Čo je to energia vo fyzike? (s vzorcom a príkladmi)

Slovo energia pravdepodobne používate vo svojom každodennom živote stále, ale čo to v skutočnosti znamená? K akej fyzickej veličine sa dostávate, keď hovoríte napríklad: „Ja dnes jednoducho nemám energiu“ alebo „Tieto deti musia spáliť trochu energie“?

Hovorové použitie tohto slova vám môže dať počiatočný prehľad o tom, čo je to energia, ale v tomto článku to urobíte Naučte sa, ako fyzici definujú energiu, čo sú rôzne druhy energie a uvidíte niekoľko príkladov spôsobom.

Energia je schopnosť pracovať alebo spôsobiť zmenu. Je to iné ako sila. Sila je vec, ktorá spôsobuje zmenu, zatiaľ čo energiu možno považovať za impulz za touto silou. Na uplatnenie sily je potrebná energia a pôsobením sily na predmet sa energia často prenáša.

Jednotkou energie SI je joule, kde 1 joule = 1 newton × 1 meter alebo 1 kg⋅m²/ s². Medzi ďalšie jednotky patria kalórie, kilokalórie a kilowatthodiny.

Dve najzákladnejšie formy energie súpotenciálna energiaaKinetická energia. Potenciálna energia je uložená energia, zatiaľ čo kinetická energia je energia pohybu.

Vedci zvyčajne rozlišujú medzi makroskopickými a mikroskopickými verziami týchto typov energie. Napríklad, potenciálna energia ktorý je uložený v dôsledku gravitácie alebo v dôsledku stlačenej pružiny, sa nazývamechanickýpotenciálna energia. Ale objekty môžu mať tiež iný typ potenciálnej energie uloženej vo väzbách medzi molekulami a medzi nukleónmi v atómovom jadre.

Mechanická kinetická energia je energia spôsobená pohybom makroskopického objektu. Ale vo vnútri ktoréhokoľvek objektu majú samotné molekuly svoje vlastné kinetické energie iného typu.

Súčet mechanického potenciálu a kinetickej energie objektu sa nazýva jehocelková mechanická energia. To nie je to isté ako celková energia objektu, ktorá by bola súčtom všetkých foriem jeho energie, vrátane tepelnej, chemickej atď.

Typ potenciálnej energie uloženej v molekulárnych väzbách je forma energie nazývanáchemická látkaenergie. Energia uložená v atómových väzbách alebo jadrových väzbách sa nazývaatómovýenergia respjadrovýenergie.

Kinetická energia, ktorá existuje na molekulárnej úrovni v dôsledku vibrácií a pohybov molekúl, sa nazývatermálnyenergia respteploenergie. Pri meraní teploty meriate priemerné množstvo tohto typu energie.

Medzi najbežnejšie typy mechanickej potenciálnej energie, o ktorých by ste sa mohli dozvedieť, patria:

• ​Gravitačná potenciálna energia:Energia uložená v objekte na základe jeho umiestnenia v gravitačnom poli. Napríklad lopta držaná vysoko nad zemou má gravitačnú potenciálnu energiu. Po uvoľnení v dôsledku toho poklesne.
• ​Elektrická potenciálna energia:Ide o energiu uloženú v nabitom objekte v dôsledku jeho polohy v elektrickom poli. Napríklad elektróny v obvode dostanú vďaka batérii určité množstvo elektrickej potenciálnej energie. Keď je obvod pripojený, spôsobí to tok elektrónov.
• ​Magnetická potenciálna energia:Ide o energiu uloženú v objekte s magnetickým momentom v dôsledku jeho umiestnenia v magnetickom poli. Zvážte, kedy držíte dva gombíkové magnety blízko seba a cítite, ako ich ťahajú; je to z dôvodu magnetickej potenciálnej energie.
• ​Elastická potenciálna energia:To je energia uložená v elastickom materiáli. Napríklad natiahnutá gumička ukladala energiu, rovnako ako stlačená pružina. Keď jedného z nich prepustia, pohnú sa.

Mechanická kinetická energia sa líši od potenciálnej energie v tom, že je spojená s pohybom, a dodáva sa iba v jednej odrode. Jednoduchá rovnica udáva kinetickú energiu ľubovoľného objektu hmotnostimpohybujúci sa rýchlosťouv. To je:

Čím rýchlejšie sa objekt pohybuje alebo je ťažší, tým viac kinetickej energie má.

Keď sa objekt, ktorý má potenciálnu energiu, uvoľní a nechá sa voľne pohybovať, začne sa akcelerovať. Vďaka tomu sa zvyšuje jeho kinetická energia. Zároveň klesá potenciálna energia. V sieti zostáva celková mechanická energia objektu konštantná (za predpokladu, že nebude pôsobiť trenie alebo podobné sily), jedná sa len o to, že sa vytvárajú energetické zmeny.

V poslednej časti bola predstavená rovnica pre mechanickú kinetickú energiu. Existujú tiež vzorce pre rôzne typy potenciálnych energií, ako aj rovnice, ktoré popisujú vzťah medzi energiou a inými fyzikálnymi veličinami.

Gravitačná potenciálna energia hmotymvo výškehnad Zemou je:

Kdeg= 9,8 m / s² je gravitačné zrýchlenie.

Elektrická potenciálna energia nábojaqpri napätíV.je jednoducho:

The potenciálna energia uložená na jar je daný:

Kdekje jarná konštanta (konštanta, ktorá závisí od tuhosti pružiny) aΔxje množstvo, o ktoré je pružina stlačená alebo natiahnutá.

Zmena tepelnej energie (alias prenesená tepelná energia) je daná nasledujúcou rovnicou:

KdeQje energia,mje hmota,cje špecifická tepelná kapacita aΔTje zmena teploty v jednotkách Kelvina.

