Yksi maailmankaikkeuden peruslaeista on, että energiaa ei luoda eikä tuhota - se muuttaa vain muotoja. Näin ollen energiaa varten on monia kaavoja. Jotta ymmärrettäisiin, kuinka nämä kaavat ovat saman asian ilmauksia, on tärkeää ensin ymmärtää, mitä fyysikot tarkoittavat puhuessaan energiasta. Se on käsite, joka on juurtunut klassisen fysiikan käsitteisiin, kuten Sir Isaac Newton selvitti.
Liikkeen energian kaava on:
KE = 0,5 \ kertaa m \ kertaa v ^ 2
missä KE on kineettinen energia jouleina, m on massa kilogrammoina ja v on nopeus metreinä sekunnissa.
Voima ja työ
Newtonin kolme liikelakia muodostavat perustan klassiselle fysiikalle. Ensimmäinen laki määrittelee voiman liikkeen aiheuttavaksi ja toinen laki viittaa esineeseen vaikuttavan voiman sen kiihtyvyyteen. Jos voima (F) kiihdyttää kehoa etäisyyden (d) läpi, se tekee työn määrän (W) yhtä suureksi kuin voima kerrottuna etäisyyksien kertoimella, joka kertoo niiden välisen kulman (θ, kreikkalainen kirjain teeta). Matemaattisena lausekkeena tämä tarkoittaa:
W = Fd \ cos {\ theta}
Metriset voimayksiköt ovat newtoneja, etäisyyden mittarit ovat metrejä ja työelämän mitat ovat newtonmetrejä tai joulea. Energia on kyky tehdä työtä, ja se ilmaistaan myös jouleina.
Kineettinen ja potentiaalinen energia
Liikkeellä olevalla esineellä on liikkumisenergiansa, joka vastaa työtä, jota vaaditaan sen levittämiseksi. Tätä kutsutaan sen kineettiseksi energiaksi, ja se riippuu kohteen nopeuden neliöstä (v) sekä puolesta sen massasta (m). Maapallon painovoimakentässä levossa olevalla esineellä on potentiaalista energiaa korkeudensa ansiosta; jos se putoaisi vapaasti, se saisi kineettisen energian yhtä paljon kuin tämä potentiaalinen energia. Potentiaalinen energia riippuu kohteen massasta, sen korkeudesta (h) ja painovoimasta johtuvasta kiihtyvyydestä (g). Matemaattisesti tämä on:
PE = mgh
Sähköenergia
Sähköjärjestelmien energian laskeminen riippuu a: n läpi kulkevan virran määrästä johdin (I) ampeereissa, samoin kuin virtaa ohjaava sähköpotentiaali tai jännite (V) volttia. Näiden kahden parametrin kertominen antaa sähkön (P) tehon watteina ja kertomalla P ajan jonka aikana sähkö virtaa (t) sekunneissa antaa sähköenergian määrän järjestelmässä, in joulea. Sähköenergian matemaattinen ilmaisu johtavassa piirissä on:
E_e = Pt = VIt
Tämän suhteen mukaan 100 watin hehkulampun jättäminen palamaan yhdeksi minuutiksi kuluttaa 6000 joulea energiaa. Tämä vastaa kineettisen energian määrää, jonka yhden kilon kalliolla olisi, jos pudotat sen 612 metrin korkeudesta (ilman kitkaa).
Joitakin muita energiamuotoja
Näemme valo on sähkömagneettinen ilmiö, jolla on energiaa fotoneiksi kutsuttujen aaltopakettien värähtelyjen avulla. Saksalainen fyysikko Max Planck totesi, että fotonin energia on verrannollinen taajuuteen (f), jonka kanssa se värisee, ja hän laski suhteellisuusvakion (h), jota kutsutaan hänen Planckin vakiona kunnia. Fotonin energian ilmaisu on siten:
E_p = hf
Albert Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan jokaisella ainehiukkasella on luonnostaan potentiaalinen energia, joka on verrannollinen hiukkasen massaan ja valonopeuden neliöön (c). Asiaankuuluva lauseke on:
E_m = mc ^ 2
Einsteinin laskelmat vahvistivat atomipommin kehittämisen.