Шта је енергија у физици? (са формулама и примерима)

Вероватно у свом свакодневном животу стално користите реч енергија, али шта она заправо значи? Коју физичку количину добијате када кажете ствари попут: „Данас једноставно немам енергије“ или „Та деца треба да сагоре мало енергије“?

Колоквијална употреба речи можда вам даје почетни осећај шта је енергија, али у овом чланку ћете научите како физичари дефинишу енергију, научите које су различите врсте енергије и погледајте неке примере дуж начин.

Енергија је способност обављања посла или изазивања промена. То се разликује од силе. Сила је ствар која узрокује промену, док се на енергију може гледати као на подстицај силе. Потребна је енергија да би се применила сила, а примена силе на објекат често му преноси енергију.

СИ јединица енергије је џул где је 1 џул = 1 њутн × 1 метар или 1 кг⋅м²/ с². Остале јединице укључују калорије, килокалорије и киловат-сате.

Два основна облика енергије супотенцијална енергијаикинетичке енергије. Потенцијална енергија је ускладиштена енергија, док је кинетичка енергија енергија кретања.

Научници обично разликују макроскопске и микроскопске верзије ових врста енергије. На пример, потенцијална енергија који се складишти услед гравитације или услед стлачене опруге назива семеханичкипотенцијална енергија. Али предмети такође могу имати различиту врсту потенцијалне енергије ускладиштене у везама између молекула и између нуклеона у атомском језгру.

Механичка кинетичка енергија је енергија услед кретања макроскопског објекта. Али унутар било ког објекта, молекули сами имају своје кинетичке енергије другачијег типа.

Збир механичког потенцијала и кинетичке енергије објекта назива се његовукупна механичка енергија. То није исто што и укупна енергија објекта, што би био збир свих облика његове енергије, укључујући топлотну, хемијску и тако даље.

Тип потенцијалне енергије ускладиштене у молекуларним везама је облик енергије који се називахемијскаенергије. Енергија ускладиштена у атомским везама или нуклеарним везама се називаатомскаенергије илинуклеарнаенергије.

Зове се кинетичка енергија која постоји на молекуларном нивоу услед вибрација и кретања молекулатермичкаенергије илитоплотаенергије. Када мерите температуру, мерите просечну количину ове врсте енергије.

Најчешће врсте механичке потенцијалне енергије о којима бисте могли научити укључују:

• ​Гравитациона потенцијална енергија:Енергија ускладиштена у објекту на основу његовог положаја у гравитационом пољу. На пример, лопта која се држи високо изнад земље има гравитациону потенцијалну енергију. Када се пусти, то ће пасти као резултат.
• ​Електрична потенцијална енергија:То је енергија ускладиштена у наелектрисаном објекту због свог положаја у електричном пољу. На пример, електрони у колу ће због батерије бити обдарени одређеном количином електричне потенцијалне енергије. Када је коло повезано, то доводи до струјања електрона.
• ​Магнетна потенцијална енергија:То је енергија ускладиштена у објекту са магнетним моментом због свог положаја у магнетном пољу. Размислите када држите два магнета дугмета један близу другог и осетите како их вуку; ово је због магнетне потенцијалне енергије.
• ​Еластична потенцијална енергија:Ово је енергија ускладиштена у еластичном материјалу. На пример, развучена гумена трака складишти енергију, као и стиснута опруга. Када се било који пусти, преселиће се.

Механичка кинетичка енергија се разликује од потенцијалне енергије по томе што је повезана са кретањем и долази у само једној варијанти. Једноставна једначина даје кинетичку енергију било ког предмета масемкрећући се брзиномв. То је:

Што се објект брже креће или је тежи, то има више кинетичке енергије.

Када се објекат који има потенцијалну енергију пусти и пусти му да се слободно креће, он ће почети да се убрзава. Као резултат, његова кинетичка енергија се повећава. Истовремено, потенцијална енергија се смањује. У мрежи, укупна механичка енергија предмета остаје константна (под претпоставком да не делују трење или сличне силе), само се енергија мења у облику.

У последњем одељку представљена је једначина за механичку кинетичку енергију. Постоје и формуле за различите врсте потенцијалних енергија, као и једначине које описују однос између енергије и других физичких величина.

Гравитациона потенцијална енергија масему висинихизнад Земље је:

Гдег= 9,8 м / с² је убрзање услед гравитације.

Електрична потенцијална енергија наелектрисањакпод напономВ.је једноставно:

Тхе потенцијална енергија ускладиштена у опрузи даје:

Гдекје Константа опруге (константа која зависи од крутости опруге) иΔкје количина за коју се опруга сабија или растеже.

