Τι είναι η Ενέργεια στη Φυσική; (w / Τύπος και παραδείγματα)

Πιθανότατα χρησιμοποιείτε τη λέξη ενέργεια στην καθημερινή σας ζωή όλη την ώρα, αλλά τι σημαίνει πραγματικά; Ποια φυσική ποσότητα λαμβάνετε όταν λέτε πράγματα, "Απλώς δεν έχω την ενέργεια σήμερα" ή "Αυτά τα παιδιά πρέπει να κάψουν λίγη ενέργεια";

Η συνηθισμένη χρήση της λέξης μπορεί να σας δώσει μια αρχική αίσθηση τι είναι η ενέργεια, αλλά σε αυτό το άρθρο θα το κάνετε μάθετε πώς οι φυσικοί ορίζουν την ενέργεια, μάθετε ποιοι είναι οι διαφορετικοί τύποι ενέργειας και δείτε μερικά παραδείγματα κατά μήκος του τρόπος.

Η ενέργεια είναι η ικανότητα να δουλεύει ή να προκαλεί αλλαγή. Είναι διαφορετικό από μια δύναμη. Μια δύναμη είναι αυτό που προκαλεί την αλλαγή, ενώ η ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί ως η ώθηση πίσω από τη δύναμη. Παίρνει ενέργεια για να εφαρμόσει μια δύναμη, και η εφαρμογή μιας δύναμης σε ένα αντικείμενο μεταφέρει συχνά ενέργεια σε αυτό.

Η μονάδα ενέργειας SI είναι η joule όπου 1 joule = 1 newton × 1 μέτρο ή 1 kg⋅m²/μικρό². Άλλες μονάδες περιλαμβάνουν θερμίδες, kilocalories και kilowatt-hour.

Οι δύο πιο θεμελιώδεις μορφές ενέργειας είναιδυναμική ενέργειακαικινητική ενέργεια. Η πιθανή ενέργεια είναι η αποθηκευμένη ενέργεια ενώ η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια της κίνησης.

Οι επιστήμονες συνήθως κάνουν διάκριση μεταξύ μακροσκοπικών και μικροσκοπικών εκδόσεων αυτών των ενεργειακών τύπων. Για παράδειγμα, δυναμική ενέργεια που αποθηκεύεται λόγω βαρύτητας ή λόγω συμπιεσμένου ελατηρίου ονομάζεταιμηχανικόςδυναμική ενέργεια. Αλλά τα αντικείμενα μπορούν επίσης να έχουν έναν διαφορετικό τύπο δυνητικής ενέργειας που αποθηκεύεται στους δεσμούς μεταξύ μορίων και μεταξύ νουκλεονίων σε έναν ατομικό πυρήνα.

Η μηχανική κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια που οφείλεται στην κίνηση ενός μακροσκοπικού αντικειμένου. Αλλά μέσα σε οποιοδήποτε αντικείμενο, τα ίδια τα μόρια έχουν τις δικές τους κινητικές ενέργειες διαφορετικού τύπου.

Το άθροισμα του μηχανικού δυναμικού ενός αντικειμένου και της κινητικής ενέργειας ονομάζεταισυνολική μηχανική ενέργεια. Αυτό δεν είναι το ίδιο με τη συνολική ενέργεια του αντικειμένου, που θα ήταν το άθροισμα όλων των μορφών της ενέργειας του, συμπεριλαμβανομένων των θερμικών, χημικών και ούτω καθεξής.

Ο τύπος πιθανής ενέργειας που αποθηκεύεται σε μοριακούς δεσμούς είναι μια μορφή ενέργειας που ονομάζεταιχημική ουσίαενέργεια. Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ατομικούς δεσμούς ή πυρηνικούς δεσμούς ονομάζεταιατομικόςενέργεια ήπυρηνικόςενέργεια.

Η κινητική ενέργεια που υπάρχει σε μοριακό επίπεδο λόγω των δονήσεων και των κινήσεων των μορίων ονομάζεταιθερμικόςενέργεια ήθερμότηταενέργεια. Όταν μετράτε τη θερμοκρασία, μετράτε τη μέση ποσότητα αυτού του τύπου ενέργειας.

