מהי אנרגיה בפיזיקה? (w / נוסחה ודוגמאות)

אתה בטח משתמש במילה אנרגיה בחיי היומיום שלך כל הזמן, אבל מה זה באמת אומר? באיזו כמות פיזית אתה מגיע כשאתה אומר דברים כמו, "פשוט אין לי אנרגיה היום", או, "הילדים האלה צריכים לשרוף קצת אנרגיה"?

השימוש המלה במילה עשוי לתת לך תחושה ראשונית מהי אנרגיה, אך במאמר זה תעשה זאת ללמוד כיצד פיזיקאים מגדירים אנרגיה, ללמוד מהם סוגי האנרגיה השונים ולראות כמה דוגמאות לאורך דֶרֶך.

אנרגיה היא היכולת לעשות עבודה או לגרום לשינוי. זה שונה מכוח. כוח הוא הדבר שגורם לשינוי, ואילו ניתן לחשוב על אנרגיה כעל הדחף שמאחורי הכוח. זה לוקח אנרגיה על מנת להפעיל כוח, והפעלת כוח על עצם מעבירה אליו לעיתים קרובות אנרגיה.

יחידת האנרגיה SI היא הג'אול כאשר 1 ג'ול = 1 ניוטון × מטר אחד או 1 קג"מ²/ s². יחידות אחרות כוללות קלוריות, קילוריות וקילוואט שעות.

שתי צורות האנרגיה הבסיסיות ביותר הןאנרגיה פוטנציאליתואנרגיה קינטית. אנרגיה פוטנציאלית מאוחסנת אנרגיה ואילו אנרגיה קינטית היא אנרגיית התנועה.

מדענים מבדילים בדרך כלל בין גרסאות מקרוסקופיות למיקרוסקופיות מסוגי אנרגיה אלה. לדוגמה, אנרגיה פוטנציאלית שמאוחסן בגלל כוח המשיכה או בגלל קפיץ דחוס נקרא

אנרגיה קינטית מכנית היא האנרגיה הנובעת מתנועה של אובייקט מקרוסקופי. אך בתוך כל אובייקט, למולקולות עצמן יש אנרגיות קינטיות משלהן מסוג אחר.

סכום הפוטנציאל המכני של האובייקט והאנרגיה הקינטית שלו נקרא שלואנרגיה מכנית כוללת. זה לא זהה לאנרגיה הכוללת של האובייקט, שתהווה את הסכום של כל צורות האנרגיה שלו, כולל תרמי, כימי וכן הלאה.

סוג האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת בקשרים מולקולריים היא סוג של אנרגיה הנקראתכִּימִיאֵנֶרְגִיָה. אנרגיה המאוחסנת בקשרים אטומיים או בקשרים גרעיניים נקראתאָטוֹמִיאנרגיה אוגַרעִינִיאֵנֶרְגִיָה.

אנרגיה קינטית הקיימת ברמה המולקולרית עקב התנודות והתנועות של מולקולות נקראתתֶרמִיאנרגיה אוחוֹםאֵנֶרְגִיָה. כאשר אתה מודד טמפרטורה, אתה מודד את הכמות הממוצעת של סוג זה של אנרגיה.

הסוגים הנפוצים ביותר של אנרגיה פוטנציאלית מכנית שעליהם תוכלו ללמוד כוללים:

• ​אנגריה פוטנציאלית של כוח המשיכה:האנרגיה המאוחסנת באובייקט על סמך מיקומו בשדה כוח משיכה. לדוגמא, לכדור המונח גבוה מעל כדור הארץ יש אנרגיה פוטנציאלית של כוח משיכה. לאחר שחרורו, הוא יירד כתוצאה מכך.
• ​אנרגיה פוטנציאלית חשמלית:זו האנרגיה השמורה באובייקט טעון בשל מיקומו בשדה חשמלי. לדוגמא, האלקטרונים במעגל יקבלו כמות מסוימת של אנרגיה פוטנציאלית חשמלית עקב הסוללה. כאשר המעגל מחובר זה גורם לאלקטרונים לזרום.
• ​אנרגיה פוטנציאלית מגנטית:זו אנרגיה המאוחסנת באובייקט עם מומנט מגנטי בשל מיקומו בשדה מגנטי. שקול כשאתה מחזיק שני מגנטים של כפתורים אחד ליד השני ואתה מרגיש שהם מושכים; זאת בגלל האנרגיה הפוטנציאלית המגנטית.
• ​אנרגיה אלסטית פוטנציאלית:זו אנרגיה המאוחסנת בחומר אלסטי. לדוגמא, רצועת גומי מתוחה מאחסנת אנרגיה וכך גם קפיץ דחוס. כאשר אחד מהם ישוחרר, הם יעברו.

