Kas yra energija fizikoje? (su formule ir pavyzdžiais)

Jūs tikriausiai visą laiką vartojate žodį energija, bet ką jis iš tikrųjų reiškia? Kokio fizinio kiekio jūs gaunate, kai sakote tokius dalykus: „Aš tiesiog šiandien neturiu energijos“ ar „Tie vaikai turi deginti energiją“?

Šnekamasis žodžio vartojimas gali jums iš pradžių suprasti, kas yra energija, tačiau šiame straipsnyje jūs tai padarysite sužinokite, kaip fizikai apibrėžia energiją, sužinokite, kokie yra skirtingi energijos tipai, ir pamatykite keletą pavyzdžių būdu.

Energija yra gebėjimas dirbti ar sukelti pokyčius. Ji skiriasi nuo jėgos. Jėga yra dalykas, sukeliantis pokyčius, o energija gali būti laikoma jėgos postūmiu. Norint pritaikyti jėgą, reikia energijos, o jėgos pritaikymas daiktui dažnai jam perduoda energiją.

SI energijos vienetas yra džaulis, kur 1 džaulis = 1 niutonas × 1 metras arba 1 kg⋅m²/ s². Kiti vienetai yra kalorijos, kilokalorijos ir kilovatvalandės.

Dvi pagrindinės energijos formos yrapotencinė energijairkinetinė energija. Potenciali energija yra sukaupta energija, o kinetinė - judėjimo energija.

Mokslininkai paprastai išskiria šių energijos tipų makroskopines ir mikroskopines versijas. Pavyzdžiui, potencinė energija kuris yra saugomas dėl gravitacijos arba dėl suspaustos spyruoklės, vadinamasmechaninispotencinė energija. Tačiau objektai taip pat gali turėti kitokio tipo potencialią energiją, saugomą ryšiuose tarp molekulių ir tarp atominio branduolio nukleonų.

Mechaninė kinetinė energija yra energija, atsirandanti dėl makroskopinio objekto judėjimo. Bet kurio objekto viduje pačios molekulės turi savo kitokio tipo kinetines energijas.

Objekto mechaninio potencialo ir kinetinės energijos suma vadinama josvisos mechaninės energijos. Tai nėra tas pats, kas bendra objekto energija, kuri būtų visų jo energijos formų, įskaitant šiluminę, cheminę ir pan., Suma.

Potencialios energijos, kaupiamos molekulinėse jungtyse, tipas yra vadinama energijacheminisenergijos. Vadinama atominėse arba branduolinėse jungtyse sukaupta energijaatominisenergijos arbabranduolinėenergijos.

Kinetinė energija, egzistuojanti molekuliniame lygmenyje dėl molekulių vibracijų ir judesių, vadinamaterminisenergijos arbašilumosenergijos. Matuodami temperatūrą matuojate vidutinį šios rūšies energijos kiekį.

Dažniausios mechaninės potencialios energijos rūšys, apie kurias galite sužinoti:

• ​Gravitacinė potencialo energija:Energija, sukaupta objekte, atsižvelgiant į jo vietą gravitacijos lauke. Pavyzdžiui, aukštai virš žemės laikomas rutulys turi gravitacinės potencialo energijos. Išleistas dėl to sumažės.
• ​Elektros potencialo energija:Tai yra įelektrintame objekte sukaupta energija dėl jo padėties elektriniame lauke. Pavyzdžiui, grandinėje esantys elektronai dėl akumuliatoriaus bus aprūpinti tam tikra elektros potencialo energija. Prijungus grandinę, tai sukelia elektronų tekėjimą.
• ​Magnetinio potencialo energija:Tai energija, kaupiama objekte su magnetiniu momentu dėl jo vietos magnetiniame lauke. Apsvarstykite, kai laikote du mygtukų magnetus šalia vienas kito ir jaučiate, kad jie traukiasi; taip yra dėl magnetinio potencialo energijos.
• ​Elastinė potenciali energija:Tai energija, sukaupta elastingoje medžiagoje. Pavyzdžiui, ištempta guminė juosta sukaupė energiją, kaip ir suspausta spyruoklė. Kai abu bus paleisti, jie judės.

