Valószínűleg állandóan az energia szót használja mindennapjaiban, de mit is jelent valójában? Milyen fizikai mennyiséget ér el, amikor ilyesmit mond: „Ma egyszerűen nincs energiám” vagy „Azoknak a gyerekeknek elégetniük kell egy kis energiát”?
A szó köznyelvi használata megismerheti az energiát, de ebben a cikkben megteszi megtanulják, hogy a fizikusok hogyan definiálják az energiát, megtudják, mi az energia különféle típusai, és nézzünk meg néhány példát a mentén út.
Az energia meghatározása
Az energia a munka elvégzésére vagy a változás okozására való képesség. Ez különbözik egy erőtől. Erő az a dolog, amely a változást okozza, míg az energia az erő mögötti lendületnek tekinthető. Erőre van szükség ahhoz, hogy erőhöz jusson, és egy tárgyra való erő alkalmazása gyakran energiát visz át rá.
Az SI energiaegysége a joule, ahol 1 joule = 1 newton × 1 méter vagy 1 kg⋅m2/ s2. Egyéb egységek a kalória, a kilokalória és a kilowattóra.
Energiatípusok
Az energia két legalapvetőbb formájahelyzeti energia
A tudósok általában különbséget tesznek ezen energiatípusok makroszkopikus és mikroszkopikus változatai között. Például, helyzeti energia amelyet gravitáció vagy összenyomott rugó miatt tárolnakmechanikaihelyzeti energia. De a tárgyak más típusú potenciális energiát is tárolhatnak a molekulák közötti és az atommag nukleonjai közötti kötésekben.
A mechanikai kinetikus energia a makroszkopikus tárgy mozgásának köszönhető energia. De bármely tárgy belsejében maguknak a molekuláknak is megvan a maguk különböző típusú kinetikus energiája.
A tárgy mechanikai potenciáljának és mozgási energiájának összegét annak nevezzükteljes mechanikai energia. Ez nem azonos az objektum teljes energiájával, amely minden energiájának összege, beleértve a termikus, kémiai és így tovább.
A molekuláris kötésekben tárolt potenciális energia típusa az únkémiaienergia. Az atomkötésekben vagy az atomkötésekben tárolt energiát nevezzükatomenergia vagynukleárisenergia.
Kinetikus energiát nevezünk, amely molekuláris szinten létezik a molekulák rezgései és mozgásai miatttermikusenergia vagyhőenergia. A hőmérséklet mérésekor az ilyen típusú energia átlagos mennyiségét méri.
Mechanikus potenciális energia részletesebben
A mechanikai potenciális energia leggyakoribb típusai, amelyekről megismerheti a következőket:
- Gravitációs potenciális energia:Az objektumban tárolt energia a gravitációs mezőben való elhelyezkedése alapján. Például egy magasan a föld felett tartott golyó gravitációs potenciállal rendelkezik. Kiadáskor ennek következtében csökken.
- Elektromos potenciálenergia:Ez az az energia, amelyet egy töltött tárgy tárol az elektromos mezőben való elhelyezkedése miatt. Például az áramkörben lévő elektronok bizonyos mennyiségű elektromos potenciállal rendelkeznek az akkumulátor hatására. Az áramkör csatlakoztatásakor ez az elektronok áramlását okozza.
- Mágneses potenciálenergia:Ez egy tárgyban tárolt energia, amelynek mágneses nyomatéka van a mágneses mezőben való elhelyezkedése miatt. Fontolja meg, amikor két gombmágnest tart egymás közelében, és úgy érzi, hogy megrándulnak; ez a mágneses potenciális energia miatt van.
- Rugalmas potenciális energia:Ez egy rugalmas anyagban tárolt energia. Például egy kifeszített gumiszalag energiát tárol, csakúgy, mint egy összenyomott rugó. Amikor bármelyiket elengedik, elmozdulnak.
Mechanikai kinetikus energia részletesebben
A mechanikai mozgási energia abban különbözik a potenciális energiától, hogy a mozgáshoz kapcsolódik, és csak egy változatban van. Egy egyszerű egyenlet megadja a tömeg bármely objektumának mozgási energiájátmsebességgel haladvav. Vagyis:
KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Minél gyorsabban mozog egy tárgy, vagy annál nehezebb, annál nagyobb a mozgási energiája.
Amikor egy tárgy, amelynek potenciális energiája van, felszabadul és hagyják szabadon mozogni, akkor gyorsulni kezd. Ennek eredményeként kinetikus energiája növekszik. Ugyanakkor a potenciális energia csökken. Hálózatban a tárgy teljes mechanikai energiája állandó marad (feltételezve, hogy súrlódás vagy hasonló erők nem hatnak), csak az energiaváltozások alakulnak ki.
Energiaegyenletek
Az utolsó részben a mechanikai mozgási energia egyenletét vezettük be. Képletek léteznek a potenciális energiák különféle típusaira, valamint egyenletek, amelyek leírják az energia és más fizikai mennyiségek közötti kapcsolatot.
A tömeg gravitációs potenciális energiájama magasságbanha Föld felett van:
PE_ {grav} = mgh
Holg= 9,8 m / s2 a gravitáció miatti gyorsulás.
A töltés elektromos potenciális energiájaqfeszültségenVegyszerűen:
PE_ {elec} = qV
A egy forrásban tárolt potenciális energia által adva:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Holkaz a rugóállandó (a rugó merevségétől függő állandó) ésΔxaz az összeg, amellyel a rugót összenyomják vagy kinyújtják.
A hőenergia-változást (más néven átvitt hőenergiát) a következő egyenlet adja meg:
Q = mc \ Delta T
HolQaz energia,ma tömeg,ca fajlagos hőteljesítmény ésΔTa hőmérséklet változása Kelvin egységben.
