Какво е енергията във физиката? (с / формула и примери)

Вероятно използвате думата енергия в ежедневието си през цялото време, но какво всъщност означава тя? Какво физическо количество постигате, когато казвате неща от рода на: „Просто днес нямам енергия“ или „Тези деца трябва да изгорят малко енергия“?

Разговорното използване на думата може да ви даде първоначално усещане за това какво е енергия, но в тази статия ще го направите научете как физиците определят енергията, научете кои са различните видове енергия и вижте някои примери покрай начин.

Енергията е способността да се работи или да се предизвиква промяна. Тя е различна от сила. Силата е нещото, което причинява промяната, докато енергията може да се разглежда като тласък зад силата. Необходима е енергия, за да се приложи сила и прилагането на сила върху даден обект често прехвърля енергия към него.

Единицата за енергия на SI е джаулът, където 1 джаул = 1 нютон × 1 метър или 1 kg⋅m²/с². Други единици включват калории, килокалории и киловатчас.

Двете най-основни форми на енергия са

Обикновено учените правят разлика между макроскопични и микроскопични версии на тези енергийни типове. Например, потенциална енергия който се съхранява поради гравитацията или поради компресирана пружина се наричамеханичнипотенциална енергия. Но обектите могат да имат и различен тип потенциална енергия, съхранявана в връзките между молекулите и между нуклоните в атомното ядро.

Механичната кинетична енергия е енергията, дължаща се на движението на макроскопичен обект. Но вътре във всеки обект самите молекули имат свои собствени кинетични енергии от различен тип.

Сумата от механичния потенциал на обекта и кинетичната енергия се нарича неговаобща механична енергия. Това не е същото като общата енергия на обекта, която би била сбор от всички форми на неговата енергия, включително топлинна, химическа и т.н.

Видът на потенциалната енергия, съхранявана в молекулярни връзки, е форма на енергия, нареченахимическиенергия. Енергията, съхранявана в атомни връзки или ядрени връзки, се наричаатомененергия илиядренаенергия.

Нарича се кинетична енергия, която съществува на молекулярно ниво поради вибрациите и движенията на молекулитетермичнаенергия илитоплинаенергия. Когато измервате температурата, вие измервате средното количество от този вид енергия.

Най-често срещаните видове механична потенциална енергия, за които може да научите, включват:

• ​Гравитационна потенциална енергия:Енергията, съхранявана в обект въз основа на местоположението му в гравитационно поле. Например, топка, държана високо над земята, има гравитационна потенциална енергия. Когато бъде освободен, той ще спадне в резултат.
• ​Електрическа потенциална енергия:Това е енергията, съхранявана в зареден обект поради позицията му в електрическо поле. Например електроните във веригата ще бъдат надарени с определено количество електрическа потенциална енергия поради батерията. Когато веригата е свързана, това води до протичане на електроните.
• ​Магнитна потенциална енергия:Това е енергия, съхранявана в обект с магнитен момент поради местоположението му в магнитно поле. Помислете, когато държите два магнита с бутони един до друг и усещате как теглят; това се дължи на магнитната потенциална енергия.
• ​Еластична потенциална енергия:Това е енергия, съхранявана в еластичен материал. Например опъната гумена лента е съхранила енергия, както и компресираната пружина. Когато бъдат освободени, те ще се движат.

Механичната кинетична енергия се различава от потенциалната енергия по това, че е свързана с движение и тя се предлага само в една разновидност. Просто уравнение дава кинетичната енергия на всеки обект на масамдвижещи се със скоростv. Това е:

Колкото по-бързо се движи обектът или колкото е по-тежък, толкова повече кинетична енергия има.

Когато обект, който има потенциална енергия, се освободи и му се позволи да се движи свободно, той ще започне да се ускорява. В резултат кинетичната му енергия се увеличава. В същото време потенциалната енергия намалява. Като цяло, общата механична енергия на обекта остава постоянна (ако не се има предвид триене или подобни сили), просто енергията се променя.

В последния раздел беше въведено уравнението за механична кинетична енергия. Съществуват и формули за различни видове потенциални енергии, както и уравнения, които описват връзката между енергията и другите физически величини.

Гравитационната потенциална енергия на масатамна височиназнад Земята е:

Къдетож= 9,8 m / s² е ускорението поради гравитацията.

Електрическата потенциална енергия на зарядqпри напрежениеVе просто:

The потенциална енергия, съхранявана в пружина се дава от:

Къдетоке пружинна константа (константа, която зависи от твърдостта на пружината) иΔxе количеството, с което пружината се компресира или разтяга.

Промяната на топлинната енергия (известна още като пренесена топлинна енергия) се дава от следното уравнение:

КъдетоВъпрос:е енергията,ме масата,° Се специфичният топлинен капацитет иΔTе температурната промяна в единици Келвин.

