Fizikte Enerji Nedir? (Formül ve Örnekler ile)

Muhtemelen günlük yaşamınızda enerji kelimesini her zaman kullanıyorsunuz, ama bu gerçekten ne anlama geliyor? “Bugün sadece enerjim yok” veya “Bu çocukların biraz enerji harcaması gerekiyor” gibi şeyler söylediğinde hangi fiziksel niceliğe ulaşıyorsun?

Sözcüğün konuşma dilindeki kullanımı size enerjinin ne olduğuna dair bir ilk fikir verebilir, ancak bu makalede fizikçilerin enerjiyi nasıl tanımladıklarını öğrenin, farklı enerji türlerinin neler olduğunu öğrenin ve aşağıdaki örneklerden bazılarını görün. yol.

Enerji, iş yapma veya değişime neden olma yeteneğidir. Bir kuvvetten farklıdır. Bir kuvvet, değişime neden olan şeydir, enerji ise kuvvetin arkasındaki itici güç olarak düşünülebilir. Bir kuvvet uygulamak için enerji gerekir ve bir nesneye kuvvet uygulamak genellikle ona enerji aktarır.

SI enerji birimi, 1 joule = 1 newton × 1 metre veya 1 kg⋅m olduğunda joule'dür.²/s². Diğer birimler kalori, kilokalori ve kilovat saati içerir.

Enerjinin en temel iki biçimi

Bilim adamları genellikle bu enerji türlerinin makroskopik ve mikroskobik versiyonları arasında ayrım yapar. Örneğin, potansiyel enerji yerçekimi veya sıkıştırılmış bir yay nedeniyle depolanan şeye denir.mekanikpotansiyel enerji. Ancak nesneler, moleküller arasındaki ve bir atom çekirdeğindeki nükleonlar arasındaki bağlarda depolanan farklı türde bir potansiyel enerjiye de sahip olabilir.

Mekanik kinetik enerji, makroskopik bir nesnenin hareketinden kaynaklanan enerjidir. Ancak herhangi bir nesnenin içinde, moleküllerin kendilerinin farklı türde kendi kinetik enerjileri vardır.

Bir cismin mekanik potansiyelinin ve kinetik enerjisinin toplamına o cismin denir.toplam mekanik enerji. Bu, nesnenin termal, kimyasal vb. dahil tüm enerji biçimlerinin toplamı olacak olan toplam enerjisiyle aynı değildir.

Moleküler bağlarda depolanan potansiyel enerji türü, bir enerji şeklidir.kimyasalenerji. Atomik bağlarda veya nükleer bağlarda depolanan enerjiye denir.atomikenerji veyanükleerenerji.

Moleküllerin titreşim ve hareketlerinden dolayı moleküler düzeyde var olan kinetik enerjiye denir.termalenerji veyasıcaklıkenerji. Sıcaklığı ölçtüğünüzde, bu tür enerjinin ortalama miktarını ölçüyorsunuz.

Hakkında öğrenebileceğiniz en yaygın mekanik potansiyel enerji türleri şunlardır:

• ​yerçekimi potansiyel enerjisi:Bir cismin yerçekimi alanındaki konumuna bağlı olarak depolanan enerji. Örneğin, yerden yüksekte tutulan bir top yerçekimi potansiyel enerjisine sahiptir. Serbest bırakıldığında, sonuç olarak düşecektir.
• ​Elektrik potansiyel enerjisi:Bu, elektrik alanındaki konumu nedeniyle yüklü bir nesnede depolanan enerjidir. Örneğin, bir devredeki elektronlar, pil nedeniyle belirli bir miktarda elektrik potansiyel enerjisine sahip olacaktır. Devre bağlandığında, bu elektronların akmasına neden olur.
• ​Manyetik potansiyel enerji:Bu, manyetik alandaki konumu nedeniyle manyetik momente sahip bir nesnede depolanan enerjidir. İki düğmeli mıknatısı birbirine yakın tuttuğunuzda ve onları çektiğini hissettiğinizde düşünün; Bunun nedeni manyetik potansiyel enerjidir.
• ​Elastik potansiyel enerji:Bu, elastik bir malzemede depolanan enerjidir. Örneğin, gerilmiş bir lastik bant, sıkıştırılmış bir yay gibi enerji depolamıştır. Her ikisi de serbest bırakıldığında, hareket edecekler.