Οι πιο συνηθισμένοι τύποι μηχανικής δυναμικής ενέργειας που μπορεί να μάθετε περιλαμβάνουν:

• ​Εν δυνάμει βαρυτική ενέργεια:Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα αντικείμενο με βάση τη θέση του σε ένα βαρυτικό πεδίο. Για παράδειγμα, μια μπάλα που βρίσκεται ψηλά πάνω από τη γη έχει δυναμική ενέργεια βαρύτητας. Όταν κυκλοφορήσει, θα πέσει ως αποτέλεσμα.
• ​Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια:Αυτή είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται σε φορτισμένο αντικείμενο λόγω της θέσης του σε ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια σε ένα κύκλωμα θα αποκτήσουν μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας ηλεκτρικού δυναμικού λόγω της μπαταρίας. Όταν το κύκλωμα είναι συνδεδεμένο, αυτό προκαλεί τη ροή των ηλεκτρονίων.
• ​Μαγνητική δυναμική ενέργεια:Αυτή είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα αντικείμενο με μαγνητική ροπή λόγω της θέσης του σε ένα μαγνητικό πεδίο. Σκεφτείτε όταν κρατάτε δύο μαγνήτες κουμπιών κοντά ο ένας στον άλλο και τους αισθάνεστε ότι τραβούν. αυτό οφείλεται στο μαγνητικό δυναμικό ενέργειας.
• ​Ελαστική δυναμική ενέργεια:Αυτή είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα ελαστικό υλικό. Για παράδειγμα, μια τεντωμένη λαστιχένια ταινία έχει αποθηκευμένη ενέργεια, όπως και ένα συμπιεσμένο ελατήριο. Όταν απελευθερωθούν, θα μετακινηθούν.

Η μηχανική κινητική ενέργεια διαφέρει από τη δυνητική ενέργεια καθώς συνδέεται με την κίνηση και έρχεται σε μία μόνο ποικιλία. Μια απλή εξίσωση δίνει την κινητική ενέργεια οποιουδήποτε αντικειμένου μάζαςΜκινείται με ταχύτηταβ. Αυτό είναι:

Όσο πιο γρήγορα ένα αντικείμενο κινείται ή όσο βαρύτερο είναι, τόσο περισσότερη κινητική έχει.

Όταν ένα αντικείμενο που έχει δυνητική ενέργεια απελευθερώνεται και αφήνεται να κινηθεί ελεύθερα, θα αρχίσει να επιταχύνεται. Ως αποτέλεσμα, η κινητική του ενέργεια αυξάνεται. Ταυτόχρονα, η πιθανή ενέργεια μειώνεται. Στο δίχτυ, η συνολική μηχανική ενέργεια του αντικειμένου παραμένει σταθερή (υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει τριβή ή παρόμοιες δυνάμεις δρουν), απλώς η ενέργεια αλλάζει μορφή

Στην τελευταία ενότητα, παρουσιάστηκε η εξίσωση για τη μηχανική κινητική ενέργεια. Υπάρχουν επίσης τύποι για διαφορετικούς τύπους πιθανών ενεργειών καθώς και εξισώσεις που περιγράφουν τη σχέση μεταξύ ενέργειας και άλλων φυσικών ποσοτήτων.

Η πιθανή βαρυτική ενέργεια μάζαςΜστο ύψοςηπάνω από τη Γη είναι:

Οπουσολ= 9,8 m / s² είναι η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας.

Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ενός φορτίουεσε τάσηΒείναι απλά:

ο πιθανή ενέργεια που αποθηκεύεται την άνοιξη δίνεται από:

Οπουκείναι το σταθερά του ελατηρίου (μια σταθερά που εξαρτάται από την ακαμψία του ελατηρίου) καιΔχείναι η ποσότητα κατά την οποία το ελατήριο συμπιέζεται ή τεντώνεται.

Η αλλαγή θερμικής ενέργειας (γνωστή και ως θερμική ενέργεια που μεταφέρεται) δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:

ΟπουΕρείναι η ενέργεια,Μείναι η μάζα,ντοείναι η ειδική θερμική ικανότητα καιΔΤείναι η αλλαγή θερμοκρασίας σε μονάδες του Kelvin.