Работата на физическото количество (дефинирана като произведение на сила и изместване) има същите единици като енергията (J или Nm). Двете величини, работата и кинетичната енергия, са свързани чрез теоремата за работната кинетична енергия, която гласи, че нетната работа върху обект е равна на промяната в кинетичната енергия на обекта.

Фундаментален факт в природата е, че енергията не може нито да бъде създадена, нито унищожена. Това е обобщено в закон за запазване на енергията. Този закон гласи, че общата енергия на изолирана система остава постоянна.

Въпреки че общата енергия остава постоянна, тя може и често променя формата си. Потенциалът може да се промени в кинетичен, кинетичният - в топлинна енергия и т.н. Но общата сума винаги остава същата.

Важно е да се отбележи, че този закон определя изолирана система. Изолирана система е тази, при която по никакъв начин не може да взаимодейства със заобикалящата я среда. Единствената евентуално напълно изолирана система във Вселената е самата Вселена. Възможно е обаче да се направят много системи на Земята, които са близо до изолиране (точно както е възможно да се направи триенето пренебрежимо, дори ако никога не е 0.)

Преобразуването на енергия може да се случи по много начини, обикновено от съхранената енергия, която се отделя като някаква кинетична енергия или като лъчиста енергия.

Химичната енергия например може да се освободи по време на химични реакции. По време на такава реакция тя се превръща от химическа потенциална енергия в друга форма, която може да включва лъчиста енергия или топлинна енергия.

Ядрената енергия се отделя по време на ядрена реакция. Това е мястото, където Айнщайн е известенE = mc²влезе в сила уравнението (енергията се равнява на маса, умножена по скоростта на светлината на квадрат). Масата на ядрото, което се разделя, за да освободи енергия, в крайна сметка ще бъде малко по-лека с количество, определено от формулата на Айнщайн. Колкото и лудо да звучи, самата маса може да се счита за форма на потенциална енергия.

Тук на Земята най-вероятно често използвате електрическа енергия. Всеки път, когато включите светлина в къщата си или прочетете нещо от електронен екран, както сте в момента, вие използвате електрическа енергия. Но откъде идва тази енергия?

Очевидният отговор е батериите или контакта, но какъв е действителният първичен източник?

Що се отнася до батериите, енергията често се съхранява химически в акумулаторна клетка, но много електронни устройства изискват батериите им да се презареждат, като се свързват към стенния контакт.

Енергията, която идва в къщата ви по електропроводи, произхожда от електроцентрала някъде. Електроцентралите имат много различни начини за събиране на енергия и превръщането й в електрическа енергия.

Някои често срещани източници на енергия, събрана от електроцентралите и превърната в електричество, включват:

• ​Слънчева енергия:Това е лъчиста енергия, която идва от слънцето и може да бъде уловена от слънчевите клетки.
• ​Геотермална енергия:Това е топлинна енергия, намираща се дълбоко в земята, която след това може да бъде прехвърлена на повърхността на Земята за използване.
• ​Изкопаеми горива:Те включват въглища и нефт, които често се изгарят, за да освободят енергия, съхранявана в химически връзки.
• ​Ядрена енергия:Ядрените централи генерират енергия чрез разпадане на атомни ядра и използване на енергията, която се съхранява в ядрените връзки.
• ​Хидроелектрична енергия:Това е енергия, която идва от гравитационната потенциална енергия, както и от кинетичната енергия в течащата вода.
• ​Вятърна енергия:За събиране на вятърна енергия се използват гигантски турбини. Вятърът обръща турбините, прехвърляйки енергията си към тях.

Спомнете си в началото на тази статия, където бяха споменати фразите: „Просто днес нямам енергия“ и „Тези деца трябва да изгорят малко енергия“? Хората използват енергията през цялото време, а не само от електронните си устройства. Както големите движения на тялото, така и малките процеси в тялото ви изискват енергия.

Необходима е енергия, за да бягате, да се разхождате, да плувате или дори само да си миете зъбите. Помните ли кинетичната енергия? Когато се движите, правите това чрез кинетична енергия. Тази енергия трябва да идва от някъде.

Много невидими процеси, протичащи в тялото ви, също изискват енергия, като дишане, циркулация на кръвта, храносмилане и така нататък.

Откъде хората черпят енергията си? Храна, разбира се! Храната, която ядете, съхранява в себе си химическа енергия. Когато тази храна си проникне в стомаха, стомашната киселина разгражда храната и то сигурно молекулите от храната си проправят път до всички различни места в тялото ви, които може да се нуждаят енергия. След това, когато възникне нужда, енергията се получава чрез малка химическа реакция.

Сега, ако не ядете през целия ден и правите много тичане наоколо, изразходвате много енергия и ще се чувствате „изтощени“, докато ядете и осигурите на тялото си повече от това, от което се нуждае.