Что такое энергия в физике? (с формулой и примерами)

Вероятно, вы все время используете слово энергия в повседневной жизни, но что оно означает на самом деле? На какую физическую величину вы рассчитываете, когда говорите что-то вроде: «У меня просто нет энергии сегодня» или «Этим детям нужно сжечь немного энергии»?

Разговорное использование этого слова может дать вам первоначальное представление о том, что такое энергия, но в этой статье вы узнаете узнать, как физики определяют энергию, узнать, что такое разные типы энергии, и посмотреть несколько примеров на способ.

Энергия - это способность выполнять работу или вызывать изменения. Это отличается от силы. Сила - это то, что вызывает изменение, в то время как энергия может рассматриваться как стимул, стоящий за этой силой. Для приложения силы требуется энергия, а приложение силы к объекту часто передает энергию ему.

Единица измерения энергии в системе СИ - джоуль, где 1 джоуль = 1 ньютон × 1 метр или 1 кг⋅м.²/ с². Другие единицы включают калории, килокалории и киловатт-часы.

Две наиболее фундаментальные формы энергии:потенциальная энергияа такжекинетическая энергия. Потенциальная энергия - это запасенная энергия, а кинетическая энергия - это энергия движения.

Ученые обычно различают макроскопические и микроскопические версии этих типов энергии. Например, потенциальная энергия который хранится под действием силы тяжести или сжатой пружиной, называетсямеханическийпотенциальная энергия. Но объекты также могут иметь другой тип потенциальной энергии, хранящейся в связях между молекулами и между нуклонами в атомном ядре.

Механическая кинетическая энергия - это энергия движения макроскопического объекта. Но внутри любого объекта сами молекулы обладают собственной кинетической энергией другого типа.

Сумма механического потенциала и кинетической энергии объекта называется егополная механическая энергия. Это не то же самое, что полная энергия объекта, которая была бы суммой всех форм его энергии, включая тепловую, химическую и т. Д.

Тип потенциальной энергии, хранящейся в молекулярных связях, представляет собой форму энергии, называемуюхимическийэнергия. Энергия, хранящаяся в атомных связях или ядерных связях, называетсяатомныйэнергия илиядерныйэнергия.

Кинетическая энергия, которая существует на молекулярном уровне из-за колебаний и движений молекул, называетсятермическийэнергия илинагреватьэнергия. Когда вы измеряете температуру, вы измеряете среднее количество энергии этого типа.

К наиболее распространенным типам потенциальной механической энергии, о которых вы можете узнать, относятся:

• ​Гравитационно потенциальная энергия:Энергия, запасенная в объекте, зависит от его местоположения в гравитационном поле. Например, шар, высоко поднятый над землей, обладает потенциальной гравитационной энергией. При отпускании он в результате упадет.
• ​Электрическая потенциальная энергия:Это энергия, запасенная в заряженном объекте из-за его положения в электрическом поле. Например, электроны в цепи будут наделены определенным количеством электрической потенциальной энергии из-за батареи. Когда цепь подключена, это заставляет электроны течь.
• ​Магнитная потенциальная энергия:Это энергия, запасенная в объекте с магнитным моментом из-за его расположения в магнитном поле. Представьте, когда вы держите два магнита-пуговицы рядом друг с другом и чувствуете, как они тянутся; это из-за магнитной потенциальной энергии.
• ​Упругая потенциальная энергия:Это энергия, хранящаяся в эластичном материале. Например, растянутая резинка имеет запасенную энергию, как и сжатая пружина. Когда кого-то отпустят, они двинутся.

Механическая кинетическая энергия отличается от потенциальной энергии тем, что связана с движением, и бывает только одной разновидности. Простое уравнение дает кинетическую энергию любого объекта массымдвижется со скоростьюv. Это:

Чем быстрее движется объект или чем он тяжелее, тем больше у него кинетической энергии.

Когда объект, обладающий потенциальной энергией, высвобождается и может свободно перемещаться, он начинает ускоряться. В результате его кинетическая энергия увеличивается. При этом снижается потенциальная энергия. В целом, общая механическая энергия объекта остается постоянной (при условии отсутствия трения или аналогичных сил), просто энергия меняет форму.

В последнем разделе было введено уравнение для механической кинетической энергии. Существуют также формулы для различных типов потенциальной энергии, а также уравнения, описывающие взаимосвязь между энергией и другими физическими величинами.

Гравитационная потенциальная энергия массымна высотечаснад Землей находится:

Гдеграмм= 9,8 м / с² ускорение свободного падения.

Электрическая потенциальная энергия зарядаqпри напряженииVпросто:

В потенциальная энергия, запасенная в пружине дан кем-то:

Гдеkэто пружинная постоянная (константа, которая зависит от жесткости пружины) иΔxэто величина, на которую пружина сжимается или растягивается.