Mekanik kinetik enerji, potansiyel enerjiden hareketle ilişkili olması bakımından farklıdır ve sadece bir çeşittir. Basit bir denklem, herhangi bir kütle nesnesinin kinetik enerjisini verir.mhızla hareket etmekv. Yani:

Bir nesne ne kadar hızlı hareket ederse veya ne kadar ağırsa, sahip olduğu kinetik enerji o kadar fazladır.

Potansiyel enerjisi olan bir nesne serbest bırakıldığında ve serbestçe hareket etmesine izin verildiğinde hızlanmaya başlayacaktır. Sonuç olarak, kinetik enerjisi artar. Aynı zamanda potansiyel enerji azalır. Nette, nesnenin toplam mekanik enerjisi sabit kalır (sürtünme veya benzeri kuvvetlerin etki etmediği varsayılarak), sadece enerjinin şekli değişir.

Son bölümde, mekanik kinetik enerji denklemi tanıtıldı. Farklı potansiyel enerji türleri için formüllerin yanı sıra enerji ile diğer fiziksel nicelikler arasındaki ilişkiyi tanımlayan denklemler de vardır.

Kütlenin yerçekimi potansiyel enerjisimyüksekliktehDünya'nın üstünde:

Neredeg= 9,8 m/s² yerçekiminden kaynaklanan ivmedir.

Bir yükün elektrik potansiyel enerjisiqgerilimdeVbasitçe:

yayda depolanan potansiyel enerji tarafından verilir:

Neredekbu yay sabiti (yayın sertliğine bağlı bir sabit) veΔxyayın sıkıştırıldığı veya gerildiği miktardır.

Termal enerji değişimi (aktarılan ısı enerjisi) aşağıdaki denklemle verilir:

NeredeSenerjidir,mkütle mi,cözgül ısı kapasitesi veΔTKelvin birimi cinsinden sıcaklık değişimidir.

Fiziksel nicelik işi (kuvvet ve yer değiştirmenin ürünü olarak tanımlanır), enerjiyle (J veya Nm) aynı birimlere sahiptir. İki nicelik, iş ve kinetik enerji, bir nesne üzerindeki net işin nesnenin kinetik enerjisindeki değişime eşit olduğunu belirten iş-kinetik enerji teoremi aracılığıyla ilişkilidir.

Doğanın temel bir gerçeği, enerjinin yaratılamayacağı veya yok edilemeyeceğidir. Bu özetlenmiştir enerji korunumu yasası. Bu yasa, yalıtılmış bir sistemin toplam enerjisinin sabit kaldığını belirtir.

Toplam enerji sabit kalırken, form değiştirebilir ve sıklıkla değiştirir. Potansiyel kinetik, kinetik termal enerjiye dönüşebilir ve bu böyle devam edebilir. Ancak toplam miktar her zaman aynı kalır.

Bu yasanın izole bir sistem belirlediğini belirtmek önemlidir. Yalıtılmış bir sistem, çevresiyle hiçbir şekilde etkileşime giremeyen bir sistemdir. Evrendeki muhtemelen mükemmel şekilde izole edilmiş tek sistem, evrenin kendisidir. Ancak, Dünya üzerinde izole olmaya yakın birçok sistem yapmak mümkündür (tıpkı sürtünmeyi asla 0 olmasa bile ihmal edilebilir kılmak mümkün olduğu gibi).

Enerji dönüşümü, genellikle depolanan enerjinin bir tür kinetik enerji veya radyan enerji olarak salınmasından birçok şekilde olabilir.

Örneğin kimyasal enerji, kimyasal reaksiyonlar sırasında açığa çıkabilir. Böyle bir reaksiyon sırasında, kimyasal potansiyel enerjiden radyan enerji veya ısı enerjisi içerebilecek başka bir forma dönüşür.

