Mis on energia füüsikas? (koos valemi ja näidetega)

Ilmselt kasutate oma igapäevases elus sõna energia, kuid mida see tegelikult tähendab? Millise füüsilise koguse saavutate, kui ütlete selliseid asju nagu: "Mul lihtsalt pole täna energiat" või "Need lapsed peavad natuke energiat ära põletama"?

Sõna kõnekeelne kasutamine võib anda teile esialgse tunde, mis on energia, kuid selles artiklis saate seda teha õppida, kuidas füüsikud määratlevad energiat, õppida, millised on erinevad energia tüübid, ja näha mõningaid näiteid tee.

Energia on võime tööd teha või muutusi põhjustada. See erineb jõust. Jõud on asi, mis põhjustab muutuse, samal ajal kui energiat võib mõelda kui jõu ajendit. Jõu rakendamiseks kulub energiat ja objekti rakendamine jõu abil kannab sellele sageli energiat.

SI energiaühik on džaul, kus 1 džaul = 1 njuuton × 1 meeter või 1 kg⋅m²/ s². Muud ühikud hõlmavad kaloreid, kilokaloreid ja kilovatt-tunde.

Kaks kõige põhilisemat energiavormi onpotentsiaalne energiajakineetiline energia. Potentsiaalne energia on salvestatud energia, samas kui kineetiline energia on liikumise energia.

Teadlased eristavad tavaliselt nende energiatüüpide makroskoopilisi ja mikroskoopilisi versioone. Näiteks, potentsiaalne energia mida hoitakse raskusjõu või kokkusurutud vedru tõttu, nimetataksemehaanilinepotentsiaalne energia. Kuid objektidel võib olla ka erinevat tüüpi potentsiaalne energia, mis on salvestatud aatomituuma molekulide ja nukleonide vahelistes sidemetes.

Mehaaniline kineetiline energia on makroskoopilise objekti liikumisest tulenev energia. Kuid mis tahes objekti sees on molekulidel endal oma erinevat tüüpi kineetilised energiad.

Objekti mehaanilise potentsiaali ja kineetilise energia summat nimetatakse sellekogu mehaaniline energia. See ei ole sama mis objekti koguenergia, mis oleks kõigi selle energia vormide summa, kaasa arvatud termiline, keemiline ja nii edasi.

Molekulaarsidemetesse salvestatud potentsiaalse energia tüüp on nn energia vormkeemilineenergia. Aatom- või tuumasidemetesse salvestatud energiat nimetatakseaatomienergia võituumaenergiaenergia.

Kineetilist energiat, mis eksisteerib molekulaarsel tasandil molekulide vibratsiooni ja liikumise tõttu, nimetataksesoojusenergia võikuumusenergia. Temperatuuri mõõtmisel mõõdate seda tüüpi energia keskmist kogust.

Kõige tavalisemad mehaanilise potentsiaalse energia tüübid, mida võiksite õppida, on järgmised:

• ​Gravitatsiooniline potentsiaalne energia:Objekti salvestatud energia põhineb selle asukohal gravitatsiooniväljas. Näiteks kõrgel maa kohal hoitaval pallil on gravitatsiooniline potentsiaalne energia. Vabastamisel see seetõttu langeb.
• ​Elektriline potentsiaalne energia:See on laetud esemesse salvestatud energia, mis on tingitud selle asukohast elektriväljas. Näiteks saavad ahela elektronid aku tõttu teatud koguse elektrilise potentsiaalse energia. Kui vooluahel on ühendatud, põhjustab see elektronide voolu.
• ​Magnetiline potentsiaalenergia:See on energia, mis on salvestatud magnetmomendiga esemesse tänu selle asukohale magnetväljas. Mõelge, kui hoiate kahte nupumagnetit üksteise lähedal ja tunnete, et nad tõmblevad; seda magnetilise potentsiaalse energia tõttu.
• ​Elastne potentsiaalne energia:See on energia, mis on salvestatud elastsesse materjali. Näiteks on venitatud kummipael energiat salvestanud, nagu ka kokkusurutud vedru. Kui kumbki vabastatakse, siis nad liiguvad.

Mehaaniline kineetiline energia erineb potentsiaalsest energiast selle poolest, et see on seotud liikumisega ja sellel on ainult üks variatsioon. Lihtvõrrand annab mis tahes massiobjekti kineetilise energiamliikudes kiirusegav. See on:

Mida kiiremini objekt liigub või mida raskem see on, seda rohkem on sellel kineetilist energiat.

Kui objekt, millel on potentsiaalne energia, vabastatakse ja lastakse vabalt liikuda, hakkab see kiirenema. Selle tulemusena suureneb selle kineetiline energia. Samal ajal väheneb potentsiaalne energia. Võrgus jääb objekti kogu mehaaniline energia konstantseks (eeldades, et hõõrdumist ega sarnaseid jõude ei toimita), lihtsalt energia muutus vormis.

Viimases osas tutvustati mehaanilise kineetilise energia võrrandit. Samuti on olemas erinevat tüüpi potentsiaalsete energiate valemid ja võrrandid, mis kirjeldavad energia ja muude füüsikaliste suuruste suhet.

Massi gravitatsiooniline potentsiaalne energiamkõrguselhMaa kohal on:

Kusg= 9,8 m / s² on gravitatsioonist tingitud kiirendus.

Laengu elektriline potentsiaalne energiaqpingelVon lihtsalt:

The allikas salvestatud potentsiaalne energia annab:

Kuskon kevadkonstant (konstant, mis sõltub vedru jäikusest) jaΔxon vedru kokkusurumise või venitamise summa.

