Jedným zo základných zákonov vesmíru je, že energia sa ani nevytvára, ani nezničí - iba mení formy. V dôsledku toho existuje veľa receptov na energiu. Aby sme pochopili, ako sú tieto vzorce výrazom toho istého, je dôležité najskôr pochopiť, čo majú fyzici na mysli, keď hovoria o energii. Je to pojem zakorenený v konceptoch klasickej fyziky, ktoré objasnil Sir Isaac Newton.
Vzorec pre energiu pohybu je:
KE = 0,5 \ krát m \ krát v ^ 2
kde KE je kinetická energia v jouloch, m je hmotnosť v kilogramoch a v je rýchlosť v metroch za sekundu.
Sila a práca
Newtonove tri pohybové zákony tvoria základ pre klasickú fyziku. Prvý zákon definuje silu ako tú, ktorá spôsobuje pohyb, a druhý zákon dáva do súvislosti silu pôsobiacu na predmet so zrýchlením, ktorému podstupuje. Ak sila (F) urýchli teleso na vzdialenosť (d), urobí množstvo práce (W), ktoré sa rovná sile vynásobený vzdialenosťami a faktorom, ktorý zohľadňuje uhol medzi nimi (θ, grécke písmeno theta). Ako matematický výraz to znamená:
W = Fd \ cos {\ theta}
Metrické jednotky pre silu sú newtony, jednotky pre vzdialenosť sú metre a jednotky pre prácu sú newtonmetre alebo jouly. Energia je kapacita na prácu a vyjadruje sa tiež v jouloch.
Kinetická a potenciálna energia
Objekt v pohybe má svoju energiu pohybu, ktorá je ekvivalentná práci, ktorá by bola potrebná na jeho uvedenie do pokoja. Toto sa nazýva jeho kinetická energia a je závislá na druhej mocnine rýchlosti objektu (v) a na jednej polovici jeho hmotnosti (m). Objekt v pokoji v gravitačnom poli Zeme vlastní potenciálnu energiu vďaka svojej nadmorskej výške; ak by mal voľne padať, získal by kinetickú energiu rovnajúcu sa tejto potenciálnej energii. Potenciálna energia závisí od hmotnosti objektu, jeho výšky (h) a gravitačného zrýchlenia (g). Matematicky to je:
PE = mgh
Elektrická energia
Výpočet energie v elektrických systémoch závisí od množstva prúdu pretekajúceho cez a (I) v ampéroch, ako aj na elektrickom potenciáli alebo napätí (V), poháňajúcom prúd, v voltov. Vynásobením týchto dvoch parametrov získate výkon elektriny (P) vo wattoch a vynásobením P časom počas ktorej elektrina prúdi (t) v sekundách dáva množstvo elektrickej energie v systéme v joulov. Matematický výraz pre elektrickú energiu vo vodivom obvode je:
E_e = Pt = VIt
Podľa tohto vzťahu ponechanie 100-wattovej žiarovky na jednu minútu vyžaduje 6 000 joulov energie. To sa rovná množstvu kinetickej energie, ktorú by mala 1 kilogramová skala, keby ste ju zhodili z výšky 612 metrov (ignorujúc trenie vzduchu).
Niektoré ďalšie formy energie
Svetlo, ktoré vidíme, je elektromagnetický jav, ktorý má energiu na základe vibrácií balíkov vĺn nazývaných fotóny. Nemecký fyzik Max Planck zistil, že energia fotónu je úmerná frekvencii (f), s ktorou vibruje a vypočítal konštantu proporcionality (h), ktorá sa v ňom nazýva Planckova konštanta česť. Výraz pre energiu fotónu je teda:
E_p = hf
Podľa Teórie relativity Alberta Einsteina má každá častica hmoty inherentnú potenciálnu energiu úmernú hmotnosti častice a štvorcu rýchlosti svetla (c). Relevantný výraz je:
E_m = mc ^ 2
Einsteinove výpočty boli potvrdené vývojom atómovej bomby.