Du bruker sannsynligvis ordet energi i hverdagen din hele tiden, men hva betyr det egentlig? Hvilken fysisk mengde kommer du til når du sier ting som: "Jeg har bare ikke energi i dag," eller "Disse barna trenger å forbrenne litt energi"?
Den ordbrukets bruk av ordet kan gi deg en innledende følelse av hva energi er, men i denne artikkelen vil du lære hvordan fysikere definerer energi, lære hva de forskjellige energitypene er og se noen eksempler langs vei.
Definisjon av energi
Energi er evnen til å utføre arbeid eller forårsake forandring. Det er forskjellig fra en styrke. En kraft er tingen som forårsaker forandringen, mens energi kan betraktes som drivkraften bak kraften. Det tar energi for å påføre en kraft, og å bruke en kraft på et objekt overfører ofte energi til det.
SI-enheten for energi er joule der 1 joule = 1 newton × 1 meter eller 1 kg⋅m2/ s2. Andre enheter inkluderer kalorier, kilokalorier og kilowatt-timer.
Typer energi
De to mest grunnleggende energiformene erpotensiell energiog
kinetisk energi. Potensiell energi er lagret energi mens kinetisk energi er energien til bevegelse.Forskere skiller vanligvis mellom makroskopiske og mikroskopiske versjoner av disse energitypene. For eksempel, potensiell energi som er lagret på grunn av tyngdekraften eller på grunn av en komprimert fjær kallesmekaniskpotensiell energi. Men gjenstander kan også ha en annen type potensiell energi lagret i bindingene mellom molekyler og mellom nukleoner i en atomkjerne.
Mekanisk kinetisk energi er energien på grunn av bevegelsen til et makroskopisk objekt. Men inne i ethvert objekt har molekylene selv sine egne kinetiske energier av en annen type.
Summen av et objekts mekaniske potensial og kinetiske energi kalles detstotal mekanisk energi. Dette er ikke det samme som objektets totale energi, som vil være summen av alle former for energi, inkludert termisk, kjemisk og så videre.
Typen potensiell energi lagret i molekylære bindinger er en form for energi som kalleskjemiskenergi. Energi lagret i atombindinger eller kjernefysiske bindinger kallesatomiskenergi ellerkjernefysiskenergi.
Kinetisk energi som eksisterer på molekylært nivå på grunn av vibrasjoner og bevegelser fra molekyler kallestermiskenergi ellervarmeenergi. Når du måler temperaturen, måler du gjennomsnittlig mengde av denne typen energi.
Mekanisk potensiell energi nærmere
De vanligste typene av mekanisk potensiell energi du kan lære om inkluderer:
- Gravitasjonspotensial energi:Energien lagret i et objekt basert på dets beliggenhet i et gravitasjonsfelt. For eksempel har en ball som holdes høyt over jorden gravitasjonspotensial energi. Når den slippes, vil den slippe som et resultat.
- Elektrisk potensiell energi:Dette er energien som er lagret i et ladet objekt på grunn av sin posisjon i et elektrisk felt. For eksempel vil elektronene i en krets bli utstyrt med en viss mengde elektrisk potensiell energi på grunn av batteriet. Når kretsen er koblet til, får dette elektronene til å strømme.
- Magnetisk potensiell energi:Dette er energi lagret i et objekt med magnetisk moment på grunn av dets plassering i et magnetfelt. Tenk når du holder to knappemagneter nær hverandre og du føler at de trekker; Dette er på grunn av den magnetiske potensielle energien.
- Elastisk potensiell energi:Dette er energi lagret i et elastisk materiale. For eksempel har et strukket gummistrikk lagret energi, det samme gjør en komprimert fjær. Når en av dem blir løslatt, vil de flytte.
Mekanisk kinetisk energi nærmere
Mekanisk kinetisk energi skiller seg fra potensiell energi ved at den er assosiert med bevegelse, og den kommer i bare ett utvalg. En enkel ligning gir den kinetiske energien til ethvert masseobjektmbeveger seg med fartv. Det er:
KE = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Jo raskere et objekt beveger seg eller jo tyngre det er, jo mer kinetisk energi har det.
Når et objekt som har potensiell energi frigjøres og får bevege seg fritt, vil det begynne å akselerere. Som et resultat øker den kinetiske energien. Samtidig avtar den potensielle energien. I netto forblir den totale mekaniske energien til objektet konstant (forutsatt at ingen friksjon eller lignende krefter virker), det er bare at energien endrer form.
Ligninger for energi
I den siste delen ble ligningen for mekanisk kinetisk energi introdusert. Det er også formler for forskjellige typer potensielle energier, samt ligninger som beskriver forholdet mellom energi og andre fysiske størrelser.
Gravitasjonens potensielle energi av massemi høydenhover jorden er:
PE_ {grav} = mgh
Hvorg= 9,8 m / s2 er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften.
Den elektriske potensielle energien til en ladningqved spenningVer ganske enkelt:
PE_ {elec} = qV
De potensiell energi lagret på en vår er gitt av:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Hvorker den vårkonstant (en konstant som avhenger av vårens stivhet) ogΔxer mengden fjæren komprimeres eller strekkes med.
