Hvad er energi i fysik? (med formel og eksempler)

Du bruger sandsynligvis ordet energi i din hverdag hele tiden, men hvad betyder det egentlig? Hvilken fysisk mængde når du, når du siger ting som: "Jeg har bare ikke energi i dag" eller "Disse børn har brug for at afbrænde noget energi"?

Den dagligdags brug af ordet kan give dig en indledende fornemmelse af hvad energi er, men i denne artikel vil du lære hvordan fysikere definerer energi, lære hvad de forskellige typer energi er og se nogle eksempler langs vej.

Energi er evnen til at udføre arbejde eller forårsage forandring. Det er forskelligt fra en kraft. En kraft er den ting, der forårsager forandringen, mens energi kan betragtes som drivkraften bag kraften. Det tager energi for at anvende en kraft, og anvendelse af en kraft på en genstand overfører ofte energi til den.

SI-energienheden er joule hvor 1 joule = 1 newton × 1 meter eller 1 kg⋅m²/ s². Andre enheder inkluderer kalorier, kilokalorier og kilowatt-timer.

De to mest grundlæggende energiformer er

Forskere skelner normalt mellem makroskopiske og mikroskopiske versioner af disse energityper. For eksempel, potentiel energi der er lagret på grund af tyngdekraften eller på grund af en komprimeret fjeder kaldesmekaniskpotentiel energi. Men genstande kan også have en anden type potentiel energi lagret i bindingerne mellem molekyler og mellem nukleoner i en atomkerne.

Mekanisk kinetisk energi er energien på grund af bevægelsen af ​​et makroskopisk objekt. Men inden i ethvert objekt har molekylerne selv deres egne kinetiske energier af en anden type.

Summen af ​​et objekts mekaniske potentiale og kinetiske energi kaldes detstotal mekanisk energi. Dette er ikke det samme som objektets samlede energi, hvilket ville være summen af ​​alle former for dets energi, inklusive termisk, kemisk og så videre.

Typen af ​​potentiel energi lagret i molekylære bindinger er en form for energi kaldetkemiskenergi. Energi, der er lagret i atombindinger eller atombindinger, kaldesatomarenergi elleratomiskenergi.

Kinetisk energi, der findes på molekylært niveau på grund af vibrationer og bevægelser af molekyler kaldestermiskenergi ellervarmeenergi. Når du måler temperaturen, måler du den gennemsnitlige mængde af denne type energi.

De mest almindelige typer af mekanisk potentiel energi, du måske lærer om, inkluderer:

• ​Gravitationspotentiel energi:Energien lagret i et objekt baseret på dets placering i et tyngdefelt. For eksempel har en kugle, der holdes højt over jorden, gravitationspotentiel energi. Når den frigives, falder den som et resultat.
• ​Elektrisk potentiel energi:Dette er den energi, der er lagret i et ladet objekt på grund af dets placering i et elektrisk felt. For eksempel vil elektronerne i et kredsløb blive udstyret med en vis mængde elektrisk potentiel energi på grund af batteriet. Når kredsløbet er tilsluttet, får dette elektronerne til at strømme.
• ​Magnetisk potentiel energi:Dette er energi lagret i et objekt med magnetisk øjeblik på grund af dets placering i et magnetfelt. Overvej, når du holder to knapmagneter nær hinanden, og du føler dem trække; dette skyldes den magnetiske potentielle energi.
• ​Elastisk potentiel energi:Dette er energi lagret i et elastisk materiale. For eksempel har et strakt elastik lagret energi, ligesom en komprimeret fjeder. Når en af ​​dem frigives, bevæger de sig.

Mekanisk kinetisk energi adskiller sig fra potentiel energi ved, at den er forbundet med bevægelse, og den findes i kun en variation. En simpel ligning giver den kinetiske energi af ethvert masseobjektmbevæger sig med hastighedv. Det er:

Jo hurtigere et objekt bevæger sig eller jo tungere det er, jo mere kinetisk energi har det.

Når et objekt, der har potentiel energi, frigives og får lov til at bevæge sig frit, vil det begynde at accelerere. Som et resultat stiger dens kinetiske energi. På samme tid falder den potentielle energi. I nettet forbliver objektets samlede mekaniske energi konstant (forudsat at ingen friktion eller lignende kræfter virker), det er bare, at energien skifter form.

I det sidste afsnit blev ligningen for mekanisk kinetisk energi introduceret. Der er også formler til forskellige typer potentielle energier såvel som ligninger, der beskriver forholdet mellem energi og andre fysiske størrelser.

Gravitationel potentiel energi af massemi højdenhover Jorden er:

Hvorg= 9,8 m / s² er accelerationen på grund af tyngdekraften.

Den elektriske potentielle energi af en ladningqved spændingVer simpelthen:

Det potentiel energi lagret i en fjeder er givet af:

Hvorker forårskonstant (en konstant, der afhænger af fjederens stivhed) ogΔxer det beløb, hvormed fjederen komprimeres eller strækkes.