Промена топлотне енергије (односно пренос топлотне енергије) дата је следећом једначином:

ГдеКје енергија,мје маса,цје специфични топлотни капацитет иΔТје промена температуре у јединицама Келвина.

Рад физичке количине (дефинисан као умножак силе и померања) има исте јединице као енергија (Ј или Нм). Две величине, рад и кинетичка енергија, повезане су преко теореме о радно-кинетичкој енергији, која каже да је нето рад на објекту једнак промени кинетичке енергије објекта.

Основна чињеница природе је да се енергија не може створити нити уништити. Ово је резимирано у закон очувања енергије. Овај закон каже да укупна енергија изолованог система остаје константна.

Иако укупна енергија остаје константна, она може и често мења облик. Потенцијал се може променити у кинетички, кинетички у топлотну енергију и тако даље. Али укупан износ увек остаје исти.

Важно је напоменути да овај закон прецизира изоловани систем. Изоловани систем је онај у којем ни на који начин не може да ступи у интеракцију са околином. Једини могуће савршено изоловани систем у свемиру је, ето, сам свемир. Међутим, могуће је направити многе системе на Земљи који су близу изолације (баш као што је могуће трење учинити занемарљивим, чак и ако никада није 0.)

Претварање енергије може се догодити на много начина, обично из ускладиштене енергије која се ослобађа као нека врста кинетичке енергије или као енергија зрачења.

Хемијска енергија, на пример, може се ослободити током хемијских реакција. Током такве реакције она се претвара из хемијске потенцијалне енергије у неки други облик, који може укључивати енергију зрачења или топлотну енергију.

Нуклеарна енергија се ослобађа током нуклеарне реакције. Овде је Ајнштајнов познатиЕ = мц²у обзир долази једначина (енергија је једнака маси помноженој са брзином светлости на квадрат). Маса језгра које се раздвоји да би ослободило енергију на крају ће бити нешто лакша за количину одређену Ајнштајновом формулом. Колико год лудо звучало, сама маса се може сматрати обликом потенцијалне енергије.

Овде на Земљи вероватно користите електричну енергију често. Сваки пут када укључите светло у својој кући или прочитате нешто са електронског екрана као што сте тренутно, користите електричну енергију. Али одакле долази ова енергија?

Очигледан одговор су батерије или зидна утичница, али шта је стварни примарни извор?

Што се тиче батерија, енергија се често хемијски складишти у батеријској ћелији, али многи електронски уређаји захтевају да се батерије напуне повезивањем у зидну утичницу.

Енергија која у вашу кућу долази путем далековода потиче негде из електране. Електране имају много различитих начина сакупљања енергије и претварања у електричну енергију.

Неки уобичајени извори енергије које електране сакупљају и претварају у електричну енергију укључују:

• ​Соларна енергија:Ово је зрачна енергија која долази од сунца и коју соларне ћелије могу да ухвате.
• ​Геотермална енергија:То је топлотна енергија која се налази дубоко у земљи и која се затим може пренети на површину Земље ради употребе.
• ​Фосилна горива:Ту спадају угаљ и нафта, који се често сагоревају да би се ослободила енергија ускладиштена у хемијским везама.
• ​Нуклеарна енергија:Нуклеарне електране генеришу енергију разбијањем атомских језгара и искоришћавањем енергије која је била ускладиштена у нуклеарним везама.
• ​Хидроелектрична енергија:То је енергија која долази из гравитационе потенцијалне енергије као и кинетичка енергија у текућој води.
• ​Енергија ветра:За сакупљање енергије ветра користе се џиновске турбине. Ветар окреће турбине, преносећи на њих своју енергију.

Сећате се на почетку овог чланка где су поменуте фразе: „Данас једноставно немам енергије“ и „Та деца треба да сагоре мало енергије“? Људи стално користе енергију, и то не само из својих електронских уређаја. И велики покрети вашег тела и мали процеси у вашем телу захтевају енергију.

Потребна је енергија за трчање, планинарење, пливање или чак само прање зуба. Сећате се кинетичке енергије? Када се крећете, то чините помоћу кинетичке енергије. Та енергија мора да дође однекуд.

Многи невидљиви процеси који се одвијају у вашем телу такође захтевају енергију, попут дисања, циркулације крви, варења и тако даље.

Одакле људи црпе енергију? Храна, наравно! Храна коју једете у себи има ускладиштену хемијску енергију. Када та храна уђе у ваш стомак, ваша желучана киселина разграђује храну и то извесно молекули из хране се пробијају до свих различитих места у телу која би могла бити потребна енергије. Тада се, када се укаже потреба, енергија добија малом хемијском реакцијом.

Ако не једете цео дан и не трчите пуно, трошите много енергије и осећаћете се „исцрпљено“ док не поједете и обезбедите свом телу више онога што му треба.