Vad är energi i fysik? (med formel och exempel)

Du använder antagligen ordet energi i ditt vardagsliv hela tiden, men vad betyder det egentligen? Vilken fysisk kvantitet får du när du säger saker som "Jag har bara inte energi idag" eller "De barnen behöver bränna bort lite energi"?

Ordets allmänna användning kan ge dig en första känsla av vad energi är, men i den här artikeln kommer du att göra det lära sig hur fysiker definierar energi, lära sig vilka olika typer av energi är och se några exempel längs sätt.

Energi är förmågan att utföra arbete eller orsaka förändring. Det skiljer sig från en kraft. En kraft är det som orsakar förändringen, medan energi kan ses som drivkraften bakom kraften. Det krävs energi för att applicera en kraft, och att applicera en kraft på ett objekt överför ofta energi till den.

SI-enheten för energi är joule där 1 joule = 1 newton × 1 meter eller 1 kg⋅m²/ s². Andra enheter inkluderar kalorier, kilokalorier och kilowattimmar.

De två mest grundläggande energiformerna ärpotentiell energi

Forskare skiljer vanligtvis mellan makroskopiska och mikroskopiska versioner av dessa energityper. Till exempel, potentiell energi som lagras på grund av gravitation eller på grund av en komprimerad fjäder kallasmekaniskpotentiell energi. Men föremål kan också ha en annan typ av potentiell energi lagrad i bindningarna mellan molekyler och mellan nukleoner i en atomkärna.

Mekanisk kinetisk energi är energin på grund av rörelsen hos ett makroskopiskt objekt. Men inuti något föremål har molekylerna själva sina egna kinetiska energier av en annan typ.

Summan av ett objekts mekaniska potential och kinetiska energi kallas desstotal mekanisk energi. Detta är inte detsamma som objektets totala energi, vilket skulle vara summan av alla former av dess energi, inklusive termisk, kemisk och så vidare.

Den typ av potentiell energi som lagras i molekylära bindningar är en energiform som kallaskemiskenergi. Energi lagrad i atombindningar eller kärnbindningar kallasatom-energi ellerkärnenergi.

Kinetisk energi som finns på molekylär nivå på grund av molekylernas vibrationer och rörelser kallastermiskenergi ellervärmeenergi. När du mäter temperaturen mäter du den genomsnittliga mängden av denna typ av energi.

De vanligaste typerna av mekanisk potentiell energi som du kan lära dig är:

• ​Potentiell gravitationsenergi:Energin som lagras i ett objekt baserat på dess placering i ett gravitationsfält. Till exempel har en boll som hålls högt över jorden gravitationspotentialenergi. När den släpps kommer den att släppas som ett resultat.
• ​Elektrisk potentiell energi:Detta är den energi som lagras i ett laddat objekt på grund av dess läge i ett elektriskt fält. Till exempel kommer elektronerna i en krets att utrustas med en viss mängd elektrisk potentiell energi på grund av batteriet. När kretsen är ansluten får detta elektronerna att strömma.
• ​Magnetisk potentialenergi:Detta är energi som lagras i ett objekt med magnetiskt moment på grund av dess läge i ett magnetfält. Tänk på när du håller två knappmagneter nära varandra och du känner att de drar; detta beror på den magnetiska potentialenergin.
• ​Elastisk potentialenergi:Detta är energi lagrad i ett elastiskt material. Till exempel har ett sträckt gummiband lagrat energi, liksom en komprimerad fjäder. När någon av dem släpps kommer de att röra sig.

Mekanisk kinetisk energi skiljer sig från potentiell energi genom att den är associerad med rörelse, och den finns i bara en variation. En enkel ekvation ger kinetisk energi för alla massföremålmrör sig med fartv. Det är:

Ju snabbare ett objekt rör sig eller ju tyngre det är, desto mer kinetisk energi har det.

När ett föremål som har potentiell energi släpps och får röra sig fritt kommer det att börja accelerera. Som ett resultat ökar dess kinetiska energi. Samtidigt minskar den potentiella energin. I nätet förblir objektets totala mekaniska energi konstant (förutsatt att ingen friktion eller liknande krafter verkar), det är bara att energin ändrar form.

I det sista avsnittet introducerades ekvationen för mekanisk kinetisk energi. Det finns också formler för olika typer av potentiella energier samt ekvationer som beskriver förhållandet mellan energi och andra fysiska storheter.

Gravitationell potentiell energi av massampå höjdenhovanför jorden är:

Varg= 9,8 m / s² är accelerationen på grund av tyngdkraften.

Den elektriska potentialen för en laddningqvid spänningVär helt enkelt:

De potentiell energi lagrad under en fjäder ges av:

Varkär vårkonstant (en konstant som beror på fjäderns styvhet) ochΔxär den mängd med vilken fjädern komprimeras eller sträcks.

