήξη. Για παράδειγμα,όταν το λάδι ή ο υγρός μόλυβδος στερεοποιείται, ο όγκος του ελαττώνεται.

ΑΝΩΜΑΛΗ ΔΙΑΣΤΟΛΗ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟΣ

 Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την ερμηνεία για τη μείωση του όγκου του νερού κατά την τήξη του πάγου για να ερμηνεύσουμε την ανώμαλη διαστολή του νερού;

 Στο νερό των 0 °C παραμένουν ακόμη «μικροσκοπικοί κρύσταλλοι» πάγου.Από 0 °C μέχρι 4 °C,αυτοί οι «μικροσκοπικοί κρύσταλλοι» πάγου λιώνουν σιγά-σιγά. 

Από 0 °C μέχρι 4 °C ο όγκος του νερού ελαττώνεται

 Έτσι,ο όγκος του νερού που προκύπτει από το λιώσιμο αυτών είναι μικρότερος.Στους 4 °C όλοι σχεδόν οι μικροκρύσταλλοι πάγου έχουν λιώσει.Άρα,από 0 °C μέχρι 4 °C ο όγκος του νερού ελαττώνεται.Αντίθετα κατά την ψύξη από 4 °C μέχρι 0 °C,ο όγκος του υγρού νερού αυξάνεται.

ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΤΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΤΗΞΗΣ ΚΑΙ ΒΡΑΣΜΟΥ

 Όταν σε πάγο ρίξουμε αλάτι,μεταξύ των μορίων του πάγου παρεμβάλλονται κρυσταλλάκια αλατιού.Οι δυνάμεις μεταξύ των μορίων του πάγου λοιπόν εξασθενούν και ο πάγος λιώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από 0 °C.Πράγματι,το θαλασσινό νερό,που είναι μείγμα νερού και αλατιού, πήζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από 0 °C,η οποία εξαρτάται από την περιεκτικότητά του σε αλάτι.Παρόμοια,αν στο νερό του ψυγείου του αυτοκινήτου προσθέσουμε κατάλληλο υγρό, το μείγμα πήζει στους -10 °C. Με αυτόν τον τρόπο,το σύστημα ψύξης του κινητήρα προστατεύεται από την αύξηση του όγκου του νερού που θα συνέβαινε κατά την πήξη του.

Η θερμοκρασία πήξης του αλατόνερου είναι μικρότερη από 0 °C

 Όταν ο πάγος γίνεται νερό,τα μόρια πλησιάζουν μεταξύ τους.Αν συμπιέζουμε τον πάγο,βοηθάμε,επομένως,τα μόρια να πλησιάσουν μεταξύ τους και ο πάγος λιώνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία από 0 °C.

Τα παγοπέδιλα που φορούν οι παγοδρόμοι καταλήγουν σε καμπύλες μεταλλικές λάμες,των οποίων η επιφάνεια είναι αρκετά μικρότερη από την επιφάνεια των επίπεδων πελμάτων

 Τα παγοπέδιλα που φορούν οι παγοδρόμοι καταλήγουν σε καμπύλες μεταλλικές λάμες,των οποίων η επιφάνεια είναι αρκετά μικρότερη από την επιφάνεια των επίπεδων πελμάτων.Συνεπώς,στον πάγο που βρίσκεται κάτω από τα παγοπέδιλα ασκείται μεγάλη πίεση με αποτέλεσμα να λιώνει.Έτσι,μεταξύ των παγοπέδιλων και του πάγου σχηματίζεται ένα λεπτό στρώμα νερού.Η δύναμη της τριβής που ασκείται τώρα στα παγοπέδιλα είναι μικρότερη συγκριτικά με τη δύναμη τριβής που ασκεί ο στερεός και τραχύς πάγος και έτσι διευκολύνεται η κίνηση των αθλητών.