אנרגיה קינטית מכנית שונה מאנרגיה פוטנציאלית בכך שהיא קשורה לתנועה והיא מגיעה במגוון אחד בלבד. משוואה פשוטה נותנת את האנרגיה הקינטית של כל אובייקט מסהMנע במהירותv. זה:

ככל שאובייקט נע מהר יותר או שהוא כבד יותר, כך יש לו יותר אנרגיה קינטית.

כאשר עצם שיש לו אנרגיה פוטנציאלית משתחרר ומאפשר לנוע בחופשיות, הוא יתחיל להאיץ. כתוצאה מכך האנרגיה הקינטית שלה עולה. במקביל, האנרגיה הפוטנציאלית פוחתת. ברשת, האנרגיה המכנית הכוללת של האובייקט נשארת קבועה (בהנחה שלא פועלים חיכוכים או כוחות דומים), פשוט האנרגיה משנה את צורה.

בחלק האחרון הוצגה המשוואה לאנרגיה קינטית מכנית. ישנן גם נוסחאות לסוגים שונים של אנרגיות פוטנציאליות וכן למשוואות המתארות את הקשר בין אנרגיה לכמויות פיזיקליות אחרות.

אנרגיית הכבידה הפוטנציאלית של המסהMבגובהחמעל כדור הארץ הוא:

איפהז= 9.8 מ 'לשנייה² היא התאוצה בגלל כוח המשיכה.

האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטעןשבמתחוזה פשוט:

ה אנרגיה פוטנציאלית המאוחסנת במעיין ניתן ע"י:

איפהkהאם ה אביב קבוע (קבוע שתלוי בקשיחות הקפיץ) וΔxהוא הכמות בה נדחס או נמתח הקפיץ.

שינוי אנרגיה תרמית (המכונה גם אנרגיית חום המועברת) ניתן על ידי המשוואה הבאה:

איפהשהאם האנרגיה,Mהאם המסה,גהוא קיבולת החום הספציפית ו-ΔTהוא שינוי הטמפרטורה ביחידות קלווין.

לעבודת הכמות הפיזית (המוגדרת כתוצר של כוח ותזוזה) יש יחידות זהות לאנרגיה (J או Nm). שני הכמויות, העבודה והאנרגיה הקינטית, קשורים באמצעות משפט האנרגיה העבודה-קינטית, הקובע שהעבודה נטו על אובייקט שווה לשינוי באנרגיה הקינטית של האובייקט.

עובדה מהותית של הטבע היא שלא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה. זה מסוכם ב חוק שימור האנרגיה. חוק זה קובע כי האנרגיה הכוללת של מערכת מבודדת נותרת קבועה.

בעוד שהאנרגיה הכוללת נשארת קבועה, היא יכולה ולעתים קרובות משנה צורה. פוטנציאל עשוי להשתנות לקינטית, קינטי עשוי להשתנות לאנרגיה תרמית וכן הלאה. אבל הסכום הכולל תמיד נשאר זהה.

חשוב לציין כי חוק זה מציין מערכת מבודדת. מערכת מבודדת היא מערכת שבה אין אפשרות ליצור אינטראקציה עם סביבתה. המערכת היחידה המבודדת באופן מושלם ביקום היא, ובכן, היקום עצמו. עם זאת, ניתן ליצור מערכות רבות על פני כדור הארץ הקרובות לבידוד (בדיוק כפי שאפשר להפוך את החיכוך לזניח, גם אם הוא לעולם אינו 0.)

המרת אנרגיה יכולה לקרות במובנים רבים, בדרך כלל מאנרגיה מאוחסנת שמשתחררת כאנרגיה קינטית כלשהי או כאנרגיה קורנת.

אנרגיה כימית, למשל, יכולה להשתחרר במהלך תגובות כימיות. במהלך תגובה כזו היא עוברת מאנרגיה פוטנציאלית כימית לצורה אחרת כלשהי, אשר עשויה לכלול אנרגיה קורנת או אנרגיית חום.