Endring av termisk energi (også overført varmeenergi) er gitt av følgende ligning:
Q = mc \ Delta T
HvorQer energien,mer massen,cer den spesifikke varmekapasiteten ogATer temperaturendringen i enheter av Kelvin.
Det fysiske mengdearbeidet (definert som produktet av kraft og forskyvning) har de samme enhetene som energi (J eller Nm). De to størrelsene, arbeid og kinetisk energi, er relatert via arbeidskinetiske energisetningen, som sier nettoarbeidet på et objekt er lik endringen i objektets kinetiske energi.
Loven om bevaring av energi
Et grunnleggende faktum i naturen er at energi verken kan skapes eller ødelegges. Dette er oppsummert i lov om energibesparelse. Denne loven sier at den totale energien til et isolert system forblir konstant.
Mens den totale energien forblir konstant, kan den ofte endre form. Potensial kan endre seg til kinetisk, kinetisk kan endre seg til termisk energi og så videre. Men det totale beløpet forblir alltid det samme.
Det er viktig å merke seg at denne loven spesifiserer et isolert system. Et isolert system er et system som på ingen måte kan samhandle med omgivelsene. Det eneste muligens perfekt isolerte systemet i universet er vel, selve universet. Det er imidlertid mulig å lage mange systemer på jorden som er i nærheten av å bli isolert (akkurat som det er mulig å gjøre friksjon ubetydelig, selv om den aldri er 0.)
Energikonvertering kan skje på mange måter, vanligvis fra at lagret energi frigjøres som kinetisk energi av noe slag eller som strålingsenergi.
Kjemisk energi kan for eksempel frigjøres under kjemiske reaksjoner. Under en slik reaksjon skifter den fra kjemisk potensiell energi til en annen form, som kan omfatte strålingsenergi eller varmeenergi.
Atomenergi frigjøres under en atomreaksjon. Dette er hvor Einstein er kjentE = mc2ligning spiller inn (energi er lik masse ganger lysets hastighet i kvadrat). Massen til en kjerne som splittes fra hverandre for å frigjøre energi vil til slutt være litt lettere med en mengde bestemt av Einsteins formel. Så gal som det høres ut, kan selve massen betraktes som en form for potensiell energi.
Kilder til brukbar elektrisk energi på jorden
Her på jorden bruker du sannsynligvis ofte elektrisk energi. Hver gang du slår på et lys i huset ditt eller leser noe av en elektronisk skjerm som du er akkurat nå, bruker du elektrisk energi. Men hvor kommer denne energien fra?
Det åpenbare svaret er batterier eller stikkontakten, men hva er den faktiske primære kilden?
Når det gjelder batterier, lagres energi ofte kjemisk i en battericelle, men mange elektroniske enheter krever at batteriene lades ved å koble dem til et stikkontakt.
Energien som kommer til huset ditt gjennom kraftledninger, stammer fra et kraftverk et sted. Kraftverk har mange forskjellige måter å høste energi og gjøre den om til elektrisk energi.
Noen vanlige energikilder høstet av kraftverk og omgjort til elektrisitet inkluderer:
- Solenergi:Dette er strålende energi som kommer fra solen og kan fanges opp av solceller.
- Geotermisk energi:Dette er termisk energi funnet dypt i bakken som deretter kan overføres til jordens overflate for bruk.
- Fossile drivstoff:Disse inkluderer kull og olje, som ofte blir brent for å frigjøre energi lagret i kjemiske bindinger.
- Kjernekraft:Kjernekraftverk genererer energi ved å bryte fra hverandre atomkjerner og utnytte energien som var lagret i kjernefysiske bindinger.
- Vannkraft:Dette er energi som kommer fra gravitasjonspotensialenergi så vel som kinetisk energi i rennende vann.
- Vindkraft:For å høste vindenergi brukes gigantiske turbiner. Vinden snur turbinene og overfører energien til dem.
Energi i menneskekroppen
Husk tilbake i begynnelsen av denne artikkelen hvor setningene, "Jeg har bare ikke energi i dag," og "Disse barna trenger å brenne av litt energi" ble nevnt? Mennesker bruker energi hele tiden, og ikke bare fra sine elektroniske enheter. Både kroppens store bevegelser og små prosesser i kroppen din krever energi.
Det tar energi å løpe, gå, svømme eller til og med bare pusse tennene. Husker du kinetisk energi? Når du beveger deg, gjør du det via kinetisk energi. Den energien må komme fra et sted.
Mange usynlige prosesser som foregår i kroppen din krever også energi, for eksempel å puste, sirkulere blodet, fordøye og så videre.
Hvor får mennesker energi fra? Mat, selvfølgelig! Maten du spiser har lagret kjemisk energi i seg. Når maten kommer inn i magen din, bryter magesyren maten ned, og sikkert molekyler fra maten tar veien til alle de forskjellige stedene i kroppen din som kan trenge energi. Når behovet oppstår, blir energi oppnådd via en liten kjemisk reaksjon.
Nå, hvis du ikke spiser hele dagen og løper mye, bruker du mye energi og vil føle deg "tappet" til du spiser og gir kroppen din mer av det den trenger.