Czym jest energia w fizyce? (z wzorem i przykładami)

Prawdopodobnie przez cały czas używasz słowa energia w swoim codziennym życiu, ale co to tak naprawdę oznacza? Do jakiej fizycznej wielkości dochodzisz, gdy mówisz takie rzeczy jak „Po prostu nie mam dzisiaj energii” lub „Te dzieciaki muszą spalić trochę energii”?

Potoczne użycie tego słowa może dać ci wstępne wyobrażenie o tym, czym jest energia, ale w tym artykule to zrobisz dowiedz się, jak fizycy definiują energię, dowiedz się, jakie są różne rodzaje energii i zobacz kilka przykładów wraz z nimi droga.

Energia to zdolność do wykonywania pracy lub powodowania zmian. Różni się od siły. Siła jest tym, co powoduje zmianę, podczas gdy energię można traktować jako bodziec stojący za siłą. Potrzeba energii, aby przyłożyć siłę, a przyłożenie siły do ​​obiektu często przenosi do niego energię.

Jednostką energii w układzie SI jest dżul, gdzie 1 dżul = 1 niuton × 1 metr lub 1 kg⋅m²/s². Inne jednostki to kalorie, kilokalorie i kilowatogodziny.

Dwie najbardziej podstawowe formy energii to:

Naukowcy zwykle rozróżniają makroskopowe i mikroskopowe wersje tych rodzajów energii. Na przykład, energia potencjalna który jest przechowywany pod wpływem grawitacji lub ze względu na ściśniętą sprężynę nazywa sięmechanicznyenergia potencjalna. Ale obiekty mogą również mieć inny rodzaj energii potencjalnej, przechowywanej w wiązaniach między cząsteczkami i między nukleonami w jądrze atomowym.

Mechaniczna energia kinetyczna to energia ruchu obiektu makroskopowego. Ale wewnątrz każdego obiektu same cząsteczki mają własne energie kinetyczne innego typu.

Suma potencjału mechanicznego i energii kinetycznej obiektu nazywana jest jegocałkowita energia mechaniczna. To nie to samo, co całkowita energia obiektu, która byłaby sumą wszystkich form jego energii, w tym termicznej, chemicznej i tak dalej.

Rodzaj energii potencjalnej zmagazynowanej w wiązaniach molekularnych to forma energii zwanachemicznyenergia. Energia zmagazynowana w wiązaniach atomowych lub wiązaniach jądrowych nazywa sięatomowyenergia lubjądrowyenergia.

Energia kinetyczna, która istnieje na poziomie molekularnym dzięki wibracjom i ruchom cząsteczek, nazywa siętermicznyenergia lubciepłoenergia. Kiedy mierzysz temperaturę, mierzysz średnią ilość tego rodzaju energii.

Najczęstsze rodzaje mechanicznej energii potencjalnej, o których możesz się dowiedzieć, obejmują:

• ​Grawitacyjna energia potencjalna:Energia zmagazynowana w obiekcie na podstawie jego położenia w polu grawitacyjnym. Na przykład kula trzymana wysoko nad ziemią ma potencjalną energię grawitacyjną. Po zwolnieniu spadnie w rezultacie.
• ​Elektryczna energia potencjalna:Jest to energia zmagazynowana w naładowanym przedmiocie ze względu na jego położenie w polu elektrycznym. Na przykład elektrony w obwodzie zostaną obdarzone pewną ilością energii potencjalnej z powodu baterii. Gdy obwód jest podłączony, powoduje to przepływ elektronów.
• ​Magnetyczna energia potencjalna:Jest to energia zmagazynowana w przedmiocie z momentem magnetycznym ze względu na jego położenie w polu magnetycznym. Zastanów się, kiedy trzymasz dwa magnesy-guziki blisko siebie i czujesz, że się szarpią; dzieje się tak z powodu magnetycznej energii potencjalnej.
• ​Elastyczna Energia potencjalna:Jest to energia zmagazynowana w elastycznym materiale. Na przykład rozciągnięta gumka magazynuje energię, podobnie jak ściśnięta sprężyna. Kiedy któryś z nich zostanie zwolniony, przesuną się.

Mechaniczna energia kinetyczna różni się od energii potencjalnej tym, że jest związana z ruchem i występuje tylko w jednej odmianie. Proste równanie podaje energię kinetyczną dowolnego obiektu o masiemiporuszanie się z prędkościąv. To jest:

Im szybciej porusza się obiekt lub im jest cięższy, tym więcej ma energii kinetycznej.

Kiedy obiekt, który ma energię potencjalną, zostanie uwolniony i będzie mógł swobodnie się poruszać, zacznie przyspieszać. W rezultacie wzrasta jego energia kinetyczna. Jednocześnie spada energia potencjalna. W sumie całkowita energia mechaniczna obiektu pozostaje stała (zakładając, że nie działa tarcie lub podobne siły), po prostu energia zmienia się.

W ostatniej części wprowadzono równanie na mechaniczną energię kinetyczną. Istnieją również wzory na różne rodzaje energii potencjalnej, a także równania opisujące związek między energią a innymi wielkościami fizycznymi.

Grawitacyjna energia potencjalna masymina wysokościhnad Ziemią znajduje się:

Gdziesol= 9,8 m/s² to przyspieszenie ziemskie.

Elektryczna energia potencjalna ładunkuqpod napięciemVjest po prostu:

energia potencjalna zmagazynowana w źródle jest dany przez:

Gdziekjest stała sprężyny (stała zależna od sztywności sprężyny) ixto wartość, o jaką sprężyna jest ściskana lub rozciągana.

Zmiana energii cieplnej (inaczej przekazywana energia cieplna) jest wyrażona następującym równaniem:

GdzieQjest energia,mijest masa,doto właściwa pojemność cieplna iTto zmiana temperatury w jednostkach Kelvina.