אנרגיה גרעינית משתחררת במהלך תגובה גרעינית. כאן מפורסם איינשטייןE = mc²משוואה נכנסת לשחק (אנרגיה שווה למסה כפול מהירות האור בריבוע). המסה של גרעין המתפצל לשחרור אנרגיה תהיה מעט קלה יותר בסופו של דבר בכמות הנקבעת על ידי הנוסחה של איינשטיין. עד כמה שזה נשמע מטורף, המסה עצמה יכולה להיחשב כצורה של אנרגיה פוטנציאלית.

כאן על כדור הארץ, סביר להניח שאתה משתמש באנרגיה חשמלית לעיתים קרובות. בכל פעם שאתה מדליק אור בבית שלך או קורא משהו ממסך אלקטרוני כמו שאתה נמצא כרגע, אתה משתמש באנרגיה חשמלית. אך מאיפה האנרגיה הזו?

התשובה הברורה היא סוללות או שקע בקיר, אך מהו המקור העיקרי בפועל?

כשמדובר בסוללות, אנרגיה מאוחסנת לעיתים קרובות כימית בתא סוללה, אך מכשירים אלקטרוניים רבים דורשים טעינת סוללותיהם באמצעות חיבורם לשקע בקיר.

האנרגיה שמגיעה לביתך באמצעות קווי חשמל מקורם בתחנת כוח אי שם. לתחנות כוח יש דרכים רבות ושונות לקצור אנרגיה ולהפוך אותה לאנרגיה חשמלית.

כמה מקורות אנרגיה נפוצים שנקטפו על ידי תחנות כוח והוסבו לחשמל כוללים:

• ​אנרגיה סולארית:זו אנרגיה קורנת שמגיעה מהשמש וניתן לתפוס אותה על ידי תאים סולאריים.
• ​אנרגיה גיאותרמית:זו אנרגיה תרמית שנמצאת עמוק באדמה שאותה ניתן להעביר אל פני כדור הארץ לשימוש.
• ​דלקים מאובנים:אלה כוללים פחם ושמן, אשר נשרפים לעיתים קרובות כדי לשחרר אנרגיה המאוחסנת בקשרים כימיים.
• ​אנרגיה גרעינית:תחנות כוח גרעיניות מייצרות אנרגיה על ידי פירוק גרעיני אטום ורתמת האנרגיה שאוחסנה בקשרים הגרעיניים.
• ​אנרגיה הידרואלקטית:זו אנרגיה שמקורה באנרגיה פוטנציאלית כבידתית וכן באנרגיה קינטית במים זורמים.
• ​אנרגיית רוח:לקטיף אנרגיית רוח משתמשים בטורבינות ענק. הרוח מסובבת את הטורבינות ומעבירה אליהן את האנרגיה שלה.

זכור עוד בתחילת המאמר שבו הוזכרו המשפטים, "פשוט אין לי אנרגיה היום", ו"הילדים האלה צריכים לשרוף קצת אנרגיה "? בני אדם משתמשים באנרגיה כל הזמן, ולא רק במכשירים האלקטרוניים שלהם. הן התנועות הגדולות של גופך והן התהליכים הקטנים בגופך דורשים אנרגיה.

נדרש אנרגיה כדי לרוץ, לטייל, לשחות או אפילו סתם לצחצח שיניים. זוכרים אנרגיה קינטית? כשאתה נע, אתה עושה זאת באמצעות אנרגיה קינטית. האנרגיה הזו צריכה להגיע מאיפה שהוא.

הרבה תהליכים בלתי נראים המתרחשים בגופך דורשים גם אנרגיה, כגון נשימה, מחזור הדם, עיכול וכן הלאה.

מהיכן שואבים בני האדם את האנרגיה שלהם? אוכל, כמובן! המזון שאתם אוכלים אוגר בתוכו אנרגיה כימית. כאשר אוכל זה עושה את דרכו לבטן שלך, חומצת הקיבה שלך מפרקת את האוכל, ובטוח מולקולות מהאוכל עושות את דרכן לכל המקומות השונים בגופך שעשויים להזדקק להם אֵנֶרְגִיָה. ואז, כאשר עולה הצורך, אנרגיה מתקבלת באמצעות תגובה כימית קטנה.

עכשיו, אם אתה לא אוכל כל היום ועושה הרבה התרוצצויות, אתה מוציא הרבה אנרגיה ותרגיש "סחוט" עד שאתה אוכל ומספק לגופך יותר ממה שהוא צריך.