Kaj je energija v fiziki? (z / Formula in primeri)

Verjetno besedo energija ves čas uporabljate v vsakdanjem življenju, kaj pa v resnici pomeni? Kakšno fizično količino dosežete, ko rečete stvari, kot so: "Danes preprosto nimam energije" ali "Ti otroci morajo nekaj energije pokuriti"?

Pogovorna uporaba besede vam bo morda dala začetni občutek, kaj je energija, toda v tem članku boste se naučite, kako fiziki opredeljujejo energijo, spoznajte, katere vrste energije so, in si oglejte nekaj primerov način.

Energija je sposobnost dela ali povzročanja sprememb. Razlikuje se od sile. Sila je stvar, ki povzroči spremembo, medtem ko lahko energijo razumemo kot zagon sile. Za uporabo sile je potrebna energija, sila pa na predmet pogosto prenese energijo.

Enota energije SI je džul, kjer je 1 džul = 1 newton × 1 meter ali 1 kg⋅m²/ s². Druge enote vključujejo kalorije, kilokalorije in kilovatne ure.

Dve najbolj temeljni obliki energije stapotencialna energijainkinetična energija. Potencialna energija je shranjena energija, kinetična pa energija gibanja.

Znanstveniki običajno razlikujejo med makroskopskimi in mikroskopskimi različicami teh vrst energije. Na primer potencialna energija ki se shrani zaradi gravitacije ali zaradi stisnjene vzmetimehanskipotencialna energija. Predmeti pa imajo lahko tudi drugačno vrsto potencialne energije, shranjene v vezah med molekulami in med nukleoni v atomskem jedru.

Mehanska kinetična energija je energija zaradi gibanja makroskopskega predmeta. Toda znotraj katerega koli predmeta imajo molekule same svoje lastne kinetične energije drugačnega tipa.

Vsota mehaničnega potenciala in kinetične energije predmeta se imenuje njegovacelotna mehanska energija. To ni enako celotni energiji predmeta, ki bi bila vsota vseh oblik njegove energije, vključno s toplotno, kemično in tako naprej.

Vrsta potencialne energije, shranjene v molekularnih vezah, je oblika energije, ki se imenujekemičnaenergija. Imenuje se energija, shranjena v atomskih ali jedrskih vezahatomskaenergije ozjedrskeenergija.

Kliče se energija, ki obstaja na molekularni ravni zaradi vibracij in gibanj molekultoplotnoenergije oztoplotaenergija. Ko merite temperaturo, merite povprečno količino te vrste energije.

Najpogostejše vrste mehanske potencialne energije, o katerih se lahko naučite, vključujejo:

• ​Gravitacijska potencialna energija:Energija, shranjena v predmetu glede na njegovo lokacijo v gravitacijskem polju. Na primer, žoga, ki se drži visoko nad zemljo, ima gravitacijsko potencialno energijo. Ko se sprosti, bo posledično padel.
• ​Potencialna električna energija:To je energija, shranjena v napolnjenem predmetu zaradi njegovega položaja v električnem polju. Na primer, elektroni v vezju bodo zaradi baterije dobili določeno količino električne potencialne energije. Ko je vezje povezano, to povzroči pretok elektronov.
• ​Magnetna potencialna energija:To je energija, shranjena v objektu z magnetnim momentom zaradi njegove lege v magnetnem polju. Razmislite, kdaj dva magneta na gumbu držite blizu drugega in čutite, da se vlečeta; to je zaradi magnetne potencialne energije.
• ​Elastična potencialna energija:To je energija, shranjena v elastičnem materialu. Na primer, raztegnjen gumijasti trak ima shranjeno energijo, prav tako stisnjena vzmet. Ko bodo izpuščeni, se bodo premaknili.

Mehanska kinetična energija se od potencialne energije razlikuje po tem, da je povezana z gibanjem in je v samo eni sorti. Preprosta enačba daje kinetično energijo katerega koli predmeta masempremikanje s hitrostjov. To je:

Hitreje kot se objekt premika ali težji je, več kinetične energije ima.

Ko se objekt, ki ima potencialno energijo, sprosti in mu omogoči prosto gibanje, bo začel pospeševati. Posledično se njegova kinetična energija poveča. Hkrati se potencialna energija zmanjša. V celoti ostaja celotna mehanska energija predmeta konstantna (ob predpostavki, da ne delujejo trenje ali podobne sile), samo da se energija spremeni.

V zadnjem poglavju je bila predstavljena enačba za mehansko kinetično energijo. Obstajajo tudi formule za različne vrste potencialnih energij in enačbe, ki opisujejo razmerje med energijo in drugimi fizikalnimi veličinami.

Gravitacijska potencialna energija masemna višinihnad Zemljo je:

Kjeg= 9,8 m / s² je pospešek zaradi gravitacije.

Električna potencialna energija nabojaqpri napetostiVje preprosto:

The potencialna energija, shranjena spomladi podaja:

Kjekali je vzmetna konstanta (konstanta, ki je odvisna od togosti vzmeti) inΔxje količina stiskanja ali raztezanja vzmeti.

Sprememba toplotne energije (tj. Prenesena toplotna energija) je podana z naslednjo enačbo:

KjeVje energija,mje masa,cje specifična toplotna zmogljivost inΔTje sprememba temperature v enotah Kelvina.