Práca s fyzikálnou veličinou (definovaná ako súčin sily a posunu) má rovnaké jednotky ako energia (J alebo Nm). Dve veličiny, pracovná a kinetická energia, súvisia prostredníctvom vety o pracovnej kinetickej energii, ktorá uvádza, že čistá práca na objekte sa rovná zmene kinetickej energie objektu.

Zásadným prírodným faktom je, že energiu nemožno vytvoriť ani zničiť. Toto je zhrnuté v dokumente zákon zachovania energie. Tento zákon stanovuje, že celková energia izolovaného systému zostáva konštantná.

Aj keď celková energia zostáva konštantná, môže a často mení formu. Potenciál sa môže zmeniť na kinetický, kinetický sa môže zmeniť na tepelnú energiu atď. Celková suma však vždy zostáva rovnaká.

Je dôležité poznamenať, že tento zákon určuje izolovaný systém. Izolovaný systém je systém, v ktorom nemôže v žiadnom prípade interagovať s okolím. Jediným možným dokonale izolovaným systémom vo vesmíre je vesmír sám. Na Zemi je však možné vytvoriť veľa systémov, ktoré sú blízko izolácie (rovnako ako je možné znížiť trenie na zanedbateľné, aj keď nikdy nie je 0.)

K premene energie môže dôjsť mnohými spôsobmi, zvyčajne z akumulovanej energie, ktorá sa uvoľňuje ako nejaká kinetická energia alebo ako žiarivá energia.

Chemická energia sa napríklad môže uvoľňovať pri chemických reakciách. Počas takejto reakcie sa mení z chemickej potenciálnej energie na inú formu, ktorá môže zahŕňať sálavú energiu alebo tepelnú energiu.

Jadrová energia sa uvoľňuje počas jadrovej reakcie. To je miesto, kde je slávny EinsteinE = mc²do hry vstupuje rovnica (energia sa rovná hmotnosti krát rýchlosť svetla na druhú). Hmota jadra, ktorá sa rozdelí na uvoľnenie energie, bude nakoniec o niečo ľahšia o množstvo určené Einsteinovým vzorcom. Akokoľvek to znie šialene, samotnú hmotu možno považovať za formu potenciálnej energie.

Tu na Zemi pravdepodobne často využívate elektrickú energiu. Zakaždým, keď vo svojom dome rozsvietite svetlo alebo prečítate niečo z elektronickej obrazovky, ako ste práve teraz, využívate elektrickú energiu. Odkiaľ však táto energia pochádza?

Zrejmou odpoveďou sú batérie alebo sieťová zásuvka, ale aký je skutočný primárny zdroj?

Pokiaľ ide o batérie, energia sa často chemicky akumuluje v batériovom článku, ale veľa elektronických zariadení vyžaduje, aby sa ich batérie nabíjali pripojením k sieťovej zásuvke.

Energia, ktorá prichádza do vášho domu prostredníctvom elektrického vedenia, pochádza niekde z elektrárne. Elektrárne majú veľa rôznych spôsobov získavania energie a jej premeny na elektrickú energiu.

Niektoré bežné zdroje energie zozbierané v elektrárňach a prevedené na elektrinu zahŕňajú:

• ​Solárna energia:Toto je žiarivá energia, ktorá pochádza zo slnka a ktorú môžu zachytiť solárne články.
• ​Geotermálnej energie:Toto je tepelná energia nachádzajúca sa hlboko v zemi, ktorá sa potom môže preniesť na povrch Zeme na ďalšie použitie.
• ​Fosílne palivá:Patrí sem uhlie a ropa, ktoré sa často spaľujú, aby sa uvoľnila energia uložená v chemických väzbách.
• ​Jadrová energia:Jadrové elektrárne generujú energiu rozkladom atómových jadier a využívaním energie uloženej v jadrových väzbách.
• ​Hydroelektrická energia:Toto je energia, ktorá pochádza z gravitačnej potenciálnej energie, ako aj z kinetickej energie v tečúcej vode.
• ​Veterná energia:Na zber veternej energie sa používajú obrovské turbíny. Vietor otáča turbíny a prenáša na ne svoju energiu.

Pamätáte si na začiatku tohto článku, kde boli spomenuté vety: „Len dnes nemám energiu“ a „Tieto deti musia spáliť energiu“? Ľudia využívajú energiu neustále, nielen zo svojich elektronických zariadení. Veľké pohyby tela a malé procesy vo vašom tele vyžadujú energiu.

Beh, túra, plávanie alebo dokonca len čistenie zubov si vyžaduje energiu. Pamätáte si kinetickú energiu? Keď sa pohybujete, robíte to prostredníctvom kinetickej energie. Tá energia musí odniekiaľ pochádzať.

Mnoho neviditeľných procesov, ktoré prebiehajú vo vašom tele, si tiež vyžaduje energiu, ako je dýchanie, cirkulácia krvi, trávenie atď.

Odkiaľ ľudia berú energiu? Jedlo, samozrejme! Potraviny, ktoré konzumujete, majú v sebe uloženú chemickú energiu. Keď sa toto jedlo dostane do vášho žalúdka, vaša žalúdočná kyselina jedlo rozloží a to isté molekuly z potravy sa dostanú na všetky rôzne miesta v tele, ktoré by mohli potrebovať energie. Potom, keď vznikne potreba, sa energia získava malou chemickou reakciou.

Teraz, keď nejete celý deň a veľa beháte, vydáte veľa energie a budete sa cítiť „vyčerpaní“, kým nebudete jesť a neposkytnete telu viac toho, čo potrebuje.