Nükleer reaksiyon sırasında nükleer enerji açığa çıkar. Burası Einstein'ın ünlüE = mc²denklem devreye girer (enerji eşittir kütle çarpı ışık hızının karesi). Enerjiyi serbest bırakmak için ayrılan bir çekirdeğin kütlesi, sonunda Einstein'ın formülüyle belirlenen miktarda biraz daha hafif olacaktır. Kulağa çılgınca gelse de, kütlenin kendisi bir potansiyel enerji biçimi olarak düşünülebilir.

Burada, Dünya'da muhtemelen elektrik enerjisini sıklıkla kullanıyorsunuz. Şu anki gibi evinizdeki her ışığı yaktığınızda veya elektronik ekrandan bir şey okuduğunuzda, elektrik enerjisi kullanıyorsunuz. Ama bu enerji nereden geliyor?

Açık cevap, piller veya duvar prizidir, ancak asıl birincil kaynak nedir?

Piller söz konusu olduğunda, enerji genellikle bir pil hücresinde kimyasal olarak depolanır, ancak birçok elektronik cihaz pillerinin bir duvar prizine bağlanarak şarj edilmesini gerektirir.

Elektrik hatlarından evinize gelen enerji, bir yerde bir elektrik santralinden kaynaklanır. Enerji santralleri, enerjiyi hasat etmenin ve elektrik enerjisine dönüştürmenin birçok farklı yoluna sahiptir.

Elektrik santralleri tarafından hasat edilen ve elektriğe dönüştürülen bazı yaygın enerji kaynakları şunlardır:

• ​Güneş enerjisi:Bu, güneşten gelen ve güneş pilleri tarafından yakalanabilen radyan enerjidir.
• ​Jeotermal enerji:Bu, yerin derinliklerinde bulunan ve daha sonra kullanım için Dünya yüzeyine aktarılabilen termal enerjidir.
• ​Fosil yakıtlar:Bunlar, kimyasal bağlarda depolanan enerjiyi serbest bırakmak için sıklıkla yakılan kömür ve petrolü içerir.
• ​Nükleer enerji:Nükleer santraller, atom çekirdeklerini parçalayarak ve nükleer bağlarda depolanan enerjiyi kullanarak enerji üretir.
• ​Hidroelektrik enerji:Bu, akan sudaki yerçekimi potansiyel enerjisinin yanı sıra kinetik enerjiden gelen enerjidir.
• ​Rüzgar enerjisi:Rüzgar enerjisini toplamak için dev türbinler kullanılır. Rüzgar türbinleri döndürerek enerjisini onlara aktarır.

Bu makalenin başında “Bugün sadece enerjim yok” ve “Bu çocukların biraz enerji harcaması gerekiyor” ifadelerinin belirtildiğini hatırlıyor musunuz? İnsanlar enerjiyi sadece elektronik cihazlarından değil, her zaman kullanırlar. Hem vücudunuzun büyük hareketleri hem de vücudunuzdaki küçük işlemler enerji gerektirir.

Koşmak, yürüyüş yapmak, yüzmek ve hatta dişlerinizi fırçalamak bile enerji gerektirir. Kinetik enerjiyi hatırlıyor musun? Hareket ettiğinizde bunu kinetik enerji ile yapıyorsunuz. Bu enerjinin bir yerden gelmesi gerekiyor.

Vücudunuzda devam eden birçok görünmez süreç, nefes almak, kanınızı dolaşmak, sindirmek vb. gibi enerji gerektirir.

İnsan enerjisini nereden alır? Tabii ki yemek! Yediğiniz yiyecekler içinde kimyasal enerji depolamıştır. Bu yiyecek midenize girdiğinde, mide asidiniz yiyecekleri parçalar ve bazı Besinlerden gelen moleküller vücudunuzda ihtiyaç duyabilecek tüm farklı yerlere doğru yol alırlar. enerji. Daha sonra ihtiyaç olduğunda küçük bir kimyasal reaksiyonla enerji elde edilir.

Şimdi, bütün gün yemek yemezseniz ve çok fazla koşuşturursanız, çok fazla enerji harcarsınız ve yemek yiyip vücudunuza ihtiyaç duyduğundan fazlasını sağlayana kadar “boşalmış” hissedeceksiniz.