Jednym z fundamentalnych praw wszechświata jest to, że energia nie jest ani tworzona, ani niszczona – ona tylko zmienia formy. W związku z tym istnieje wiele formuł na energię. Aby zrozumieć, w jaki sposób te wzory są wyrazem tego samego, ważne jest, aby najpierw zrozumieć, co fizycy mają na myśli, gdy mówią o energii. Jest to pojęcie zakorzenione w koncepcjach fizyki klasycznej, wyjaśnione przez Sir Isaaca Newtona.
Wzór na energię ruchu to:
KE=0,5\razy m\razy v^2
gdzie KE to energia kinetyczna w dżulach, m to masa w kilogramach, a v to prędkość w metrach na sekundę.
Siła i praca
Trzy prawa dynamiki Newtona stanowią podstawę fizyki klasycznej. Pierwsze prawo definiuje siłę jako tę, która powoduje ruch, a drugie prawo wiąże siłę działającą na obiekt z przyspieszeniem, któremu podlega. Jeśli siła (F) przyspiesza ciało na odległość (d), wykonuje pracę (W) równą sile pomnożone przez odległość razy współczynnik, który odpowiada za kąt między nimi (θ, grecka litera theta). Jako wyrażenie matematyczne oznacza to:
W=Fd\cos{\theta}
Jednostki metryczne siły to niutony, odległości to metry, a pracy to niutonometry lub dżule. Energia to zdolność do wykonywania pracy, wyrażona również w dżulach.
Energia kinetyczna i potencjalna
Przedmiot w ruchu posiada swoją energię ruchu, która jest równoważna z pracą, jaka byłaby wymagana, aby go zatrzymać. Nazywa się to jego energią kinetyczną i zależy od kwadratu prędkości obiektu (v) oraz połowy jego masy (m). Obiekt w spoczynku w polu grawitacyjnym Ziemi posiada energię potencjalną ze względu na swoją wysokość; gdyby spadał swobodnie, zyskałby energię kinetyczną równą tej energii potencjalnej. Energia potencjalna zależy od masy obiektu, jego wysokości (h) oraz przyspieszenia ziemskiego (g). Matematycznie jest to:
PE=mgh
Energia elektryczna
Obliczanie energii w układach elektrycznych zależy od ilości prądu przepływającego przez a przewodnik (I) w amperach, a także na potencjale elektrycznym lub napięciu (V), napędzającym prąd, in wolty. Mnożąc te dwa parametry otrzymujemy moc energii elektrycznej (P) w watach, a mnożąc P przez czas podczas którego przepływa energia elektryczna (t) w sekundach daje ilość energii elektrycznej w systemie, in dżuli. Wyrażenie matematyczne na energię elektryczną w obwodzie przewodzącym to:
E_e=Pt=VIt
Zgodnie z tą relacją pozostawienie 100-watowej żarówki palącej się przez minutę zużywa 6000 dżuli energii. Odpowiada to ilości energii kinetycznej, jaką miałaby 1-kilogramowa skała, gdyby spadła z wysokości 612 metrów (pomijając tarcie powietrza).
Niektóre inne formy energii
Światło, które widzimy, jest zjawiskiem elektromagnetycznym, które ma energię dzięki wibracjom paczek fal zwanych fotonami. Niemiecki fizyk Max Planck ustalił, że energia fotonu jest proporcjonalna do częstotliwości (f), z jaką wibruje, a on obliczył stałą proporcjonalności (h), którą nazywa się stałą Plancka w jego honor. Wyrażenie na energię fotonu to:
E_p=hf
Zgodnie z teorią względności Alberta Einsteina, każda cząstka materii ma naturalną energię potencjalną proporcjonalną do masy cząstki i kwadratu prędkości światła (c). Odpowiednie wyrażenie to:
E_m=mc^2
Obliczenia Einsteina zostały potwierdzone przez opracowanie bomby atomowej.