Soojusenergia muutus (aka ülekantav soojusenergia) saadakse järgmise võrrandi abil:

KusQon energia,mon mass,con erisoojusvõimsus jaΔTon temperatuuri muutus Kelvini ühikutes.

Füüsikalisel kvantiteedil (määratletud kui jõu ja nihke korrutis) on energiaga samad ühikud (J või Nm). Need kaks suurust, töö ja kineetiline energia, on omavahel seotud kineetilise energia teoreemi kaudu, mis ütleb, et objekti netotöö on võrdne objekti kineetilise energia muutusega.

Looduse põhitõde on see, et energiat ei saa luua ega hävitada. See on kokku võetud energia jäävuse seadus. See seadus ütleb, et isoleeritud süsteemi koguenergia jääb konstantseks.

Kuigi koguenergia püsib konstantsena, võib see vormi muuta ja sageli ka muutub. Potentsiaal võib muutuda kineetiliseks, kineetiline võib muutuda soojusenergiaks ja nii edasi. Kuid kogusumma jääb alati samaks.

Oluline on märkida, et see seadus täpsustab isoleeritud süsteemi. Eraldatud süsteem on selline, milles ei saa mingil viisil suhelda oma ümbrusega. Ainus universumi võimalik täiesti isoleeritud süsteem on noh, universum ise. Maal on siiski võimalik muuta paljusid süsteeme, mis on lähedal isoleerimisele (nagu ka hõõrdumine tühiseks, isegi kui see pole kunagi 0.)

Energia muundamine võib toimuda mitmel viisil, tavaliselt sellest, et salvestatud energia vabaneb mingi kineetilise energiana või kiirgava energiana.

Näiteks keemilist energiat saab vabastada keemiliste reaktsioonide käigus. Sellise reaktsiooni käigus muutub see keemilisest potentsiaalsest energiast mõneks muuks vormiks, mis võib sisaldada kiirgusenergiat või soojusenergiat.

Tuumaenergia vabaneb tuumareaktsiooni käigus. Siin on kuulus EinsteiniE = mc²mängu tuleb võrrand (energia võrdub massi korrutatuna valguse kiirusega ruudus). Energia vabastamiseks eralduva tuuma mass on lõpuks Einsteini valemiga määratud koguse võrra kergem. Nii hullumeelselt kui see ka ei kõla, võib massi ennast pidada potentsiaalse energia vormiks.

Siin Maal kasutate tõenäoliselt sageli elektrienergiat. Iga kord, kui lülitate oma majas tule sisse või loete elektrooniliselt ekraanilt midagi välja nagu praegu, kasutate elektrienergiat. Aga kust see energia tuleb?

Ilmselge vastus on patareid või seinakontakt, kuid mis on tegelik peamine allikas?

Patareide osas ladustatakse energiat sageli keemiliselt akupatareis, kuid paljud elektroonikaseadmed nõuavad nende akude laadimist, ühendades need seinakontakti.

Energia, mis jõuab teie majja elektriliinide kaudu, pärineb kusagilt elektrijaamast. Elektrijaamadel on palju erinevaid viise energia kogumiseks ja elektrienergiaks muutmiseks.

Mõned elektrijaamade korjatud ja elektriks muundatud energiaallikad hõlmavad järgmist:

• ​Päikeseenergia:See on kiirgav energia, mis tuleb päikeselt ja mida päikeseelemendid suudavad tabada.
• ​Geotermiline energia:See on soojusenergia, mis asub sügaval maapinnal ja mida saab seejärel kasutada Maa pinnale.
• ​Fossiilkütused:Nende hulka kuuluvad kivisüsi ja nafta, mida sageli põletatakse keemilistesse sidemetesse salvestatud energia vabastamiseks.
• ​Tuumaenergia:Tuumaelektrijaamad toodavad energiat, purustades aatomituumad ja rakendades tuumasidemetesse salvestatud energiat.
• ​Hüdroelektrienergia:See on energia, mis pärineb nii gravitatsioonilisest potentsiaalsest energiast kui ka kineetilisest energiast voolavas vees.
• ​Tuuleenergia:Tuuleenergia koristamiseks kasutatakse hiiglaslikke turbiine. Tuul pöörab turbiinid, kandes oma energia neile üle.

Kas mäletate selle artikli alguses tagasi, kus mainiti fraase: "Mul lihtsalt pole täna energiat" ja "Need lapsed peavad natuke energiat ära põletama"? Inimesed kasutavad energiat kogu aeg ja mitte ainult oma elektroonikaseadmetest. Nii teie keha suured liikumised kui ka väikesed protsessid teie kehas nõuavad energiat.

Jooksmiseks, matkamiseks, ujumiseks või isegi lihtsalt hammaste pesemiseks on vaja energiat. Kas mäletate kineetilist energiat? Kui liigute, teete seda kineetilise energia kaudu. See energia peab kuskilt tulema.

Paljud teie kehas toimuvad nähtamatud protsessid nõuavad ka energiat, näiteks hingamine, vere ringlus, seedimine ja nii edasi.

Kust saavad inimesed oma energiat? Toit muidugi! Söödud toit on selle sisse salvestanud keemilist energiat. Kui see toit jõuab teie kõhtu, lagundab teie maohape toitu ja kindlasti toidust pärit molekulid jõuavad teie keha kõikidesse erinevatesse kohtadesse, mis võivad vajada energia. Siis, kui vajadus tekib, saadakse energia väikese keemilise reaktsiooni abil.

Kui te ei söö terve päeva ja tegelete palju ringi jooksmisega, kulutate palju energiat ja tunnete end "tühjaks", kuni sööte ja varustate oma keha rohkemaga, mida ta vajab.