Praca wielkości fizycznej (definiowana jako iloczyn siły i przemieszczenia) ma takie same jednostki jak energia (J lub Nm). Te dwie wielkości, praca i energia kinetyczna, są powiązane przez twierdzenie o pracy-energii kinetycznej, które mówi, że praca netto na obiekcie jest równa zmianie energii kinetycznej obiektu.

Podstawowym faktem natury jest to, że energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć. Jest to podsumowane w prawo zachowania energii. To prawo mówi, że całkowita energia systemu izolowanego pozostaje stała.

Podczas gdy całkowita energia pozostaje stała, może i często zmienia formę. Potencjał może zmienić się w kinetyczny, kinetyczny w energię cieplną i tak dalej. Ale całkowita kwota zawsze pozostaje taka sama.

Należy zauważyć, że to prawo określa system izolowany. System izolowany to taki, który w żaden sposób nie może wchodzić w interakcje z otoczeniem. Jedynym możliwie idealnie izolowanym systemem we wszechświecie jest, no cóż, sam wszechświat. Jednak możliwe jest stworzenie wielu systemów na Ziemi, które są bliskie izolacji (podobnie jak możliwe jest zmniejszenie tarcia, nawet jeśli nigdy nie jest ono równe 0).

Konwersja energii może odbywać się na wiele sposobów, zwykle z energii zmagazynowanej uwalnianej jako pewnego rodzaju energia kinetyczna lub energia promieniowania.

Na przykład energia chemiczna może zostać uwolniona podczas reakcji chemicznych. Podczas takiej reakcji zmienia się z chemicznej energii potencjalnej w inną postać, która może obejmować energię promieniowania lub energię cieplną.

Energia jądrowa jest uwalniana podczas reakcji jądrowej. To tutaj słynie EinsteinE = mc²wchodzi w grę równanie (energia równa się masie razy prędkość światła do kwadratu). Masa jądra, które rozdziela się, aby uwolnić energię, będzie ostatecznie nieco lżejsza o ilość określoną wzorem Einsteina. Choć brzmi to szalenie, sama masa może być uważana za formę energii potencjalnej.

Tutaj na Ziemi prawdopodobnie często używasz energii elektrycznej. Za każdym razem, gdy włączasz światło w swoim domu lub czytasz coś z elektronicznego ekranu, tak jak teraz, zużywasz energię elektryczną. Ale skąd pochodzi ta energia?

Oczywistą odpowiedzią są baterie lub gniazdko ścienne, ale jakie jest rzeczywiste główne źródło?

Jeśli chodzi o baterie, energia jest często magazynowana chemicznie w ogniwie baterii, ale wiele urządzeń elektronicznych wymaga ładowania baterii poprzez podłączenie ich do gniazdka ściennego.

Energia, która dociera do twojego domu przez linie energetyczne, pochodzi gdzieś z elektrowni. Elektrownie mają wiele różnych sposobów pozyskiwania energii i przekształcania jej w energię elektryczną.

Niektóre typowe źródła energii pozyskiwanej przez elektrownie i przekształcanej w energię elektryczną obejmują:

• ​Energia słoneczna:Jest to energia promieniowania, która pochodzi ze słońca i może zostać przechwycona przez ogniwa słoneczne.
• ​Energia geotermalna:Jest to energia cieplna znajdująca się głęboko w ziemi, którą można następnie przenieść na powierzchnię Ziemi w celu wykorzystania.
• ​Paliwa kopalne:Należą do nich węgiel i ropa, które są często spalane w celu uwolnienia energii zmagazynowanej w wiązaniach chemicznych.
• ​Energia nuklearna:Elektrownie jądrowe wytwarzają energię, rozbijając jądra atomowe i wykorzystując energię zmagazynowaną w wiązaniach jądrowych.
• ​Energia hydroelektryczna:Jest to energia pochodząca z grawitacyjnej energii potencjalnej oraz energii kinetycznej w przepływającej wodzie.
• ​Energia wiatrowa:Do pozyskiwania energii wiatrowej wykorzystuje się gigantyczne turbiny. Wiatr obraca turbiny, przekazując im swoją energię.

Pamiętasz na początku tego artykułu, gdzie były wspomniane zwroty: „Po prostu nie mam dzisiaj energii” i „Te dzieci muszą spalić trochę energii”? Ludzie cały czas korzystają z energii, nie tylko ze swoich urządzeń elektronicznych. Zarówno duże ruchy twojego ciała, jak i małe procesy w twoim ciele wymagają energii.

Bieganie, wędrówki, pływanie, a nawet zwykłe mycie zębów wymaga energii. Pamiętasz energię kinetyczną? Kiedy się poruszasz, robisz to za pomocą energii kinetycznej. Ta energia musi skądś pochodzić.

Wiele niewidzialnych procesów zachodzących w twoim ciele również wymaga energii, takich jak oddychanie, krążenie krwi, trawienie i tak dalej.

Skąd ludzie czerpią energię? Oczywiście jedzenie! Jedzenie, które spożywasz, przechowuje w sobie energię chemiczną. Kiedy to jedzenie przedostaje się do żołądka, kwas żołądkowy rozkłada jedzenie i pewne cząsteczki z pożywienia przedostają się do wszystkich różnych miejsc w twoim ciele, które mogą tego potrzebować energia. Następnie, gdy zajdzie taka potrzeba, energia jest pozyskiwana poprzez niewielką reakcję chemiczną.

Teraz, jeśli nie jesz przez cały dzień i dużo biegasz, zużywasz dużo energii i czujesz się „wyczerpany”, dopóki nie zjesz i nie dostarczysz organizmowi więcej tego, czego potrzebuje.