Fizično količinsko delo (opredeljeno kot produkt sile in premika) ima enake enote kot energija (J ali Nm). Dve količini, delo in kinetična energija, sta povezani s teoremom o delovni kinetični energiji, ki pravi, da je neto delo na predmetu enako spremembi kinetične energije predmeta.

Temeljno dejstvo narave je, da energije ni mogoče niti ustvariti niti uničiti. To je povzeto v zakon o ohranjanju energije. Ta zakon določa, da celotna energija izoliranega sistema ostaja konstantna.

Celotna energija ostaja nespremenjena, vendar lahko in pogosto tudi spremeni obliko. Potencial se lahko spremeni v kinetični, kinetični v toplotna energija itd. Toda skupni znesek vedno ostane enak.

Pomembno je omeniti, da ta zakon določa izoliran sistem. Izoliran sistem je sistem, v katerem nikakor ne more komunicirati z okolico. Edini možno popolnoma izoliran sistem v vesolju je vesolje samo. Vendar je mogoče na Zemlji narediti veliko sistemov, ki so blizu izolacije (tako kot je mogoče trenje zanemariti, tudi če ni nikoli 0.)

Pretvorba energije se lahko zgodi na več načinov, običajno iz shranjene energije, ki se sprosti kot nekakšna kinetična energija ali kot sevalna energija.

Kemična energija se na primer lahko sprosti med kemičnimi reakcijami. Med takšno reakcijo se iz kemijske potencialne energije spremeni v drugo obliko, ki lahko vključuje sevalno ali toplotno energijo.

Med jedrsko reakcijo se sprosti jedrska energija. Tu je Einsteinova slavnaE = mc²v poštev pride enačba (energija je enaka masi, pomnoženi s hitrostjo svetlobe na kvadrat). Masa jedra, ki se razcepi in sprosti energijo, bo na koncu nekoliko lažja za količino, določeno z Einsteinovo formulo. Kolikor se sliši noro, lahko samo maso štejemo za obliko potencialne energije.

Tukaj na Zemlji verjetno pogosto uporabljate električno energijo. Vsakič, ko v svoji hiši prižgete luč ali kaj odčitate z elektronskega zaslona, ​​kot ste zdaj, uporabljate električno energijo. Toda od kod ta energija?

Očiten odgovor so baterije ali vtičnica, toda kaj je dejanski primarni vir?

Pri baterijah se energija pogosto kemično shranjuje v baterijski celici, vendar številne elektronske naprave zahtevajo, da se baterije napolnijo tako, da jih priključite v stensko vtičnico.

Energija, ki pride v vašo hišo prek daljnovodov, izvira nekje iz elektrarne. Elektrarne imajo na različne načine nabiranje energije in njeno pretvorbo v električno energijo.

Nekateri pogosti viri energije, pridobljene v elektrarnah in pretvorjene v elektriko, vključujejo:

• ​Sončna energija:To je sevalna energija, ki prihaja iz sonca in jo sončne celice lahko zajamejo.
• ​Geotermalna energija:To je toplotna energija, ki jo najdemo globoko v tleh in jo lahko nato prenesemo na površino Zemlje za uporabo.
• ​Fosilna goriva:Sem spadata premog in nafta, ki se pogosto sežgeta, da sprostita energijo, shranjeno v kemičnih vezah.
• ​Nuklearna energija:Jedrske elektrarne proizvajajo energijo z razbijanjem atomskih jeder in izkoriščanjem energije, ki je bila shranjena v jedrskih vezah.
• ​Hidroelektrična energija:To je energija, ki prihaja iz gravitacijske potencialne energije in kinetične energije v tekoči vodi.
• ​Vetrna energija:Za pridobivanje energije vetra se uporabljajo orjaške turbine. Veter obrača turbine in jim prenaša svojo energijo.

Se spomnite že na začetku tega članka, kjer so bili omenjeni stavki: "Danes preprosto nimam energije" in "Ti otroci morajo malo porabiti energijo"? Ljudje ves čas izkoriščamo energijo in ne samo iz svojih elektronskih naprav. Tako veliki gibi telesa kot majhni procesi v telesu zahtevajo energijo.

Potrebujete energijo za tek, pohod, plavanje ali celo samo umivanje zob. Se spomnite kinetične energije? Ko se premikate, to počnete s pomočjo kinetične energije. Ta energija mora prihajati od nekod.

Številni nevidni procesi, ki se odvijajo v vašem telesu, zahtevajo tudi energijo, kot so dihanje, kroženje krvi, prebava in tako naprej.

Od kod ljudje črpajo energijo? Hrana, seveda! Hrana, ki jo jeste, ima v sebi shranjeno kemično energijo. Ko se ta hrana prebije v želodec, želodčna kislina razgradi hrano in to zagotovo molekule iz hrane se odpeljejo na vsa različna mesta v telesu, ki bi jih morda potrebovali energija. Nato, ko se pojavi potreba, se energija pridobi z majhno kemično reakcijo.

Zdaj, če ves dan ne jeste in veliko tekate naokoli, porabite veliko energije in se boste počutili "izčrpane", dokler ne boste jedli in telesu zagotovili več, kar potrebuje.