Kas ir enerģija fizikā? (ar formulu un piemēriem)

Jūs, iespējams, savā ikdienā visu laiku lietojat vārdu enerģija, bet ko tas patiesībā nozīmē? Kādu fizisko daudzumu jūs saņemat, sakot tādas lietas kā: "Man vienkārši šodien nav enerģijas" vai "Tiem bērniem ir jāsadedzina enerģija"?

Vārda sarunvaloda var jums sākotnēji saprast, kas ir enerģija, taču šajā rakstā jūs to darīsit uzziniet, kā fiziķi definē enerģiju, uzziniet, kādi ir dažādi enerģijas veidi, un skatiet dažus piemērus gar veidā.

Enerģija ir spēja strādāt vai izraisīt pārmaiņas. Tas atšķiras no spēka. Spēks ir lieta, kas izraisa izmaiņas, savukārt enerģiju var uzskatīt par impulsu spēka pamatā. Lai pielietotu spēku, ir vajadzīga enerģija, un spēka pielietošana objektam bieži tam pārnes enerģiju.

SI enerģijas mērvienība ir džouls, kur 1 džouls = 1 ņūtons × 1 metrs vai 1 kg⋅m²/ s². Citas vienības ietver kalorijas, kilokalorijas un kilovatstundas.

Divas būtiskākās enerģijas formas irpotenciālā enerģijaunkinētiskā enerģija. Potenciālā enerģija ir uzkrāta enerģija, savukārt kinētiskā enerģija ir kustības enerģija.

Zinātnieki parasti nošķir šo enerģijas veidu makroskopiskās un mikroskopiskās versijas. Piemēram, potenciālā enerģija kas tiek uzglabāts smaguma dēļ vai saspiesta atsperes dēļ, tiek sauktsmehāniskspotenciālā enerģija. Bet objektiem var būt arī dažāda veida potenciālā enerģija, kas uzkrāta saitēs starp molekulām un starp atomu kodola nukleoniem.

Mehāniskā kinētiskā enerģija ir enerģija, ko rada makroskopiska objekta kustība. Bet jebkura objekta iekšienē pašām molekulām ir savas cita veida kinētiskās enerģijas.

Objekta mehāniskā potenciāla un kinētiskās enerģijas summu sauc par tākopējā mehāniskā enerģija. Tas nav tas pats, kas objekta kopējā enerģija, kas būtu visu tā enerģijas veidu summa, ieskaitot termisko, ķīmisko un tā tālāk.

Potenciālās enerģijas veids, kas uzkrāts molekulārajās saitēs, ir enerģijas veids, ko saucķīmiskaisenerģija. Tiek saukta enerģija, kas uzkrāta atomu vai kodola saitēsatomuenerģija vaikodolenerģijaenerģija.

Tiek saukta kinētiskā enerģija, kas molekulu līmenī pastāv molekulu vibrāciju un kustību dēļtermiskāenerģija vaikarstumsenerģija. Mērot temperatūru, jūs mērāt vidējo šāda veida enerģijas daudzumu.

Visizplatītākie mehāniskās potenciālās enerģijas veidi, par kuriem jūs varētu uzzināt, ietver:

• ​Gravitācijas potenciālā enerģija:Enerģija, kas uzkrāta objektā, pamatojoties uz tā atrašanās vietu gravitācijas laukā. Piemēram, bumbai, kas atrodas augstu virs zemes, ir gravitācijas potenciālā enerģija. Pēc atbrīvošanas tas samazināsies.
• ​Elektriskā potenciālā enerģija:Šī ir enerģija, kas uzkrāta lādētā objektā, pateicoties tā atrašanās vietai elektriskajā laukā. Piemēram, ķēdes elektroni akumulatora dēļ tiks apveltīti ar noteiktu daudzumu elektriskā potenciāla enerģijas. Kad ķēde ir pievienota, tas izraisa elektronu plūsmu.
• ​Magnētiskā potenciāla enerģija:Šī ir enerģija, kas uzkrāta objektā ar magnētisko momentu, pateicoties tā atrašanās vietai magnētiskajā laukā. Apsveriet, kad turat divus pogu magnētus blakus viens otram un jūtat, ka tie velk; tas notiek magnētiskā potenciāla enerģijas dēļ.
• ​Elastīgā potenciālā enerģija:Šī ir enerģija, kas uzkrāta elastīgā materiālā. Piemēram, izstiepta gumijas josla ir uzkrājusi enerģiju, tāpat kā saspiesta atspere. Kad kāds no tiem tiks atbrīvots, viņi pārvietosies.