Mechaninė kinetinė energija skiriasi nuo potencialios energijos tuo, kad ji siejama su judesiu ir yra tik viena iš jų. Paprasta lygtis suteikia bet kurio masės objekto kinetinę energijąmjuda greičiuv. Tai yra:

Kuo greičiau objektas juda ar yra sunkesnis, tuo daugiau jis turi kinetinės energijos.

Kai objektas, turintis potencialios energijos, bus paleistas ir leistas laisvai judėti, jis pradės greitėti. Dėl to padidėja jo kinetinė energija. Tuo pačiu sumažėja potenciali energija. Grynu atveju bendra objekto mechaninė energija išlieka pastovi (darant prielaidą, kad neveikia trintis ar panašios jėgos), tiesiog energija keičiasi.

Paskutiniame skyriuje buvo įvesta mechaninės kinetinės energijos lygtis. Taip pat yra įvairių tipų potencialių energijų formulės, taip pat lygtys, apibūdinančios energijos ir kitų fizinių dydžių santykį.

Masės gravitacinė potenciali energijamaukštyjehvirš Žemės yra:

Kurg= 9,8 m / s² yra pagreitis dėl sunkio jėgos.

Krūvio elektros potencialo energijaqesant įtampaiVyra tiesiog:

The šaltinyje sukaupta potenciali energija suteikia:

Kurkyra pavasario konstanta (konstanta, kuri priklauso nuo spyruoklės standumo) irΔxyra suma, kuria spyruoklė suspaudžiama arba ištempiama.

Šiluminės energijos pokytis (dar žinomas kaip perduota šilumos energija) apskaičiuojamas pagal šią lygtį:

KurKlausimasyra energija,myra masė,cyra savitasis šilumos pajėgumas irΔTyra temperatūros pokytis Kelvino vienetais.

Fizinio kiekio darbas (apibrėžiamas kaip jėgos ir poslinkio sandauga) turi tuos pačius vienetus kaip energija (J arba Nm). Du dydžiai, darbas ir kinetinė energija, yra susiję per darbo kinetinės energijos teoremą, kurioje teigiama, kad objekto bendrasis darbas yra lygus objekto kinetinės energijos pokyčiui.

Esminis gamtos faktas yra tas, kad energijos negalima nei kurti, nei sunaikinti. Tai apibendrinta energijos išsaugojimo dėsnis. Šis dėsnis teigia, kad visa izoliuotos sistemos energija išlieka pastovi.

Nors bendra energija išlieka pastovi, ji gali ir dažnai keičia formą. Potencialas gali pasikeisti į kinetinį, kinetinis - į šiluminę energiją ir pan. Tačiau bendra suma visada išlieka ta pati.

Svarbu pažymėti, kad šis įstatymas nurodo izoliuotą sistemą. Izoliuota sistema yra tokia, kurioje jokiu būdu negalima sąveikauti su aplinka. Vienintelė galimai puikiai izoliuota sistema visatoje yra pati visata. Tačiau įmanoma padaryti daugybę sistemų Žemėje, kurios yra beveik izoliuotos (kaip ir trintį padaryti nereikšmingą, net jei ji niekada nėra 0.)

Energijos pavertimas gali įvykti įvairiais būdais, paprastai sukaupta energija, išsiskirianti kaip tam tikros rūšies kinetinė energija arba kaip spinduliavimo energija.

Pavyzdžiui, cheminė energija gali išsiskirti cheminių reakcijų metu. Tokios reakcijos metu ji pasikeičia iš cheminės potencialios energijos į kitokią formą, kuri gali apimti spinduliavimo energiją arba šilumos energiją.

