日常生活の中でエネルギーという言葉をいつも使っていると思いますが、本当はどういう意味ですか？ 「今日はエネルギーがない」、「子供たちはエネルギーを燃やす必要がある」などと言うと、どのくらいの物理量が得られますか？
言葉の口語的な使用はあなたにエネルギーが何であるかについての最初の感覚を与えるかもしれません、しかしこの記事ではあなたは 物理学者がエネルギーをどのように定義するかを学び、さまざまな種類のエネルギーが何であるかを学び、それに沿っていくつかの例を見てください 仕方。
エネルギーの定義
エネルギーとは、仕事をしたり、変化を引き起こしたりする能力です。 力とは違います。 力は変化を引き起こすものですが、エネルギーは力の背後にある推進力と考えることができます。 力を加えるにはエネルギーが必要であり、物体に力を加えるとエネルギーが伝達されることがよくあります。
エネルギーのSI単位は、1ジュール= 1ニュートン×1メートルまたは1kg・mのジュールです。2/ s2. その他の単位には、カロリー、キロカロリー、キロワット時が含まれます。
エネルギーの種類
エネルギーの2つの最も基本的な形態は次のとおりです。位置エネルギーそして運動エネルギー. 位置エネルギーは蓄積されたエネルギーであり、運動エネルギーは運動のエネルギーです。
科学者は通常、これらのエネルギータイプの巨視的バージョンと微視的バージョンを区別します。 例えば、 位置エネルギー 重力または圧縮されたばねによって保存されるものは、機械的位置エネルギー。 しかし、オブジェクトは、分子間および原子核内の核子間の結合に蓄積された異なるタイプの位置エネルギーを持つこともできます。
機械的運動エネルギーは、巨視的な物体の動きによるエネルギーです。 しかし、オブジェクトの内部では、分子自体が異なるタイプの独自の運動エネルギーを持っています。
オブジェクトの機械的ポテンシャルと運動エネルギーの合計は、総力学的エネルギー. これは、オブジェクトの総エネルギーと同じではありません。これは、熱、化学など、あらゆる形態のエネルギーの合計になります。
分子結合に蓄えられる位置エネルギーの種類は、化学薬品エネルギー。 原子結合または核結合に蓄えられたエネルギーはアトミックエネルギーまたは核エネルギー。
分子の振動や運動によって分子レベルで存在する運動エネルギーは、熱のエネルギーまたは熱エネルギー。 温度を測定するときは、このタイプのエネルギーの平均量を測定しています。
機械的ポテンシャルエネルギーの詳細
あなたが学ぶかもしれない最も一般的なタイプの機械的ポテンシャルエネルギーは次のとおりです。
- 重力ポテンシャルエネルギー:重力場内の位置に基づいてオブジェクトに蓄積されるエネルギー。 たとえば、地球の上方に保持されているボールには、重力ポテンシャルエネルギーがあります。 リリースされると、結果としてドロップします。
- 電位エネルギー：これは、電界内での位置によって帯電した物体に蓄積されるエネルギーです。 たとえば、回路内の電子は、バッテリーによって一定量の電位エネルギーを与えられます。 回路が接続されると、これにより電子が流れます。
- 磁気ポテンシャルエネルギー：これは、磁場内にあるために磁気モーメントを持って物体に蓄えられるエネルギーです。 2つのボタン磁石を互いに近くに持っていて、それらが引っ張られていると感じるときを考えてみてください。 これは、磁気ポテンシャルエネルギーによるものです。
- 弾性ポテンシャルエネルギー:これは、弾性材料に蓄えられたエネルギーです。 たとえば、引き伸ばされた輪ゴムは、圧縮されたばねと同様にエネルギーを蓄えています。 どちらかが解放されると、それらは移動します。
機械的運動エネルギーの詳細
機械的運動エネルギーは、運動に関連しているという点で位置エネルギーとは異なり、1つの種類しかありません。 簡単な方程式は、質量の任意のオブジェクトの運動エネルギーを与えますmスピードで動くv. あれは：
KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2
オブジェクトの移動速度が速いほど、またはオブジェクトが重いほど、運動エネルギーは大きくなります。
位置エネルギーを持っている物体が解放され、自由に動くことができるようになると、それは加速し始めます。 その結果、その運動エネルギーが増加します。 同時に、位置エネルギーが減少します。 ネットでは、オブジェクトの総力学的エネルギーは一定のままであり（摩擦や同様の力が作用しないと仮定）、エネルギーが形を変えるだけです。
エネルギーの方程式
最後のセクションでは、機械的運動エネルギーの方程式を紹介しました。 さまざまな種類の位置エネルギーの公式や、エネルギーと他の物理量の関係を説明する方程式もあります。
質量の重力ポテンシャルエネルギーm高さでh地球上は：
PE_ {grav} = mgh
どこg= 9.8 m / s2 重力による加速度です。
電荷のポテンシャルエネルギーq電圧でV単純です：
PE_ {elec} = qV
ザ・ ばねに蓄えられた位置エネルギー によって与えられます：
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
どこkそれは バネ定数 （ばねの剛性に依存する定数）およびΔxばねが圧縮または伸長される量です。