Mehāniskā kinētiskā enerģija atšķiras no potenciālās enerģijas ar to, ka tā ir saistīta ar kustību, un tai ir tikai viena dažādība. Vienkāršs vienādojums dod jebkura masas objekta kinētisko enerģijumpārvietojoties ar ātrumuv. Tas ir:

Jo ātrāk objekts pārvietojas vai ir smagāks, jo vairāk tā ir kinētiskā enerģija.

Kad objekts, kuram ir potenciālā enerģija, tiek atbrīvots un atļauts brīvi pārvietoties, tas sāks paātrināties. Rezultātā palielinās tā kinētiskā enerģija. Tajā pašā laikā potenciālā enerģija samazinās. Tīklā objekta kopējā mehāniskā enerģija paliek nemainīga (pieņemot, ka nedarbojas berze vai tamlīdzīgi spēki), vienkārši enerģija mainās.

Pēdējā sadaļā tika ieviests mehāniskās kinētiskās enerģijas vienādojums. Ir arī formulas dažādu veidu potenciālajām enerģijām, kā arī vienādojumi, kas apraksta attiecības starp enerģiju un citiem fiziskajiem lielumiem.

Masas gravitācijas potenciālā enerģijamaugstumāhvirs Zemes atrodas:

Kurg= 9,8 m / s² ir paātrinājums gravitācijas dēļ.

Lādiņa elektriskā potenciāla enerģijaqpie spriegumaVir vienkārši:

The potenciālā enerģija, kas uzkrāta avotā dod:

Kurkir pavasara konstante (konstante, kas atkarīga no pavasara stingrības) unΔxir summa, par kādu atsperis ir saspiests vai izstiepts.

Siltumenerģijas izmaiņas (jeb nodoto siltumenerģiju) izsaka ar šādu vienādojumu:

KurJir enerģija,mir masa,cir īpatnējā siltuma jauda unΔTir temperatūras izmaiņas Kelvina vienībās.

Fiziskā daudzuma darbam (definēts kā spēka un pārvietojuma reizinājums) ir tādas pašas vienības kā enerģijai (J vai Nm). Abi lielumi, darbs un kinētiskā enerģija, ir saistīti ar darba kinētiskās enerģijas teorēmu, kurā teikts, ka neto darbs pie objekta ir vienāds ar objekta kinētiskās enerģijas izmaiņām.

Būtisks dabas fakts ir tāds, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt. Tas ir apkopots enerģijas saglabāšanas likums. Šis likums nosaka, ka izolētās sistēmas kopējā enerģija paliek nemainīga.

Kaut arī kopējā enerģija paliek nemainīga, tā var mainīties un bieži mainās. Potenciāls var mainīties uz kinētisko, kinētiskais var mainīties uz siltuma enerģiju un tā tālāk. Bet kopējā summa vienmēr paliek nemainīga.

Ir svarīgi atzīmēt, ka šis likums nosaka izolētu sistēmu. Izolēta sistēma ir tāda, kurā nekādā gadījumā nevar mijiedarboties ar apkārtni. Vienīgā, iespējams, pilnīgi izolētā sistēma Visumā ir pats Visums. Tomēr ir iespējams uz Zemes izveidot daudzas sistēmas, kas ir gandrīz izolētas (tāpat kā berzi var padarīt nenozīmīgu, pat ja tā nekad nav 0.)

Enerģijas pārveidošana var notikt dažādos veidos, parasti no uzkrāto enerģiju atbrīvo kā sava veida kinētisko enerģiju vai kā starojuma enerģiju.

Ķīmisko enerģiju, piemēram, var atbrīvot ķīmisko reakciju laikā. Šādas reakcijas laikā tā mainās no ķīmiskās potenciālās enerģijas citā formā, kas var ietvert starojuma enerģiju vai siltuma enerģiju.