Στην κορυφή των βουνών η πίεση τον αέρα είναι μικρότερη από την πίεσή του στην επιφάνεια της θάλασσας.Όσο αυξάνεται το ύψος,το νερό βράζει σε χαμηλότερη θερμοκρασία

 Όσο η πίεση που ασκεί ο αέρας στο νερό είναι υψηλότερη,τόσο δυσκολότερα τα μόρια του νερού απομακρύνονται μεταξύ τους.Έτσι,το νερό βράζει σε υψηλότερη θερμοκρασία.Στη χύτρα ταχύτητας το νερό βράζει στους 120 °C,γιατί ο ατμός που εγκλωβίζεται ασκεί επιπλέον πίεση στην επιφάνεια του νερού.

ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

 Όλη η ανθρώπινη δραστηριότητα,μυϊκή και εγκεφαλική αλλά και η χρήση των ηλεκτρικών συσκευών,η βιομηχανία και οι μεταφορές βασίζονται στις μετατροπές διάφορων μορφών ενέργειας.
 Ποια είναι όμως η προέλευση αυτής της ενέργειας;

Πηγή ενέργειας ονομάζεται κάθε φυσικός πόρος που μας δίνει ενέργεια

 Πηγή ενέργειας ονομάζεται κάθε φυσικός πόρος που μας δίνει ενέργεια.Οι πηγές αυτές χωρίζονται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και σε μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Οι πηγές ενέργειας χωρίζονται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και σε μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

 Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας δεν εξαντλούνται ποτέ και υπάρχουν απεριόριστα μες το περιβάλλον,όπως είναι η αιολική ενέργεια και η ηλιακή ενέργεια και άλλες.

Διάφορες πηγές ενέργειας

 Ενώ οι μη ανανεώσιμες κάποια στιγμή (μπορεί αυτή να αργήσει) θα εξαντληθούν,όπως είναι το πετρέλαιο,ο γαιάνθρακας,το φυσικό αέριο και άλλες.

Ο ΗΛΙΟΣ ΕΙΝΑΙ Η ΠΡΩΤΑΡΧΙΚΗ ΠΗΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 Κύρια πηγή ενέργειας για τον πλανήτη μας είναι ο ήλιος.Στο εσωτερικό του ήλιου πραγματοποιούνται πυρηνικές αντιδράσεις με τις οποίες πυρηνική ενέργεια μετατρέπεται τελικά σε ενέργεια ακτινοβολίας.

Κύρια πηγή ενέργειας για τον πλανήτη μας είναι ο ήλιος

 Ένα μικρό μέρος της ηλιακής ενέργειας φθάνει στη γη.Ο ήλιος θεωρείται σταθερή και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας με κριτήριο τη διάρκεια της παρουσίας του ανθρώπου στη γη.

Μετατροπές διάφορων μορφών ενέργειας

 Η βιομάζα (το ξύλο,το ξυλοκάρβουνο,τα φυτικά υπολείμματα) είναι μια πηγή ενέργειας που οφείλεται στη φωτοσύνθεση των φυτών.

Η χημική ενέργεια των τροφών και των καυσίμων προέρχεται από τον ήλιο

 Με τη φωτοσύνθεση,η ηλιακή ενέργεια μετατρέπεται σε χημική η οποία αποθηκεύεται στα φυτά.

Ο κύκλος του νερού και η ηλιακή ενέργεια.1)Οι ωκεανοί απορροφούν την ενέργεια ακτινοβολίας από τον ήλιο, μέρος της οποίας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια.Η ηλιακή ενέργεια ακτινοβολίας παρέχει την απαραίτητη θερμότητα για να εξατμιστεί το νερό και να παραχθούν υδρατμοί. Οι υδρατμοί μεταφέρονται στην ατμόσφαιρα όπου σχηματίζονται τα σύννεφα.2)Το νερό βρίσκεται σε κάποιο ύφος, οπότε έχει βαρυτική δυναμική ενέργεια.3)Στη συνέχεια πέφτει στο έδαφος με μορφή βροχής ή χιονιού.4)Το νερό ρέει από τα υψηλότερα σημεία της ξηράς προς τη θάλασσα σχηματίζοντας ποταμούς,οπότε η βαρυτική δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική

 Στην ηλιακή ενέργεια οφείλονται επίσης ο κύκλος του νερού που οδηγεί να γεμίζουν οι τεχνητές λίμνες των φραγμάτων,ο άνεμος που κινεί τους αεροστρόβιλους,τα θαλάσσια κύματα κτλ..

ΣΥΜΒΑΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

 Η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στα ορυκτά καύσιμα, στον άνθρακα,το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο οφείλεται στον ήλιο.Αυτά τα καύσιμα προήλθαν από φυτά και υδρόβιους οργανισμούς τα οποία βρέθηκαν στο εσωτερικό της γης σε κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και μετασχηματίστηκαν σε διάστημα περίπου 30 εκατομμυρίων ετών.Συνεπώς,δεν ανανεώνονται κατά την περίοδο ύπαρξης του ανθρώπου στη γη και αναμένεται να εξαντληθούν σε μερικές δεκαετίες.
 Το ουράνιο και το θόριο λέγονται πυρηνικά καύσιμα, γιατί χρησιμοποιούνται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες με τελικό σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.Η ύπαρξή τους χρονολογείται από την εποχή δημιουργίας της γης πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια.Συνεπώς, τα αποθέματά τους δεν ανανεώνονται και μάλλον θα εξαντληθούν μέσα στον 21ο αιώνα.

Σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας που χρησιμοποιούμε παγκόσμια προέρχεται από ορυκτά καύσιμα (γαιάνθρακες,πετρέλαιο και φυσικό αέριο) και ουράνιο

 Σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας που χρησιμοποιούμε παγκόσμια προέρχεται από ορυκτά καύσιμα (γαιάνθρακες,πετρέλαιο και φυσικό αέριο) και ουράνιο.Οι συμβατικές όμως αυτές πηγές ενέργειας παρουσιάζουν σοβαρά προβλήματα:

  Πρώτο τα αποθέματά τους θα εξαντληθούν και δεύτερο η χρήση τους συμβάλλει στη ρύπανση και την καταστροφή του περιβάλλοντος.

Η χρήση των ορυκτών καυσίμων έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.Στη εικόνα φαίνονται τα ποσοστά εκπομπής του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα από διάφορες δραστηριότητες

 Για τους παραπάνω λόγους,η σύγχρονη κοινωνία προσπαθεί να αξιοποιήσει τις λεγόμενες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας,όπως η ηλιακή ενέργεια,που θεωρούνται ανεξάντλητες.Σ' αυτές περιλαμβάνονται διάφορες πηγές που προέρχονται από την ηλιακή ενέργεια,οι παλίρροιες,η γεωθερμική ενέργεια και η ενέργεια από το υδρογόνο.

ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

 Ένα μικρό ποσοστό της ηλιακής ενέργειας που φθάνει στη γη μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για τη θέρμανση του χώρου κτιρίων ή του νερού (ηλιακός θερμοσίφωνας) ή για τη μετατροπή της σε ηλεκτρική μέσω των φωτοβολταϊκών κυττάρων.

Μετατροπή της ηλιακής ενέργειας για την κίνηση αυτοκινήτου

 Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα κατασκευάστηκαν αρχικά για να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες των δορυφόρων.Η χρήση τους όμως διαδόθηκε ευρύτερα,όπως για παράδειγμα στη λειτουργία των υπολογιστών τσέπης.

ΑΙΟΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

 Από την αρχαιότητα οι άνθρωποι αξιοποίησαν την κινητική ενέργεια του ανέμου (αιολική ενέργεια) στις μετακινήσεις τους με ιστιοφόρα και στο άλεσμα των δημητριακών με ανεμόμυλους.

Για την αξιοποίηση της αιολικής ενέργειας χρησιμοποιούμε σήμερα τις ανεμογεννήτριες,με τις οποίες μετατρέπεται η κινητική ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική

 Οι ανεμόμυλοι μαζί με τους νερόμυλους συγκαταλέγονται στις πρώτες μηχανές που αντικατέστησαν τους μυς των ζώων και του ανθρώπου ως πηγές ενέργειας.Σήμερα ειδικοί ανεμόμυλοι ή αλλιώς ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική.