A fizikai mennyiségi munka (amelyet az erő és az elmozdulás szorzataként határozunk meg) ugyanazok az egységek, mint az energia (J vagy Nm). A két mennyiség, a munka és a kinetikus energia, a munka-kinetikus energia tételen keresztül kapcsolódik egymáshoz, amely kimondja, hogy a tárgy nettó munkája megegyezik az objektum mozgási energiájának változásával.
Az energiatakarékosság törvénye
A természet alapvető ténye, hogy az energiát sem nem lehet létrehozni, sem megsemmisíteni. Ezt foglalja össze a az energiatakarékosság törvénye. Ez a törvény kimondja, hogy egy elszigetelt rendszer teljes energiája állandó marad.
Míg a teljes energia állandó marad, változhat és gyakran változik is. A potenciál kinetikussá válhat, a kinetikus hőenergiává és így tovább. De a teljes összeg mindig ugyanaz marad.
Fontos megjegyezni, hogy ez a törvény egy elszigetelt rendszert határoz meg. Az elszigetelt rendszer az, amely semmilyen módon nem léphet kapcsolatba a környezetével. Az univerzum egyetlen, tökéletesen izolált rendszere maga a világegyetem. A Földön azonban sok olyan rendszert lehet készíteni, amely közel van az elszigeteltséghez (ahogyan a súrlódást is elhanyagolhatóvá lehet tenni, még akkor is, ha az soha nem 0).
Az energiaátalakítás sokféleképpen történhet, általában abból, hogy a tárolt energia valamilyen kinetikus energiaként vagy sugárzó energiaként szabadul fel.
A kémiai energia például kémiai reakciók során felszabadulhat. Egy ilyen reakció során a kémiai potenciális energiáról valamilyen más formára változik, amely magában foglalhatja a sugárzó energiát vagy a hőenergiát.
A nukleáris energia felszabadul egy nukleáris reakció során. Einstein híresE = mc2egyenlet lép életbe (az energia megegyezik a tömeg négyzetének a fénysebességének szorzatával). Az energia felszabadulására széthasadó mag tömege végül kissé könnyebb lesz egy Einstein-képlettel meghatározott mennyiséggel. Bármilyen őrültnek hangzik is, maga a tömeg a potenciális energia egyik formájának tekinthető.
A Földön használható elektromos energia forrásai
Itt a Földön valószínűleg gyakran használ elektromos energiát. Minden alkalommal, amikor bekapcsol egy villanyt a házában, vagy elolvas valamit az elektronikus képernyőről, mint most, elektromos energiát használ. De honnan származik ez az energia?
A kézenfekvő válasz az elemek vagy a fali aljzat, de mi a tényleges elsődleges forrás?
Az elemekkel kapcsolatban az energiát gyakran vegyileg tárolják az elemcellában, de sok elektronikus eszköz megköveteli, hogy az akkumulátorokat feltöltsék a fali aljzathoz csatlakoztatva.
Az energia, amely az elektromos vezetéken keresztül érkezik a házába, valahol egy erőműből származik. Az erőműveknek sokféle módja van az energia összegyűjtésére és elektromos energiává alakítására.
Néhány általános erőforrás, amelyet az erőművek gyűjtöttek és villamos energiává alakítottak:
- Napenergia:Ez egy sugárzó energia, amely a napból származik, és amelyet a napelemek meg tudnak fogni.
- Geotermikus energia:Ez a föld mélyén található hőenergia, amelyet aztán felhasználás céljából át lehet vinni a Föld felszínére.
- Fosszilis tüzelőanyagok:Ide tartozik a szén és az olaj, amelyeket gyakran elégetnek a kémiai kötésekben tárolt energia felszabadítása érdekében.
- Nukleáris energia:Az atomerőművek energiát termelnek az atommagok szétbontásával és az atomkötésekben tárolt energia hasznosításával.
- Hidroelektromos energia:Ez olyan energia, amely a gravitációs potenciál energiájából, valamint az áramló víz mozgási energiájából származik.
- Szélenergia:A szélenergia betakarításához óriási turbinákat használnak. A szél megforgatja a turbinákat, energiáját rájuk továbbítja.
Energia az emberi testben
Emlékezz vissza a cikk elejére, ahol a „Csak nincs energiám ma” és „Azoknak a gyerekeknek elégetniük kell energiát” kifejezéseket említették? Az emberek folyamatosan használják az energiát, és nem csak elektronikus eszközeikből. A test nagy mozgásai és a testen belüli apró folyamatok is energiát igényelnek.
Energia kell a futáshoz, kiránduláshoz, úszáshoz vagy akár csak a fogmosáshoz. Emlékszel a mozgási energiára? Amikor mozog, akkor ezt mozgási energián keresztül teszi. Ennek az energiának valahonnan kell származnia.
A testében zajló sok láthatatlan folyamat szintén energiát igényel, például légzés, vér keringése, emésztés stb.
Az emberek honnan veszik energiájukat? Étel, természetesen! Az elfogyasztott étel kémiai energiát tárolt benne. Amikor ez az étel bejut a gyomrába, a gyomorsav lebontja az ételt, és bizonyos az ételből származó molekulák eljutnak a test minden különböző helyére, amelyre szükség lehet energia. Ezután, amikor felmerül a szükség, egy kémiai reakció révén energiát nyerünk.
Most, ha nem eszik egész nap, és rengeteget futkározik, rengeteg energiát költenek, és addig "lemerültnek" érezzük magunkat, amíg meg nem eszik, és ellátják a testet azzal, amire szüksége van.