Jedním ze základních zákonů vesmíru je, že energie není ani vytvořena, ani zničena - pouze mění formy. V důsledku toho existuje mnoho receptů na energii. Abychom pochopili, jak jsou tyto vzorce výrazy stejné věci, je důležité nejprve pochopit, co mají fyzici na mysli, když mluví o energii. Je to pojem zakořeněný v pojmech klasické fyziky, jak je objasnil sir Isaac Newton.
Vzorec pro energii pohybu je:
KE = 0,5 \ krát m \ krát v ^ 2
kde KE je kinetická energie v joulech, m je hmotnost v kilogramech a v je rychlost v metrech za sekundu.
Síla a práce
Newtonovy tři pohybové zákony tvoří základ klasické fyziky. První zákon definuje sílu jako sílu, která způsobuje pohyb, a druhý zákon spojuje sílu působící na předmět se zrychlením, kterému prochází. Pokud síla (F) zrychlí těleso na vzdálenost (d), udělá množství práce (W) rovné síle vynásobeno vzdálenostmi krát faktorem, který odpovídá úhlu mezi nimi (θ, řecké písmeno theta). Jako matematický výraz to znamená:
W = Fd \ cos {\ theta}
Metrické jednotky pro sílu jsou newtony, jednotky pro vzdálenost jsou metry a jednotky pro práci jsou newtonmetry nebo jouly. Energie je kapacita pro práci a vyjadřuje se také v joulech.
Kinetická a potenciální energie
Objekt v pohybu má svoji energii pohybu, která je ekvivalentní práci, která by byla nutná k jeho odpočinku. Tomu se říká jeho kinetická energie a je závislá na druhé mocnině rychlosti objektu (v) a jedné polovině jeho hmotnosti (m). Objekt v klidu v zemském gravitačním poli vlastní potenciální energii díky své výšce; pokud by měl volně padat, získal by kinetickou energii rovnou této potenciální energii. Potenciální energie závisí na hmotnosti objektu, jeho výšce (h) a gravitačním zrychlení (g). Matematicky to je:
PE = mgh
Elektrická energie
Výpočet energie v elektrických systémech závisí na množství proudu protékajícího a vodič (I) v ampérech, stejně jako na elektrickém potenciálu nebo napětí (V), pohánějící proud, v voltů. Vynásobením těchto dvou parametrů získáte výkon elektřiny (P) ve wattech a vynásobením P časem během něhož tok elektřiny (t) v sekundách udává množství elektrické energie v systému v joulů. Matematický výraz pro elektrickou energii ve vodivém obvodu je:
E_e = Pt = VIt
Podle tohoto vztahu ponechání žárovky o výkonu 100 W po dobu jedné minuty vynakládá 6 000 joulů energie. To odpovídá množství kinetické energie, kterou by měla 1 kilogramová skála, kdybyste ji shodili z výšky 612 metrů (bez ohledu na tření vzduchu).
Některé další formy energie
Světlo, které vidíme, je elektromagnetický jev, který má energii na základě vibrací paketů vln nazývaných fotony. Německý fyzik Max Planck zjistil, že energie fotonu je úměrná frekvenci (f), s níž vibruje a vypočítal konstantu proporcionality (h), která se nazývá Planckova konstanta v jeho čest. Výraz pro energii fotonu je tedy:
E_p = hf
Podle teorie relativity Alberta Einsteina má každá částice hmoty vlastní potenciální energii úměrnou hmotnosti částice a druhé mocnině rychlosti světla (c). Relevantní výraz je:
E_m = mc ^ 2
Einsteinovy výpočty byly potvrzeny vývojem atomové bomby.