Αρχή λειτουργίας μιας ανεμογεννήτριας

 Φυσικά οι ανεμογεννήτριες εγκαθίστανται σε περιοχές όπου πνέουν ισχυροί άνεμοι,όπως για παράδειγμα τα νησιά του Αιγαίου.

ΥΔΡΑΥΛΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

 Το 10% περίπου της ηλεκτρικής ενέργεια στην Ελλάδα προέρχεται από τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια.Το νερό της τεχνητής λίμνης έχει δυναμική ενέργεια,η οποία μετασχηματίζεται σε κινητική καθώς αυτό πέφτει και τελικά μετασχηματίζεται σε ηλεκτρική στη στροβιλογεννήτρια.

 Εκτός της δυναμικής ενέργειας των υδατοταμιευτήρων,υπάρχουν και άλλες μορφές υδραυλικής ενέργειας.Το νερό των θαλασσών,εξαιτίας των κυμάτων που δημιουργούνται από τους ανέμους,των ρευμάτων και των παλιρροιών,βρίσκεται σε διαρκή κίνηση.

 Υδροηλεκτρικό φράγμα και εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

 Έχουν προταθεί διάφορες διαδικασίες αξιοποίησης αυτής της δυναμικής ή της κινητικής ενέργειας,ειδικά σε περιοχές όπου τα παραπάνω φαινόμενα είναι ιδιαίτερα έντονα.

Η βαρυτική δυναμική ενέργεια του νερού μετατρέπεται σε ηλεκτρική

 Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού που περιστρέφει μια τουρμπίνα η οποία θέτει σε λειτουργία μια γεννήτρια.Οι περισσότερες υδροηλεκτρικές μονάδες χρησιμοποιούν ένα φράγμα το οποίο συγκρατεί μια μεγάλη ποσότητα νερού δημιουργώντας έτσι μια μεγάλη δεξαμενή. 

Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού που περιστρέφει μια τουρμπίνα η οποία θέτει σε λειτουργία μια γεννήτρια

 Κάποιες θύρες στο φράγμα ανοίγουν και λόγω της βαρύτητας το νερό περνάει σε έναν αγωγό ο οποίος το οδηγεί σε μια τουρμπίνα.Καθώς αυτό περνάει από τον αγωγό δημιουργεί μεγάλη πίεση.Το νερό πέφτει πάνω στις φτερωτές μιας τουρμπίνας και την περιστρέφει.Η περιστροφική αυτή κίνηση μεταφέρεται στην γεννήτρια η οποία είναι συνδεδεμένη με την τουρμπίνα με ένα άξονα.Καθώς οι φτερωτές της τουρμπίνας περιστρέφονται,περιστρέφουν τους μαγνήτες της γεννήτριας γύρω από ένα πηνίο θέτοντας σε κίνηση ηλεκτρόνια και δημιουργώντας έτσι εναλλασσόμενο ηλεκτρικό ρεύμα.

ΓΕΩΘΕΡΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

 Η γεωθερμική ενέργεια σχετίζεται με τη θερμική ενέργεια των υπόγειων πετρωμάτων ή των υπόγειων νερών.Προκειμένου να τη μετασχηματίσουμε σε άλλες μορφές,αξιοποιούμε τη διαφορά θερμοκρασίας ανάμεσα στα υπόγεια πετρώματα ή νερά και στην επιφάνεια της γης.Τα υπόγεια υλικά που έχουν υψηλότερες θερμοκρασίες είναι πηγές θερμικής ενέργειας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε άμεσα είτε να μετασχηματιστεί σε ηλεκτρική ενέργεια.

Χρήση γεωθερμικής ενέργειας

 Γεωθερμική ενέργεια υπάρχει προφανώς παντού,αλλά η χρησιμότητά της είναι οικονομικά συμφέρουσα μόνο όταν υπάρχουν φυσικές δεξαμενές θερμού νερού ή ατμού πολύ κοντά στην επιφάνεια,όπως στις Θερμοπύλες ή στη Μήλο.Στην Ισλανδία η γεωθερμική ενέργεια (θερμό νερό) χρησιμοποιείται τόσο για θέρμανση κτιρίων όσο και για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.