Mitä energia on fysiikassa? (kaavan ja esimerkkien avulla)

Käytät todennäköisesti sanaa energia jokapäiväisessä elämässäsi koko ajan, mutta mitä se todella tarkoittaa? Mihin fyysiseen määrään saat, kun sanot esimerkiksi: "Minulla ei vain ole energiaa tänään" tai "Niiden lasten on poltettava vähän energiaa"?

Sanan puhekielen käyttö saattaa antaa sinulle alustavan käsityksen siitä, mikä energia on, mutta tässä artikkelissa aiot oppia kuinka fyysikot määrittelevät energian, oppia mitä erilaiset energiatyypit ovat ja nähdä joitain esimerkkejä tapa.

Energia on kyky tehdä työtä tai aiheuttaa muutoksia. Se eroaa voimasta. Voima on asia, joka aiheuttaa muutoksen, kun taas energiaa voidaan ajatella voiman takana olevana sysäyksenä. Voiman käyttäminen vie energiaa, ja voiman kohdistaminen esineeseen siirtää usein energiaa sille.

SI-energian yksikkö on joule, jossa 1 joule = 1 newton × 1 metri tai 1 kg⋅m²/ s². Muita yksiköitä ovat kalorit, kilokalorit ja kilowattitunnit.

Kaksi tärkeintä energiamuotoa ovatMahdollinen energiajakineettinen energia

Tutkijat erottavat yleensä näiden energiatyyppien makroskooppisen ja mikroskooppisen version. Esimerkiksi, Mahdollinen energia jota varastoidaan painovoiman tai puristetun jousen vuoksi, kutsutaanmekaaninenMahdollinen energia. Mutta esineillä voi olla myös erityyppinen potentiaalinen energia, joka on varastoitu molekyylien välisiin sidoksiin ja atomin ytimen nukleonien väliin.

Mekaaninen kineettinen energia on makroskooppisen kohteen liikkeestä johtuva energia. Mutta minkä tahansa esineen sisällä molekyyleillä itsellään on omat erityyppiset kineettiset energiansa.

Kohteen mekaanisen potentiaalin ja kineettisen energian summaa kutsutaan senmekaaninen kokonaisenergia. Tämä ei ole sama kuin kohteen kokonaisenergia, joka olisi kaikkien sen energiamuotojen summa, mukaan lukien terminen, kemiallinen ja niin edelleen.

Molekyylisidoksiin varastoitu potentiaalienergian tyyppi on nimeltään energiamuotokemiallinenenergiaa. Atomisidoksiin tai ydinsidoksiin varastoitua energiaa kutsutaanatomi-energiaa taiydinenergiaa.

Kineettistä energiaa, joka esiintyy molekyylitasolla molekyylien värähtelyjen ja liikkeiden vuoksi, kutsutaanlämpöenergiaa tailämpöäenergiaa. Kun mitat lämpötilaa, mittaat tämän tyyppisen energian keskimääräisen määrän.

Yleisimmät mekaanisen potentiaalienergiatyypit, joista saatat oppia, ovat:

• ​Gravitaatiopotentiaalienergia:Kohteeseen varastoitu energia sen sijainnin perusteella painovoimakentässä. Esimerkiksi korkealla maan yläpuolella pidetyllä pallolla on painovoimapotentiaalia. Vapautettuaan se putoaa seurauksena.
• ​Sähköpotentiaalienergia:Tämä on varattuun esineeseen varastoitu energia johtuen sen sijainnista sähkökentässä. Esimerkiksi piirin elektronit saavat tietyn määrän sähköpotentiaalienergiaa akun takia. Kun piiri on kytketty, tämä saa elektronit virtaamaan.
• ​Magneettinen potentiaalienergia:Tämä on energiaa, joka on varastoitu esineeseen, jolla on magneettinen momentti sen sijainnin vuoksi magneettikentässä. Harkitse, kun pidät kahta nappimagneettia lähellä toisiaan ja tunnet niiden vetävän; tämä johtuu magneettisesta potentiaalienergiasta.
• ​Joustava potentiaalienergia:Tämä on energiaa, joka on varastoitu joustavaan materiaaliin. Esimerkiksi venytetyllä kuminauhalla on varastoitua energiaa, samoin kuin puristetulla jousella. Kun jompikumpi vapautetaan, ne liikkuvat.