Η φυσική εργασία (ορίζεται ως το προϊόν της δύναμης και της μετατόπισης) έχει τις ίδιες μονάδες με την ενέργεια (J ή Nm). Οι δύο ποσότητες, η εργασία και η κινητική ενέργεια, σχετίζονται με το θεώρημα εργασίας-κινητικής ενέργειας, το οποίο δηλώνει ότι η καθαρή εργασία σε ένα αντικείμενο είναι ίση με την αλλαγή στην κινητική ενέργεια του αντικειμένου.

Ένα θεμελιώδες γεγονός της φύσης είναι ότι η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Αυτό συνοψίζεται στο νόμος διατήρησης της ενέργειας. Αυτός ο νόμος αναφέρει ότι η συνολική ενέργεια ενός απομονωμένου συστήματος παραμένει σταθερή.

Ενώ η συνολική ενέργεια παραμένει σταθερή, μπορεί και συχνά αλλάζει μορφή. Το δυναμικό μπορεί να αλλάξει σε κινητικό, το κινητικό μπορεί να αλλάξει σε θερμική ενέργεια και ούτω καθεξής. Αλλά το συνολικό ποσό παραμένει πάντα το ίδιο.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτός ο νόμος καθορίζει ένα απομονωμένο σύστημα. Ένα απομονωμένο σύστημα είναι ένα στο οποίο δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον του. Το μόνο πιθανώς τέλεια απομονωμένο σύστημα στο σύμπαν είναι, λοιπόν, το ίδιο το σύμπαν. Ωστόσο, είναι δυνατό να δημιουργηθούν πολλά συστήματα στη Γη που είναι σχεδόν απομονωμένα (όπως είναι δυνατόν να κάνουμε την τριβή αμελητέα, ακόμα κι αν δεν είναι ποτέ 0.)

Η μετατροπή ενέργειας μπορεί να συμβεί με πολλούς τρόπους, συνήθως από την αποθηκευμένη ενέργεια που απελευθερώνεται ως κινητική ενέργεια κάποιου είδους ή ως ακτινοβολούμενη ενέργεια.

Η χημική ενέργεια, για παράδειγμα, μπορεί να απελευθερωθεί κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων. Κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας αντίδρασης αλλάζει από χημική δυνητική ενέργεια σε κάποια άλλη μορφή, η οποία μπορεί να περιλαμβάνει ακτινοβολία ή θερμική ενέργεια.

Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια μιας πυρηνικής αντίδρασης. Εδώ είναι ο διάσημος του ΑϊνστάινΕ = mc²η εξίσωση μπαίνει στο παιχνίδι (η ενέργεια ισούται με τη μάζα επί την ταχύτητα του τετραγωνικού φωτός). Η μάζα ενός πυρήνα που χωρίζεται για να απελευθερώσει ενέργεια θα είναι ελαφρώς ελαφρύτερη στο τέλος από μια ποσότητα που καθορίζεται από τον τύπο του Αϊνστάιν. Τόσο τρελό όσο ακούγεται, η ίδια η μάζα μπορεί να θεωρηθεί μορφή πιθανής ενέργειας.

Εδώ στη Γη, πιθανότατα χρησιμοποιείτε συχνά ηλεκτρική ενέργεια. Κάθε φορά που ανάβετε ένα φως στο σπίτι σας ή διαβάζετε κάτι από μια ηλεκτρονική οθόνη όπως είστε τώρα, χρησιμοποιείτε ηλεκτρική ενέργεια. Αλλά από πού προέρχεται αυτή η ενέργεια;

Η προφανής απάντηση είναι οι μπαταρίες ή η πρίζα, αλλά ποια είναι η πραγματική κύρια πηγή;

Όσον αφορά τις μπαταρίες, η ενέργεια αποθηκεύεται συχνά χημικά σε ένα κελί μπαταριών, αλλά πολλές ηλεκτρονικές συσκευές απαιτούν οι μπαταρίες τους να επαναφορτίζονται συνδέοντάς τις σε μια πρίζα.