熱エネルギーの変化（熱エネルギーの伝達）は、次の式で与えられます。
Q = mc \ Delta T
どこQエネルギーです、m質量です、c比熱容量とΔTケルビン単位の温度変化です。
物理量の仕事（力と変位の積として定義される）は、エネルギーと同じ単位（JまたはNm）を持ちます。 仕事と運動エネルギーの2つの量は、仕事運動エネルギー定理によって関連付けられます。この定理は、オブジェクトのネットワークがオブジェクトの運動エネルギーの変化に等しいことを示しています。
エネルギー保存の法則
自然の基本的な事実は、エネルギーは生成も破壊もできないということです。 これはに要約されています エネルギー保存の法則. この法則は、孤立したシステムの総エネルギーは一定のままであると述べています。
総エネルギーは一定のままですが、形が変わる可能性があります。 ポテンシャルは運動エネルギーに変化する可能性があり、運動エネルギーは熱エネルギーに変化する可能性があります。 ただし、合計金額は常に同じです。
この法律は分離されたシステムを指定していることに注意することが重要です。 孤立したシステムとは、周囲と相互作用することができないシステムです。 宇宙でおそらく完全に孤立している唯一のシステムは、まあ、宇宙そのものです。 ただし、地球上で孤立に近い多くのシステムを作成することは可能です（摩擦が0にならない場合でも、摩擦を無視できるようにすることができるのと同じです）。
エネルギー変換は多くの方法で発生する可能性があり、通常、蓄積されたエネルギーが何らかの運動エネルギーまたは放射エネルギーとして放出されることから発生します。
たとえば、化学エネルギーは化学反応中に放出される可能性があります。 そのような反応の間に、それは化学ポテンシャルエネルギーから放射エネルギーまたは熱エネルギーを含むかもしれない他の形に変化します。
原子力エネルギーは、核反応中に放出されます。 これはアインシュタインの有名な場所ですE = mc2方程式が作用します（エネルギーは質量に光速の2乗を掛けたものに等しくなります）。 エネルギーを放出するために分裂する原子核の質量は、アインシュタインの公式によって決定される量だけ、最終的にはわずかに軽くなります。 狂ったように聞こえますが、質量自体は位置エネルギーの一形態と見なすことができます。
地球上の使用可能な電気エネルギーの源
ここ地球では、電気エネルギーを頻繁に使用する可能性があります。 家の電気をつけたり、今のように電子画面から何かを読んだりするたびに、電気エネルギーを使用しています。 しかし、このエネルギーはどこから来るのでしょうか？
明白な答えは電池または壁のコンセントですが、実際の一次資料は何ですか？
バッテリーに関しては、エネルギーはバッテリーセルに化学的に蓄えられることがよくありますが、多くの電子機器では、壁のコンセントに接続してバッテリーを充電する必要があります。
電力線を介してあなたの家に来るエネルギーは、どこかの発電所から発生します。 発電所には、エネルギーを収穫して電気エネルギーに変換するさまざまな方法があります。
発電所で収穫され、電気に変換される一般的なエネルギー源には、次のものがあります。
- 太陽光エネルギー：これは太陽から来る放射エネルギーであり、太陽電池によって捕らえることができます。
- 地熱エネルギー：これは地中深くに見られる熱エネルギーであり、地球の表面に伝達して使用することができます。
- 化石燃料：これらには石炭や石油が含まれ、化学結合に蓄えられたエネルギーを放出するためにしばしば燃焼されます。
- 核エネルギー：原子力発電所は、原子核を分解し、核結合に蓄えられたエネルギーを利用してエネルギーを生成します。
- 水力電気エネルギー：これは、重力ポテンシャルエネルギーと流れる水の運動エネルギーから生じるエネルギーです。
- 風力エネルギー：風力エネルギーを収穫するために、巨大なタービンが使用されます。 風がタービンを回し、そのエネルギーをタービンに伝達します。
人体のエネルギー
この記事の冒頭で、「今日はエネルギーがない」、「子供たちはエネルギーを燃やす必要がある」というフレーズが言及されていたことを覚えていますか？ 人間は、電子機器だけでなく、常にエネルギーを利用しています。 あなたの体の大きな動きとあなたの体の中の小さなプロセスの両方がエネルギーを必要とします。
走ったり、ハイキングしたり、泳いだり、歯を磨いたりするにはエネルギーが必要です。 運動エネルギーを覚えていますか？ あなたが動くとき、あなたは運動エネルギーを介してそうしています。 そのエネルギーはどこかから来なければなりません。
体内で進行する多くの目に見えないプロセスには、呼吸、血液の循環、消化などのエネルギーも必要です。
人間はどこからエネルギーを得ていますか？ もちろん食べ物！ あなたが食べる食物はその中に化学エネルギーを蓄えています。 その食べ物があなたの胃に入るとき、あなたの胃酸は食べ物を分解します、そして特定の 食物からの分子はあなたの体の必要かもしれないさまざまな場所のすべてにそれらの方法を作ります エネルギー。 そして、必要に応じて、小さな化学反応でエネルギーを得る。
さて、一日中食べずにたくさん走り回ると、たくさんのエネルギーを消費し、食べて体に必要なものをもっと提供するまで「消耗」したように感じます。