Ændring af termisk energi (aka overført varmeenergi) gives ved følgende ligning:

HvorQer energien,mer massen,cer den specifikke varmekapacitet ogATer temperaturændringen i enheder af Kelvin.

Det fysiske mængdearbejde (defineret som produktet af kraft og forskydning) har de samme enheder som energi (J eller Nm). De to størrelser, arbejde og kinetisk energi, er relateret via den arbejdskinetiske energisætning, som angiver, at nettoarbejdet på et objekt er lig med ændringen i objektets kinetiske energi.

En grundlæggende kendsgerning i naturen er, at energi hverken kan skabes eller ødelægges. Dette er opsummeret i lov om energibesparelse. Denne lov siger, at den samlede energi i et isoleret system forbliver konstant.

Mens den samlede energi forbliver konstant, kan den ofte ændre form. Potentiale kan ændre sig til kinetiske, kinetiske kan ændre sig til termisk energi og så videre. Men det samlede beløb forbliver altid det samme.

Det er vigtigt at bemærke, at denne lov specificerer et isoleret system. Et isoleret system er et system, der på ingen måde kan interagere med dets omgivelser. Det eneste muligvis perfekt isolerede system i universet er, ja, selve universet. Det er dog muligt at lave mange systemer på jorden, der er tæt på at blive isoleret (ligesom det er muligt at gøre friktion ubetydelig, selvom det aldrig er 0).

Energikonvertering kan ske på mange måder, normalt fra lagret energi frigives som kinetisk energi af en slags eller som strålingsenergi.

Kemisk energi kan for eksempel frigives under kemiske reaktioner. Under en sådan reaktion skifter den fra kemisk potentiel energi til en anden form, som kan omfatte stråleenergi eller varmeenergi.

Atomenergi frigives under en nuklear reaktion. Det er her, Einstein er berømtE = mc²ligning kommer i spil (energi er lig med masse gange lysets hastighed i kvadrat). Massen af ​​en kerne, der splittes fra hinanden for at frigive energi, bliver i sidste ende lidt lettere med en mængde bestemt af Einsteins formel. Så skør som det lyder, kan selve massen betragtes som en form for potentiel energi.

Her på Jorden bruger du sandsynligvis ofte elektrisk energi. Hver gang du tænder et lys i dit hus eller læser noget ud af en elektronisk skærm, som du er lige nu, bruger du elektrisk energi. Men hvor kommer denne energi fra?

Det oplagte svar er batterier eller stikkontakten, men hvad er den faktiske primære kilde?

Når det kommer til batterier, opbevares energi ofte kemisk i en battericelle, men mange elektroniske enheder kræver, at deres batterier genoplades ved at slutte dem til en stikkontakt.

Den energi, der kommer til dit hus gennem kraftledninger, stammer fra et kraftværk et eller andet sted. Kraftværker har mange forskellige måder at høste energi på og gøre det til elektrisk energi.

Nogle almindelige energikilder høstet af kraftværker og omdannet til elektricitet inkluderer:

• ​Solenergi:Dette er strålende energi, der kommer fra solen og kan fanges af solceller.
• ​Geotermisk energi:Dette er termisk energi, der findes dybt i jorden, som derefter kan overføres til jordens overflade til brug.
• ​Fossile brændstoffer:Disse inkluderer kul og olie, som ofte brændes for at frigive energi lagret i kemiske bindinger.
• ​Atomenergi:Atomkraftværker genererer energi ved at bryde atomkerner fra hinanden og udnytte den energi, der blev lagret i atombindingerne.
• ​Vandkraft:Dette er energi, der kommer fra tyngdepotentialenergi såvel som kinetisk energi i strømmende vand.
• ​Vindenergi:For at høste vindenergi anvendes kæmpe møller. Vinden drejer turbinerne og overfører sin energi til dem.

Husk tilbage i begyndelsen af ​​denne artikel, hvor sætningerne "Jeg har bare ikke energien i dag" og "Disse børn har brug for at forbrænde noget energi" blev nævnt? Mennesker bruger energi hele tiden og ikke kun fra deres elektroniske enheder. Både de store bevægelser i din krop og små processer i din krop kræver energi.

Det kræver energi at løbe, vandre, svømme eller endda bare børste tænder. Kan du huske kinetisk energi? Når du bevæger dig, gør du det via kinetisk energi. Den energi skal komme et eller andet sted.

Mange usynlige processer, der foregår i din krop, kræver også energi, såsom vejrtrækning, cirkulation af dit blod, fordøjelse og så videre.

Hvor får mennesker deres energi fra? Mad, selvfølgelig! Den mad, du spiser, har gemt kemisk energi i den. Når den mad kommer ind i din mave, nedbryder din mavesyre maden og bestemt molekyler fra maden finder vej til alle de forskellige steder i din krop, der muligvis har brug for energi. Derefter, når behovet opstår, opnås energi via en lille kemisk reaktion.

Hvis du ikke spiser hele dagen og løber meget rundt, bruger du meget energi og vil føle dig "drænet", indtil du spiser og giver din krop mere af det, den har brug for.