Vjerojatno cijelo vrijeme koristite riječ energija u svom svakodnevnom životu, ali što ona zapravo znači? Koju fizičku količinu dobivate kad kažete stvari poput: "Danas jednostavno nemam energije" ili "Ta djeca trebaju izgarati malo energije"?
Kolokvijalna uporaba riječi možda će vam dati početni osjećaj što je energija, ali u ovom ćete članku to učiniti naučite kako fizičari definiraju energiju, naučite koje su različite vrste energije i pogledajte neke primjere uz put.
Definicija energije
Energija je sposobnost obavljanja posla ili izazivanja promjena. Razlikuje se od sile. Sila je stvar koja uzrokuje promjenu, dok se o energiji može razmišljati kao o poticaju sile. Potrebna je energija da bi se primijenila sila, a primjena sile na objekt često mu prenosi energiju.
SI jedinica energije je džul gdje je 1 džul = 1 njutn × 1 metar ili 1 kg⋅m2/ s2. Ostale jedinice uključuju kalorije, kilokalorije i kilovat-sate.
Vrste energije
Dva najtemeljnija oblika energije supotencijalna energijaikinetička energija
Znanstvenici obično razlikuju makroskopske i mikroskopske verzije ovih vrsta energije. Na primjer, potencijalna energija koji se pohranjuje zbog gravitacije ili zbog stlačene opruge naziva semehaničkipotencijalna energija. Ali predmeti mogu imati i drugačiju vrstu potencijalne energije pohranjene u vezama između molekula i između nukleona u atomskoj jezgri.
Mehanička kinetička energija je energija uslijed gibanja makroskopskog objekta. Ali unutar bilo kojeg predmeta, same molekule imaju vlastite kinetičke energije drugačijeg tipa.
Zbroj mehaničkog potencijala i kinetičke energije objekta naziva se njegovukupna mehanička energija. To nije isto što i ukupna energija objekta, što bi bio zbroj svih oblika njegove energije, uključujući toplinsku, kemijsku i tako dalje.
Vrsta potencijalne energije pohranjene u molekularnim vezama oblik je energije koji se nazivakemijskaenergije. Energija pohranjena u atomskim vezama ili nuklearnim vezama naziva seatomskaenergije ilinuklearnienergije.
Zove se kinetička energija koja postoji na molekularnoj razini zbog vibracija i kretanja molekulatoplinskaenergije ilitoplinaenergije. Kada mjerite temperaturu, mjerite prosječnu količinu ove vrste energije.
Mehanička potencijalna energija detaljnije
Najčešće vrste mehaničke potencijalne energije o kojima biste mogli naučiti uključuju:
- Gravitacijska potencijalna energija:Energija pohranjena u objektu na temelju njegovog smještaja u gravitacijskom polju. Na primjer, lopta koja se drži visoko iznad zemlje ima gravitacijsku potencijalnu energiju. Nakon puštanja, kao rezultat će pasti.
- Električna potencijalna energija:To je energija pohranjena u nabijenom objektu zbog svog položaja u električnom polju. Na primjer, elektroni u krugu postat će obdareni određenom količinom električne potencijalne energije zbog baterije. Kad je krug spojen, to uzrokuje protok elektrona.
- Magnetska potencijalna energija:To je energija pohranjena u objektu s magnetskim momentom zbog svog smještaja u magnetskom polju. Razmislite kad dva magneta s gumbom držite blizu jedan drugog i osjetite kako ih vuku; to je zbog magnetske potencijalne energije.
- Elastična potencijalna energija:To je energija pohranjena u elastičnom materijalu. Na primjer, razvučena gumena traka pohranjuje energiju, kao i stlačena opruga. Kad se bilo koji puste, pomaknut će se.
Mehanička kinetička energija detaljnije
Mehanička kinetička energija razlikuje se od potencijalne energije po tome što je povezana s kretanjem i dolazi u samo jednoj vrsti. Jednostavna jednadžba daje kinetičku energiju bilo kojeg predmeta masemkrećući se brzinomv. To je:
KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Što se objekt brže kreće ili je teži, to ima više kinetičke energije.
Kada se objekt koji ima potencijalnu energiju pusti i pusti mu se slobodno kretati, počet će ubrzavati. Kao rezultat, povećava se njegova kinetička energija. Istodobno se potencijalna energija smanjuje. U cjelini, ukupna mehanička energija predmeta ostaje konstantna (pod pretpostavkom da ne djeluju trenje ili slične sile), samo se energija mijenja u obliku.
Jednadžbe za energiju
U posljednjem dijelu predstavljena je jednadžba za mehaničku kinetičku energiju. Postoje i formule za različite vrste potencijalnih energija, kao i jednadžbe koje opisuju odnos između energije i drugih fizičkih veličina.
Gravitacijska potencijalna energija masemu visinihiznad Zemlje je:
PE_ {grav} = mgh
Gdjeg= 9,8 m / s2 je ubrzanje zbog gravitacije.
Električna potencijalna energija nabojaqpod naponomVje jednostavno:
PE_ {elec} = qV
The potencijalna energija pohranjena u izvoru daje:
PE_ {opruga} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Gdjekje konstanta opruge (konstanta koja ovisi o krutosti opruge) iΔxje količina za koju se opruga komprimira ili rasteže.
Promjena toplinske energije (odnosno prenesena toplinska energija) dana je sljedećom jednadžbom:
Q = mc \ Delta T
GdjePje energija,mje masa,cje specifični toplinski kapacitet iΔTje promjena temperature u jedinicama Kelvina.
