Co je energie ve fyzice? (s vzorcem a příklady)

Slovo energie ve svém každodenním životě pravděpodobně používáte stále, ale co to ve skutečnosti znamená? Na jaké fyzické množství se dostáváte, když říkáte věci jako: „Prostě dnes nemám energii,“ nebo „Ty děti potřebují nějakou energii spálit“?

Hovorové použití tohoto slova vám může poskytnout počáteční představu o tom, co je to energie, ale v tomto článku ano Naučte se, jak fyzici definují energii, zjistěte, jaké jsou různé druhy energie, a podívejte se na některé příklady způsob.

Energie je schopnost pracovat nebo způsobit změnu. Liší se od síly. Síla je věc, která způsobuje změnu, zatímco energii lze považovat za impuls za touto silou. Aby bylo možné použít sílu, potřebuje energii a použití síly na objekt často přenáší energii na něj.

Jednotkou energie SI je joule, kde 1 joule = 1 newton × 1 metr nebo 1 kg⋅m²/ s². Mezi další jednotky patří kalorie, kilokalorie a kilowatthodiny.

Dvě nejzákladnější formy energie jsoupotenciální energieaKinetická energie. Potenciální energie je uložená energie, zatímco kinetická energie je energie pohybu.

Vědci obvykle rozlišují mezi makroskopickými a mikroskopickými verzemi těchto typů energie. Například, potenciální energie je uložen v důsledku gravitace nebo v důsledku stlačené pružinymechanicképotenciální energie. Objekty však mohou mít také jiný typ potenciální energie uložený ve vazbách mezi molekulami a mezi nukleony v atomovém jádře.

Mechanická kinetická energie je energie způsobená pohybem makroskopického objektu. Ale uvnitř jakéhokoli objektu mají samotné molekuly své vlastní kinetické energie jiného typu.

Součet mechanického potenciálu a kinetické energie objektu se nazývá jehocelková mechanická energie. To není totéž jako celková energie objektu, která by byla součtem všech forem jeho energie, včetně tepelné, chemické atd.

Typ potenciální energie uložené v molekulárních vazbách je forma energie zvanáchemikálieenergie. Energie uložená v atomových nebo jaderných vazbách se nazýváatomovýenergie nebojadernýenergie.

Kinetická energie, která existuje na molekulární úrovni v důsledku vibrací a pohybů molekul, se nazývátepelnýenergie neboteploenergie. Když měříte teplotu, měříte průměrné množství tohoto typu energie.

Mezi nejběžnější typy mechanické potenciální energie, o kterých se můžete dozvědět, patří:

• ​Gravitační potenciální energie:Energie uložená v objektu na základě jeho umístění v gravitačním poli. Například koule držená vysoko nad zemí má gravitační potenciální energii. Po uvolnění bude výsledkem pokles.
• ​Elektrická potenciální energie:Jedná se o energii uloženou v nabitém objektu v důsledku jeho polohy v elektrickém poli. Například elektrony v obvodu budou díky baterii vybaveny určitým množstvím elektrické potenciální energie. Když je obvod připojen, způsobí to tok elektronů.
• ​Magnetická potenciální energie:Jedná se o energii uloženou v objektu s magnetickým momentem v důsledku jeho umístění v magnetickém poli. Zvažte, kdy držíte dva magnetické knoflíky blízko sebe a cítíte, jak tahají; je to z důvodu magnetické potenciální energie.
• ​Elastická potenciální energie:Jedná se o energii uloženou v elastickém materiálu. Například natažená gumička má uloženou energii, stejně jako stlačená pružina. Když jsou oba propuštěni, pohnou se.

Mechanická kinetická energie se liší od potenciální energie v tom, že je spojena s pohybem, a přichází pouze v jedné variantě. Jednoduchá rovnice udává kinetickou energii jakéhokoli objektu hmotnostimpohybující se rychlostíproti. To je:

Čím rychleji se objekt pohybuje nebo čím je těžší, tím více kinetické energie má.

Když se objekt, který má potenciální energii, uvolní a nechá se volně pohybovat, začne se zrychlovat. Výsledkem je zvýšení jeho kinetické energie. Zároveň klesá potenciální energie. V síti zůstává celková mechanická energie objektu konstantní (za předpokladu, že nepůsobí žádné tření nebo podobné síly), jde jen o to, že se energie mění.

V poslední části byla představena rovnice pro mechanickou kinetickou energii. Existují také vzorce pro různé typy potenciálních energií a rovnice, které popisují vztah mezi energií a jinými fyzikálními veličinami.

Gravitační potenciální energie hmotymve výšcehnad Zemí je:

KdeG= 9,8 m / s² je gravitační zrychlení.

Elektrická potenciální energie nábojeqpři napětíPROTIje jednoduše:

The potenciální energie uložená na jaře darováno:

Kdekje jarní konstanta (konstanta, která závisí na tuhosti pružiny) aΔxje množství, o které je pružina stlačena nebo natažena.

Změna tepelné energie (aka přenesená tepelná energie) je dána následující rovnicí:

KdeQje energie,mje hmota,Cje měrná tepelná kapacita aΔTje změna teploty v jednotkách Kelvina.