Branduolinė energija išsiskiria branduolinės reakcijos metu. Čia garsėja EinšteinasE = mc²pradeda veikti lygtis (energija lygi masei ir šviesos greičiui kvadratu). Branduolio masė, kuri išsiskiria išskirdama energiją, galiausiai bus šiek tiek lengvesnė suma, nustatyta pagal Einšteino formulę. Kad ir kaip beprotiškai tai skambėtų, pati masė gali būti laikoma potencialios energijos forma.

Čia, Žemėje, jūs greičiausiai naudojate elektros energiją. Kiekvieną kartą, kai įjungiate savo namų šviesą ar nuskaitote ką nors iš elektroninio ekrano, kaip esate dabar, naudojate elektros energiją. Bet iš kur ši energija?

Akivaizdus atsakymas yra baterijos ar sieninis lizdas, bet koks yra tikrasis pagrindinis šaltinis?

Kalbant apie baterijas, energija dažnai chemiškai kaupiama akumuliatoriaus elemente, tačiau daugeliui elektroninių prietaisų reikia, kad jų baterijos būtų įkraunamos prijungus prie sieninio lizdo.

Energija, kuri į jūsų namus ateina per elektros linijas, atsiranda kažkur esančioje elektrinėje. Elektrinėse yra daug įvairių būdų surinkti energiją ir paversti ją elektros energija.

Kai kurie bendri energijos šaltiniai, surinkti elektrinėse ir paversti elektra, yra šie:

• ​Saulės energija:Tai yra spinduliuojanti energija, gaunama iš saulės ir kurią gali užfiksuoti saulės elementai.
• ​Geotermine energija:Tai yra gilumoje žemėje randama šiluminė energija, kurią vėliau galima perduoti naudoti į Žemės paviršių.
• ​Iškastinis kuras:Tarp jų yra anglis ir nafta, kurios dažnai deginamos, kad išsiskirtų cheminėse jungtyse sukaupta energija.
• ​Atominė energija:Atominės elektrinės generuoja energiją, skaidydamos atominius branduolius ir panaudodamos energiją, kuri buvo sukaupta branduoliniuose ryšiuose.
• ​Hidroelektrinė energija:Tai energija, gaunama iš gravitacijos potencialo energijos, taip pat kinetinės energijos tekančiame vandenyje.
• ​Vėjo energija:Norint surinkti vėjo energiją, naudojamos milžiniškos turbinos. Vėjas pasuka turbinas, perduodamas joms savo energiją.

Prisimeni dar šio straipsnio pradžioje, kur buvo paminėtos frazės: „Aš tiesiog šiandien neturiu energijos“ ir „Tie vaikai turi deginti energiją“? Žmonės energiją naudoja ne tik iš savo elektroninių prietaisų. Tiek dideli kūno judesiai, tiek maži procesai kūne reikalauja energijos.

Bėgant, žygiuojant, plaukiant ar net tiesiog valant dantis reikia energijos. Prisimeni kinetinę energiją? Kai judate, tai darote per kinetinę energiją. Ta energija turi atsirasti iš kažkur.

Daugeliui nematomų procesų, vykstančių jūsų kūne, taip pat reikalinga energija, pavyzdžiui, kvėpavimas, kraujo cirkuliacija, virškinimas ir pan.

Iš kur žmonės semiasi energijos? Maistas, žinoma! Valgomas maistas jame sukaupė cheminę energiją. Kai tas maistas patenka į skrandį, skrandžio rūgštis suskaido maistą ir tikrai maisto molekulės patenka į visas skirtingas jūsų kūno vietas, kurių gali prireikti energijos. Tada, kai iškyla poreikis, energija gaunama per nedidelę cheminę reakciją.

Dabar, jei nevalgote visą dieną ir daug bėgiojote, išeikvojate daug energijos ir jausitės „išsekę“, kol valgysite ir aprūpinsite savo kūną daugiau visko, ko jam reikia.