Fizički količinski rad (definiran kao umnožak sile i pomaka) ima iste jedinice kao i energija (J ili Nm). Dvije veličine, rad i kinetička energija, povezane su putem teorema o radno-kinetičkoj energiji, koji kaže da je neto rad na objektu jednak promjeni kinetičke energije objekta.
Zakon o očuvanju energije
Temeljna činjenica prirode je da se energija ne može stvoriti niti uništiti. Ovo je sažeto u zakon očuvanja energije. Ovaj zakon kaže da ukupna energija izoliranog sustava ostaje konstantna.
Iako ukupna energija ostaje konstantna, ona može i često mijenja oblik. Potencijal bi se mogao promijeniti u kinetički, kinetički u toplotnu energiju i tako dalje. Ali ukupan iznos uvijek ostaje isti.
Važno je napomenuti da ovaj zakon utvrđuje izolirani sustav. Izolirani sustav je onaj u kojem ni na koji način ne može komunicirati sa svojom okolinom. Jedini moguće savršeno izolirani sustav u svemiru je, eto, sam svemir. Međutim, moguće je napraviti mnoge sustave na Zemlji koji su blizu izolacije (baš kao što je moguće trenje učiniti zanemarivim, čak i ako nikada nije 0.)
Pretvorba energije može se dogoditi na mnogo načina, obično iz uskladištene energije koja se oslobađa kao neka vrsta kinetičke energije ili kao energija zračenja.
Kemijska energija, na primjer, može se osloboditi tijekom kemijskih reakcija. Tijekom takve reakcije ona se iz kemijske potencijalne energije mijenja u neki drugi oblik, koji može uključivati energiju zračenja ili toplinsku energiju.
Nuklearna energija se oslobađa tijekom nuklearne reakcije. Ovdje je Einsteinova poznataE = mc2u obzir dolazi jednadžba (energija je jednaka masi pomnoženoj s brzinom svjetlosti na kvadrat). Masa jezgre koja se razdvoji da bi oslobodila energiju bit će na kraju nešto lakša za količinu određenu Einsteinovom formulom. Koliko god zvučalo ludo, sama masa se može smatrati oblikom potencijalne energije.
Izvori korisne električne energije na Zemlji
Ovdje na Zemlji vjerojatno često koristite električnu energiju. Svaki put kad u svojoj kući upalite svjetlo ili pročitate nešto s elektroničkog zaslona kao što ste sada, koristite električnu energiju. Ali odakle dolazi ova energija?
Očiti su odgovor baterije ili zidna utičnica, ali koji je stvarni primarni izvor?
Što se tiče baterija, energija se često kemijski pohranjuje u baterijskoj ćeliji, ali mnogi elektronički uređaji zahtijevaju da se baterije napune spajanjem na zidnu utičnicu.
Energija koja u vašu kuću dolazi putem dalekovoda potječe iz negdje elektrane. Elektrane imaju mnogo različitih načina sakupljanja energije i pretvaranja u električnu energiju.
Neki uobičajeni izvori energije koje elektrane sakupljaju i pretvaraju u električnu energiju uključuju:
- Solarna energija:Ovo je zračna energija koja dolazi od sunca i koju solarne stanice mogu zarobiti.
- Geotermalna energija:To je toplinska energija koja se nalazi duboko u tlu i koja se zatim može prenijeti na površinu Zemlje radi korištenja.
- Fosilna goriva:Tu spadaju ugljen i nafta, koji se često izgaraju kako bi se oslobodila energija pohranjena u kemijskim vezama.
- Nuklearna energija:Nuklearne elektrane generiraju energiju razbijanjem atomskih jezgri i iskorištavanjem energije koja je bila uskladištena u nuklearnim vezama.
- Hidroelektrična energija:To je energija koja dolazi iz gravitacijske potencijalne energije kao i kinetička energija u tekućoj vodi.
- Energija vjetra:Za sakupljanje energije vjetra koriste se divovske turbine. Vjetar okreće turbine, prenoseći na njih svoju energiju.
Energija u ljudskom tijelu
Sjećate se još na početku ovog članka gdje su se spominjale fraze: "Danas jednostavno nemam energije" i "Ta djeca trebaju izgarati malo energije"? Ljudi se stalno koriste energijom, i to ne samo iz svojih elektroničkih uređaja. I veliki pokreti vašeg tijela i mali procesi u vašem tijelu zahtijevaju energiju.
Potrebna je energija za trčanje, planinarenje, plivanje ili čak samo pranje zuba. Sjećate se kinetičke energije? Kad se krećete, to činite putem kinetičke energije. Ta energija mora doći odnekud.
Mnogi nevidljivi procesi koji se odvijaju u vašem tijelu također zahtijevaju energiju, poput disanja, cirkulacije krvi, probave i tako dalje.
Odakle ljudi crpe energiju? Hrana, naravno! Hrana koju jedete u sebi ima pohranjenu kemijsku energiju. Kad ta hrana uđe u vaš želudac, želučana kiselina razgrađuje hranu i to sigurno molekule iz hrane probijaju se do svih različitih mjesta u vašem tijelu koja bi mogla zatrebati energije. Tada se, kad se za tim ukaže potreba, energija dobiva malom kemijskom reakcijom.
Sad, ako ne jedete cijeli dan i ne trčite puno, trošite puno energije i osjećat ćete se "iscrpljeno" dok ne pojedete i pružite svom tijelu više od onoga što mu treba.