Värmeenergiförändring (aka överförd värmeenergi) ges av följande ekvation:

VarFär energin,mär massan,cär den specifika värmekapaciteten ochATär temperaturförändringen i enheter av Kelvin.

Det fysiska kvantitetsarbetet (definierat som produkten av kraft och förskjutning) har samma enheter som energi (J eller Nm). De två kvantiteterna, arbete och kinetisk energi, är relaterade via den arbets-kinetiska energisatsen, som anger att nätverket på ett objekt är lika med förändringen i objektets kinetiska energi.

Ett grundläggande faktum i naturen är att energi varken kan skapas eller förstöras. Detta sammanfattas i lag om energibesparing. Denna lag säger att den totala energin i ett isolerat system förblir konstant.

Medan den totala energin förblir konstant kan den och ändrar ofta form. Potential kan förändras till kinetisk, kinetisk kan förändras till termisk energi och så vidare. Men det totala beloppet förblir alltid detsamma.

Det är viktigt att notera att denna lag specificerar ett isolerat system. Ett isolerat system är ett system som inte på något sätt kan interagera med omgivningen. Det enda möjligen perfekt isolerade systemet i universum är, ja, själva universum. Det är dock möjligt att göra många system på jorden som är nära att isoleras (precis som det är möjligt att göra friktion försumbar, även om den aldrig är 0.)

Energiomvandling kan ske på många sätt, vanligtvis från att lagrad energi släpps ut som kinetisk energi av något slag eller som strålningsenergi.

Kemisk energi kan till exempel frigöras under kemiska reaktioner. Under en sådan reaktion ändras den från kemisk potentiell energi till någon annan form, som kan inkludera strålningsenergi eller värmeenergi.

Kärnenergi frigörs under en kärnreaktion. Det är här Einstein är berömdE = mc²ekvation kommer till spel (energi är lika med massa gånger ljusets hastighet i kvadrat). Massan av en kärna som delar sig för att frigöra energi blir i slutändan något lättare med en mängd bestämd av Einsteins formel. Så galet som det låter kan själva massan betraktas som en form av potentiell energi.

Här på jorden använder du sannolikt ofta elektrisk energi. Varje gång du tänder ett ljus i ditt hus eller läser något av en elektronisk skärm som du är just nu använder du elektrisk energi. Men var kommer denna energi ifrån?

Det uppenbara svaret är batterier eller vägguttag, men vad är den faktiska primära källan?

När det gäller batterier lagras ofta energi kemiskt i en battericell, men många elektroniska enheter kräver att deras batterier laddas genom att ansluta dem till ett vägguttag.

Energin som kommer till ditt hus genom kraftledningar har sitt ursprung i ett kraftverk någonstans. Kraftverk har många olika sätt att skörda energi och förvandla den till elektrisk energi.

Några vanliga energikällor som skördats av kraftverk och omvandlas till el inkluderar:

• ​Solenergi:Detta är strålningsenergi som kommer från solen och kan fångas upp av solceller.
• ​Geotermisk energi:Detta är termisk energi som finns djupt i marken som sedan kan överföras till jordens yta för användning.
• ​Fossila bränslen:Dessa inkluderar kol och olja, som ofta bränns för att frigöra energi lagrad i kemiska bindningar.
• ​Kärnenergi:Kärnkraftverk genererar energi genom att bryta isär atomkärnor och utnyttja den energi som lagrades i kärnkraftsbindningarna.
• ​Vattenkraft:Detta är energi som kommer från gravitationell potentiell energi såväl som kinetisk energi i strömmande vatten.
• ​Vindkraft:För att skörda vindenergi används jätte turbiner. Vinden vrider turbinerna och överför sin energi till dem.

Kom ihåg i början av den här artikeln där fraserna "Jag har bara inte energi idag" och "Dessa barn behöver bränna bort lite energi" nämndes? Människor använder energi hela tiden, och inte bara från sina elektroniska enheter. Både kroppens stora rörelser och små processer i kroppen kräver energi.

Det tar energi att springa, vandra, simma eller till och med bara borsta tänderna. Kommer du ihåg kinetisk energi? När du rör dig gör du det via kinetisk energi. Den energin måste komma någonstans.

Många osynliga processer som pågår i din kropp kräver också energi, som att andas, cirkulera ditt blod, smälta och så vidare.

Varifrån får människor sin energi? Mat, förstås! Maten du äter har lagrad kemisk energi i sig. När den maten tar sig in i magen bryter din magsyra ner maten, och vissa molekyler från maten tar sig till alla olika platser i din kropp som kan behöva energi. Sedan, när behovet uppstår, erhålls energi via en liten kemisk reaktion.

Nu, om du inte äter hela dagen och kör mycket, spenderar du mycket energi och kommer att känna dig "tömd" tills du äter och förse din kropp med mer av vad den behöver.