Kodolreakcijas laikā tiek atbrīvota kodolenerģija. Šeit slavena EinšteinaE = mc²spēlē vienādojums (enerģija ir vienāda ar masu, reizinot ar gaismas ātrumu kvadrātā). Kodola masa, kas sadalās, lai atbrīvotu enerģiju, galu galā būs nedaudz mazāka par daudzumu, ko nosaka Einšteina formula. Lai cik traki tas izklausītos, pašu masu var uzskatīt par potenciālās enerģijas veidu.

Šeit, uz Zemes, jūs, iespējams, bieži izmantojat elektrisko enerģiju. Katru reizi, kad mājā ieslēdzat gaismu vai nolasāt kaut ko no elektroniskā ekrāna, tāpat kā pašlaik, jūs izmantojat elektrisko enerģiju. Bet no kurienes šī enerģija?

Acīmredzama atbilde ir baterijas vai sienas kontaktligzda, bet kāds ir faktiskais primārais avots?

Runājot par akumulatoriem, enerģija bieži tiek ķīmiski uzkrāta akumulatora šūnā, taču daudzām elektroniskām ierīcēm ir nepieciešams to akumulatorus uzlādēt, pievienojot tos sienas kontaktligzdai.

Enerģija, kas nonāk jūsu mājā caur elektropārvades līnijām, rodas kaut kur no spēkstacijas. Spēkstacijām ir daudz dažādu veidu, kā iegūt enerģiju un pārvērst to elektriskajā enerģijā.

Daži no kopējiem enerģijas avotiem, ko iegūst elektrostacijas un pārvērš elektrībā, ir:

• ​Saules enerģija:Šī ir izstarojošā enerģija, kas nāk no saules un ko var uztvert saules baterijas.
• ​Geotermāla enerģija:Tā ir siltuma enerģija, kas atrodas dziļi zemē un kuru pēc tam var pārnest uz Zemes virsmu lietošanai.
• ​Fosilais kurināmais:Tie ietver ogles un eļļu, kuras bieži sadedzina, lai atbrīvotu enerģiju, kas uzkrāta ķīmiskajās saitēs.
• ​Atomenerģija:Atomelektrostacijas ražo enerģiju, sadalot atomu kodolus un izmantojot enerģiju, kas tika uzkrāta kodolos.
• ​Hidroelektriskā enerģija:Šī ir enerģija, kas nāk no gravitācijas potenciāla enerģijas, kā arī kinētiskās enerģijas plūstošajā ūdenī.
• ​Vēja enerģija:Lai iegūtu vēja enerģiju, tiek izmantotas milzu turbīnas. Vējš pagriež turbīnas, nododot tām enerģiju.

Vai atceraties šī raksta sākumā, kur tika pieminētas frāzes: "Man vienkārši šodien nav enerģijas" un "Tiem bērniem ir jāpadedzina enerģija"? Cilvēki enerģiju izmanto visu laiku un ne tikai no savām elektroniskajām ierīcēm. Gan lielajām ķermeņa kustībām, gan mazajiem procesiem jūsu ķermenī ir nepieciešama enerģija.

Skriešanai, pārgājieniem, peldēšanai vai pat tikai zobu tīrīšanai ir vajadzīga enerģija. Vai atceraties kinētisko enerģiju? Pārvietojoties, jūs to darāt ar kinētiskās enerģijas starpniecību. Šai enerģijai ir jānāk no kaut kurienes.

Daudzi neredzami procesi, kas notiek jūsu ķermenī, prasa arī enerģiju, piemēram, elpošana, asins cirkulācija, sagremošana un tā tālāk.

No kurienes cilvēkiem enerģija? Ēdiens, protams! Ēdotais ēdiens tajā ir uzkrājis ķīmisko enerģiju. Kad šī pārtika nonāk jūsu kuņģī, kuņģa skābe pārtrauc pārtiku un noteikti Pārtikas molekulas nokļūst visās jūsu ķermeņa vietās, kas varētu būt nepieciešamas enerģija. Tad, kad rodas vajadzība, enerģija tiek iegūta nelielā ķīmiskā reakcijā.

Tagad, ja jūs visu dienu neēdat un daudz skrienat apkārt, jūs iztērējat daudz enerģijas un jutīsieties “iztukšoti”, līdz ēdīsit un nodrošināsiet ķermenim vairāk nepieciešamā.