Mekaaninen kineettinen energia eroaa potentiaalienergiasta siinä, että se liittyy liikkeeseen, ja sitä on vain yksi muunnos. Yksinkertainen yhtälö antaa minkä tahansa massaobjektin kineettisen energianmliikkuu nopeastiv. Tuo on:

Mitä nopeammin esine liikkuu tai mitä suurempi se on, sitä enemmän kineettistä energiaa sillä on.

Kun esine, jolla on potentiaalista energiaa, vapautetaan ja sen annetaan liikkua vapaasti, se alkaa kiihtyä. Tämän seurauksena sen kineettinen energia kasvaa. Samanaikaisesti potentiaalinen energia vähenee. Nettona kohteen kokonaismekaaninen energia pysyy vakiona (olettaen, ettei kitkaa tai vastaavia voimia vaikuta), vain energia muuttuu.

Viimeisessä osassa esitettiin mekaanisen kineettisen energian yhtälö. On myös kaavoja erityyppisille potentiaalienergioille sekä yhtälöitä, jotka kuvaavat energian ja muiden fyysisten suureiden suhdetta.

Massan painovoimapotentiaalienergiamkorkeudellahmaan yläpuolella on:

Missäg= 9,8 m / s² on painovoimasta johtuva kiihtyvyys.

Latauksen sähköinen potentiaalienergiaqjännitteelläVon yksinkertaisesti:

lähteeseen varastoitu potentiaalinen energia antaa:

Missäkon jousivakio (vakio, joka riippuu jousen jäykkyydestä) jaΔxon määrä, jolla jousi puristetaan tai venytetään.

Lämpöenergian muutos (eli siirretty lämpöenergia) saadaan seuraavan yhtälön avulla:

MissäQon energiaa,mon massa,con ominaislämpökapasiteetti jaΔTon lämpötilan muutos yksikköinä Kelvin.

Fyysisellä määrätyöllä (määritelty voiman ja siirtymän tulona) on samat yksiköt kuin energialla (J tai Nm). Nämä kaksi suuruutta, työ ja kineettinen energia, liittyvät toisiinsa työkineettisen energian teoreeman kautta, jonka mukaan kohteen nettotyö on yhtä suuri kuin kohteen kineettisen energian muutos.

Perustavanlaatuinen luonnon tosiasia on, että energiaa ei voida luoda eikä tuhota. Tämä on tiivistetty energiansäästölaki. Tämän lain mukaan eristetyn järjestelmän kokonaisenergia pysyy vakiona.

Vaikka kokonaisenergia pysyy vakiona, se voi ja usein muuttaa muotoa. Potentiaali saattaa muuttua kineettiseksi, kineettinen voi muuttua lämpöenergiaksi ja niin edelleen. Mutta kokonaismäärä pysyy aina samana.

On tärkeää huomata, että tämä laki määrittelee eristetyn järjestelmän. Eristetty järjestelmä on sellainen, jossa se ei voi millään tavalla olla vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Ainoa mahdollisesti täysin eristetty järjestelmä maailmankaikkeudessa on, itse, maailmankaikkeus. On kuitenkin mahdollista tehdä monia järjestelmiä maapallolla, jotka ovat lähellä eristämistä (aivan kuten on mahdollista tehdä kitkasta merkityksetön, vaikka se ei koskaan ole 0.)

Energian muuntaminen voi tapahtua monin tavoin, yleensä varastoidusta energiasta, joka vapautuu jonkinlaisena kineettisenä energiana tai säteilevänä energiana.

Esimerkiksi kemiallinen energia voidaan vapauttaa kemiallisten reaktioiden aikana. Tällaisen reaktion aikana se muuttuu kemiallisesta potentiaalienergiasta johonkin muuhun muotoon, joka voi sisältää säteilyenergiaa tai lämpöenergiaa.