Η ενέργεια που έρχεται στο σπίτι σας μέσω ηλεκτροφόρων καλωδίων προέρχεται από μια μονάδα παραγωγής ενέργειας κάπου. Οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας έχουν πολλούς διαφορετικούς τρόπους συλλογής ενέργειας και μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια.

Ορισμένες κοινές πηγές ενέργειας που συλλέγονται από σταθμούς παραγωγής ενέργειας και μετατρέπονται σε ηλεκτρική ενέργεια περιλαμβάνουν:

• ​Ηλιακή ενέργεια:Πρόκειται για ακτινοβόλο ενέργεια που προέρχεται από τον ήλιο και μπορεί να συλληφθεί από ηλιακά κύτταρα.
• ​Γεωθερμική ενέργεια:Πρόκειται για θερμική ενέργεια που βρίσκεται βαθιά στο έδαφος και μπορεί στη συνέχεια να μεταφερθεί στην επιφάνεια της Γης για χρήση.
• ​Ορυκτά καύσιμα:Σε αυτά περιλαμβάνεται ο άνθρακας και το πετρέλαιο, τα οποία καίγονται συχνά για την απελευθέρωση ενέργειας που αποθηκεύεται σε χημικούς δεσμούς.
• ​Πυρηνική ενέργεια:Οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας παράγουν ενέργεια διασπώντας τους ατομικούς πυρήνες και αξιοποιώντας την ενέργεια που ήταν αποθηκευμένη στους πυρηνικούς δεσμούς.
• ​Υδροηλεκτρική ενέργεια:Αυτή είναι η ενέργεια που προέρχεται από τη βαρυτική ενέργεια καθώς και από την κινητική ενέργεια στο ρέον νερό.
• ​Αιολική ενέργεια:Για τη συγκομιδή αιολικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται γιγαντιαίοι στρόβιλοι. Ο άνεμος γυρίζει τους στροβίλους, μεταφέροντας την ενέργειά του σε αυτούς.

Θυμηθείτε πίσω στην αρχή αυτού του άρθρου όπου αναφέρθηκαν οι φράσεις, "Απλώς δεν έχω την ενέργεια σήμερα" και "Αυτά τα παιδιά πρέπει να κάψουν κάποια ενέργεια"; Οι άνθρωποι κάνουν χρήση ενέργειας όλη την ώρα και όχι μόνο από τις ηλεκτρονικές τους συσκευές. Τόσο οι μεγάλες κινήσεις του σώματός σας όσο και οι μικρές διαδικασίες στο σώμα σας απαιτούν ενέργεια.

Χρειάζεται ενέργεια για τρέξιμο, πεζοπορία, κολύμπι ή ακόμα και απλά να βουρτσίζετε τα δόντια σας. Θυμάστε κινητική ενέργεια; Όταν κινείστε, το κάνετε μέσω κινητικής ενέργειας. Αυτή η ενέργεια πρέπει να προέρχεται από κάπου.

Πολλές αόρατες διαδικασίες που συμβαίνουν στο σώμα σας απαιτούν επίσης ενέργεια, όπως αναπνοή, κυκλοφορία του αίματος, πέψη και ούτω καθεξής.

Από πού παίρνουν οι άνθρωποι την ενέργειά τους; Φαγητό, φυσικά! Το φαγητό που τρώτε έχει αποθηκεύσει χημική ενέργεια μέσα σε αυτό. Όταν αυτό το φαγητό μπαίνει στο στομάχι σας, το οξύ του στομάχου σας διασπά το φαγητό και σίγουρο μόρια από τα τρόφιμα φτάνουν σε όλα τα διαφορετικά μέρη του σώματός σας που μπορεί να χρειαστούν ενέργεια. Στη συνέχεια, όταν προκύπτει η ανάγκη, η ενέργεια λαμβάνεται μέσω μιας μικρής χημικής αντίδρασης.

Τώρα, εάν δεν τρώτε όλη μέρα και τρέχετε πολύ, ξοδεύετε πολλή ενέργεια και θα αισθανθείτε «στραγγισμένοι» έως ότου τρώτε και παρέχετε στο σώμα σας περισσότερα από αυτά που χρειάζεται.