Práce s fyzickou veličinou (definovaná jako součin síly a posunutí) má stejné jednotky jako energie (J nebo Nm). Obě veličiny, pracovní a kinetická energie, jsou spojeny pomocí věty o pracovní kinetické energii, která uvádí, že čistá práce na objektu se rovná změně kinetické energie objektu.

Základní podstatou přírody je, že energii nelze ani vytvořit, ani zničit. To je shrnuto v zákon zachování energie. Tento zákon stanoví, že celková energie izolované soustavy zůstává konstantní.

I když celková energie zůstává konstantní, může a často mění formu. Potenciál se může změnit na kinetický, kinetický se může změnit na tepelnou energii atd. Celková částka však vždy zůstává stejná.

Je důležité si uvědomit, že tento zákon stanoví izolovaný systém. Izolovaný systém je systém, ve kterém v žádném případě nemůže komunikovat se svým okolím. Jediný možná dokonale izolovaný systém ve vesmíru je vesmír sám. Na Zemi je však možné vytvořit mnoho systémů, které jsou blízko k izolaci (stejně jako je možné, že tření bude zanedbatelné, i když nikdy nebude 0.)

K přeměně energie může dojít mnoha způsoby, obvykle z akumulované energie, která se uvolňuje jako nějaká kinetická energie nebo jako zářivá energie.

Během chemických reakcí se může uvolňovat například chemická energie. Během takové reakce se mění z chemické potenciální energie na nějakou jinou formu, která může zahrnovat sálavou energii nebo tepelnou energii.

Jaderná energie se uvolňuje během jaderné reakce. To je místo, kde je Einstein slavnýE = mc²do hry vstupuje rovnice (energie se rovná hromadné rychlosti světla na druhou). Hmotnost jádra, které se rozdělí a uvolní energii, bude nakonec o něco lehčí o částku určenou Einsteinovým vzorcem. Jakkoli to zní šíleně, samotnou hmotu lze považovat za formu potenciální energie.

Tady na Zemi pravděpodobně často používáte elektrickou energii. Pokaždé, když ve svém domě rozsvítíte světlo nebo odečtete něco z elektronické obrazovky, jako jste právě teď, používáte elektrickou energii. Odkud však tato energie pochází?

Zjevnou odpovědí jsou baterie nebo síťová zásuvka, ale jaký je skutečný primární zdroj?

Pokud jde o baterie, energie se často chemicky ukládá v bateriovém článku, ale mnoho elektronických zařízení vyžaduje, aby byly jejich baterie dobíjeny připojením k síťové zásuvce.

Energie, která do vašeho domu přichází prostřednictvím elektrického vedení, pochází někde v elektrárně. Elektrárny mají mnoho různých způsobů, jak sbírat energii a přeměňovat ji na elektrickou energii.

Některé běžné zdroje energie sklizené v elektrárnách a přeměněné na elektřinu zahrnují:

• ​Solární energie:To je zářivá energie, která pochází ze slunce a může být zachycena solárními články.
• ​Geotermální energie:Jedná se o tepelnou energii nacházející se hluboko v zemi, kterou lze poté přenést na povrch Země pro použití.
• ​Fosilní paliva:Patří mezi ně uhlí a ropa, které se často spalují, aby se uvolnila energie uložená v chemických vazbách.
• ​Nukleární energie:Jaderné elektrárny generují energii rozbíjením atomových jader a využíváním energie, která byla uložena v jaderných vazbách.
• ​Vodní energie:Jedná se o energii, která pochází z gravitační potenciální energie i kinetické energie v tekoucí vodě.
• ​Větrná energie:K získávání větrné energie se používají obří turbíny. Vítr otáčí turbíny a přenáší na ně svou energii.

Vzpomínáte si na začátek tohoto článku, kde byla zmíněna fráze: „Prostě dnes nemám energii“ a „Ty děti potřebují nějakou energii spálit“? Lidé využívají energii neustále, nejen ze svých elektronických zařízení. Jak velké pohyby vašeho těla, tak malé procesy v těle vyžadují energii.

Běh, túry, plavání nebo dokonce jen čištění zubů vyžaduje energii. Pamatujete si kinetickou energii? Když se pohybujete, děláte to prostřednictvím kinetické energie. Ta energie musí odněkud pocházet.

Mnoho neviditelných procesů, které probíhají ve vašem těle, také vyžaduje energii, jako je dýchání, cirkulace krve, trávení atd.

Odkud lidé berou energii? Jídlo, samozřejmě! Potraviny, které jíte, v sobě uchovávaly chemickou energii. Když se toto jídlo dostane do vašeho žaludku, vaše žaludeční kyselina rozloží jídlo a jistě molekuly z potravy se dostanou na všechna různá místa ve vašem těle, která mohou potřebovat energie. Poté, když nastane potřeba, se energie získává malou chemickou reakcí.

Nyní, pokud nejíte celý den a hodně pobíháte, vydáte spoustu energie a budete se cítit „vyčerpaní“, dokud nejíte a neposkytnete svému tělu více toho, co potřebuje.