Ydinenergia vapautuu ydinreaktion aikana. Tässä on kuuluisa EinsteinE = mc²yhtälö tulee peliin (energia on yhtä suuri kuin massa kertaa valon nopeus neliössä). Ytimen massa, joka jakautuu erilleen energian vapauttamiseksi, on loppujen lopuksi hieman kevyempi Einsteinin kaavalla määritetyllä määrällä. Niin hullulta kuin miltä se kuulostaa, itse massaa voidaan pitää potentiaalisen energian muodossa.

Täällä maan päällä käytät todennäköisesti sähköenergiaa usein. Aina kun sytytät valon talossasi tai luet jotain elektroniselta näytöltä kuten olet juuri nyt, käytät sähköenergiaa. Mutta mistä tämä energia tulee?

Ilmeinen vastaus on paristot tai pistorasia, mutta mikä on todellinen ensisijainen lähde?

Akkujen kohdalla energia varastoidaan usein kemiallisesti akkukennoon, mutta monet elektroniset laitteet edellyttävät, että niiden akut ladataan kytkemällä ne pistorasiaan.

Energia, joka tulee talosi voimajohtojen kautta, tulee jonnekin voimalaitokselta. Voimalaitoksilla on monia erilaisia ​​tapoja kerätä energiaa ja muuttaa se sähköenergiaksi.

Joitakin yleisiä voimalaitosten keräämiä ja sähköksi muunnettavia energialähteitä ovat:

• ​Aurinkoenergia:Tämä on säteilevä energia, joka tulee auringosta ja jonka aurinkokennot voivat siepata.
• ​Maalämpö:Tämä on syvältä maasta löydetty lämpöenergia, joka voidaan sitten siirtää maan pinnalle käyttöä varten.
• ​Fossiiliset polttoaineet:Näihin kuuluvat hiili ja öljy, jotka poltetaan usein kemiallisiin sidoksiin varastoituneen energian vapauttamiseksi.
• ​Ydinenergia:Ydinvoimalat tuottavat energiaa hajottamalla atomiytimet ja hyödyntämällä ydinsidoksiin varastoitunutta energiaa.
• ​Hydroelektrinen energia:Tämä on energiaa, joka tulee gravitaatiopotentiaalienergiasta sekä virtaavan veden kineettisestä energiasta.
• ​Tuulivoima:Tuulienergian keräämiseksi käytetään jättimäisiä turbiineja. Tuuli kääntää turbiinit ja siirtää energiansa niihin.

Muistatko tämän artikkelin alussa, jossa mainittiin lauseet "Minulla ei vain ole energiaa tänään" ja "Niiden lasten on poltettava vähän energiaa"? Ihmiset käyttävät energiaa jatkuvasti, ei vain elektronisista laitteistaan. Sekä kehosi suuret liikkeet että pienet prosessit kehossasi edellyttävät energiaa.

Juoksu, vaellus, uinti tai jopa vain hampaiden harjoittaminen vie energiaa. Muistatko kineettisen energian? Kun liikkut, teet niin kineettisen energian kautta. Sen energian on oltava peräisin jostakin.

Monet kehossasi menevät näkymättömät prosessit vaativat myös energiaa, kuten hengitys, verenkierto, ruoansulatus ja niin edelleen.

Mistä ihmiset saavat energiansa? Ruoka, tietysti! Syömäsi ruoka on varastoinut siihen kemiallista energiaa. Kun tuo ruoka pääsee vatsaasi, mahahappo hajottaa ruoan ja varmasti ruoasta peräisin olevat molekyylit pääsevät kehosi kaikkiin tarvitsemiin paikkoihin energiaa. Sitten, kun tarve syntyy, energia saadaan pienellä kemiallisella reaktiolla.

Jos et syö koko päivän ja harrastat paljon juoksemista, kulutat paljon energiaa ja tunnet olevasi tyhjentynyt, kunnes syöt ja annat kehollesi enemmän tarvitsemasi.