Изменение тепловой энергии (или переданная тепловая энергия) определяется следующим уравнением:

ГдеQэто энергия,ммасса,c- удельная теплоемкость иΔTизменение температуры в градусах Кельвина.

Физическая величина работы (определяемая как произведение силы и смещения) имеет те же единицы, что и энергия (Дж или Нм). Две величины, работа и кинетическая энергия, связаны с помощью теоремы о работе кинетической энергии, которая утверждает, что чистая работа над объектом равна изменению кинетической энергии объекта.

Фундаментальный факт природы состоит в том, что энергия не может быть создана или уничтожена. Это кратко изложено в закон сохранения энергии. Этот закон гласит, что полная энергия изолированной системы остается постоянной.

Хотя общая энергия остается постоянной, она может и часто меняет форму. Потенциал может превратиться в кинетический, кинетический может превратиться в тепловую энергию и так далее. Но общая сумма всегда остается прежней.

Важно отметить, что этот закон определяет изолированную систему. Изолированная система - это такая система, которая никоим образом не может взаимодействовать со своим окружением. Единственная возможно идеально изолированная система во Вселенной - это сама Вселенная. Однако на Земле можно создать множество систем, близких к изолированным (точно так же, как можно сделать трение незначительным, даже если оно никогда не равно нулю).

Преобразование энергии может происходить разными способами, обычно за счет высвобождения накопленной энергии в виде некоторого вида кинетической энергии или энергии излучения.

Например, химическая энергия может выделяться во время химических реакций. Во время такой реакции он переходит от химической потенциальной энергии к какой-либо другой форме, которая может включать лучистую энергию или тепловую энергию.

Ядерная энергия высвобождается во время ядерной реакции. Вот где знаменитый ЭйнштейнE = mc²В игру вступает уравнение (энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света). Масса ядра, которое расщепляется, чтобы высвободить энергию, в конце концов будет немного легче на величину, определяемую формулой Эйнштейна. Как бы безумно это ни звучало, массу можно считать формой потенциальной энергии.

Здесь, на Земле, вы, вероятно, часто используете электроэнергию. Каждый раз, когда вы включаете свет в своем доме или читаете что-то с электронного экрана, как сейчас, вы используете электрическую энергию. Но откуда эта энергия?

Очевидный ответ - батарейки или розетка, но что на самом деле является основным источником?

Когда дело доходит до батарей, энергия часто химически хранится в элементе батареи, но многие электронные устройства требуют, чтобы их батареи заряжались, подключая их к розетке.

Энергия, которая поступает в ваш дом по линиям электропередач, происходит где-то на электростанции. У электростанций есть много разных способов сбора энергии и превращения ее в электрическую.

Некоторые распространенные источники энергии, собираемой электростанциями и преобразующейся в электричество, включают:

• ​Солнечная энергия:Это лучистая энергия, которая исходит от солнца и может улавливаться солнечными батареями.
• ​Геотермальная энергия:Это тепловая энергия, находящаяся глубоко в земле, которая затем может быть передана на поверхность Земли для использования.
• ​Ископаемое топливо:К ним относятся уголь и нефть, которые часто сжигают для высвобождения энергии, хранящейся в химических связях.
• ​Ядерная энергия:Атомные электростанции генерируют энергию, разрушая атомные ядра и используя энергию, которая хранилась в ядерных связях.
• ​Гидроэлектрическая энергия:Это энергия, возникающая из гравитационной потенциальной энергии, а также кинетической энергии текущей воды.
• ​Энергия ветра:Для сбора энергии ветра используются гигантские турбины. Ветер вращает турбины, передавая им свою энергию.

Помните, в начале этой статьи были упомянуты фразы «У меня просто нет энергии сегодня» и «Этим детям нужно сжечь немного энергии»? Люди постоянно используют энергию, а не только из своих электронных устройств. И большие движения вашего тела, и мелкие процессы в нем требуют энергии.

Чтобы бегать, ходить пешком, плавать или даже просто чистить зубы, требуется энергия. Помните кинетическую энергию? Когда вы двигаетесь, вы делаете это с помощью кинетической энергии. Эта энергия должна откуда-то исходить.

Многие невидимые процессы, происходящие в вашем теле, также требуют энергии, например, дыхание, циркуляция крови, пищеварение и так далее.

Откуда люди берут энергию? Еда, конечно! Пища, которую вы едите, хранит в себе химическую энергию. Когда эта пища попадает в ваш желудок, желудочная кислота расщепляет ее, и определенные молекулы из пищи попадают во все различные места вашего тела, которые могут нуждаться в энергия. Затем, когда возникает необходимость, энергия получается посредством небольшой химической реакции.

Теперь, если вы не едите весь день и много бегаете, вы тратите много энергии и будете чувствовать себя «истощенным», пока не поедите и не дадите своему телу больше того, что ему нужно.