Що таке енергія у фізиці? (з формулою та прикладами)

Напевно, ви постійно використовуєте слово енергія у своєму повсякденному житті, але що це насправді означає? Якої фізичної величини ви отримуєте, коли говорите щось на кшталт: «У мене сьогодні просто немає енергії», або «Тим дітям потрібно спалити трохи енергії»?

Розмовне вживання цього слова може дати вам початкове уявлення про те, що таке енергія, але в цій статті ви це зрозумієте дізнатися, як фізики визначають енергію, дізнатись, що таке різні типи енергії, і побачити кілька прикладів шлях.

Енергія - це здатність робити роботу чи спричиняти зміни. Це відрізняється від сили. Сила - це те, що спричиняє зміни, тоді як енергія може сприйматись як поштовх до сили. Для того, щоб прикласти силу, потрібна енергія, і прикладання сили до об’єкта часто передає йому енергію.

Одиницею енергії СІ є джоуль, де 1 джоуль = 1 ньютон × 1 метр або 1 кг⋅м²/ с². Інші одиниці включають калорії, кілокалорії та кіловат-години.

Дві найбільш основні форми енергіїпотенційна енергіяікінетична енергія

Зазвичай вчені розрізняють макроскопічну та мікроскопічну версії цих типів енергії. Наприклад, потенційна енергія що зберігається під дією сили тяжіння або через стиснуту пружину називаєтьсямеханічніпотенційна енергія. Але об’єкти можуть також мати різний тип потенційної енергії, що зберігається у зв’язках між молекулами та між нуклонами в атомному ядрі.

Механічна кінетична енергія - це енергія, зумовлена ​​рухом макроскопічного об’єкта. Але всередині будь-якого об'єкта самі молекули мають власні кінетичні енергії іншого типу.

Сума механічного потенціалу об'єкта та кінетичної енергії називається йогоповна механічна енергія. Це не те саме, що загальна енергія об’єкта, яка була б сумою усіх форм його енергії, включаючи теплову, хімічну тощо.

Тип потенційної енергії, що зберігається в молекулярних зв’язках, називається формою енергіїхімічнаенергія. Енергія, що зберігається в атомних або ядерних зв'язках, називаєтьсяатомнаенергія абоядерніенергія.

Кінетична енергія, яка існує на молекулярному рівні завдяки вібраціям та рухам молекул, називаєтьсятепловийенергія аботеплоенергія. Коли ви вимірюєте температуру, ви вимірюєте середню кількість цього виду енергії.

Найпоширеніші типи механічної потенційної енергії, про які ви можете дізнатися, включають:

• ​Гравітаційна потенційна енергія:Енергія, що зберігається в об’єкті, залежить від його розташування в гравітаційному полі. Наприклад, куля, піднята високо над землею, має гравітаційну потенційну енергію. Після випуску він впаде в результаті.
• ​Потенційна електрична енергія:Це енергія, що зберігається в зарядженому об’єкті через його положення в електричному полі. Наприклад, електрони в ланцюзі завдяки батареї будуть наділені певною кількістю потенційної електричної енергії. Коли ланцюг підключений, це змушує електрони текти.
• ​Магнітна потенціальна енергія:Це енергія, що зберігається в об’єкті з магнітним моментом завдяки його розташуванню в магнітному полі. Подумайте, коли ви тримаєте два магніти на кнопках один біля одного і відчуваєте, як вони смикають; це через магнітну потенційну енергію.
• ​Еластична потенційна енергія:Це енергія, що зберігається в еластичному матеріалі. Наприклад, розтягнута гумка накопичує енергію, як і стиснута пружина. Коли будь-кого звільнять, вони рухатимуться.

Механічна кінетична енергія відрізняється від потенційної енергії тим, що вона пов'язана з рухом, і вона буває лише в одній різновиді. Просте рівняння дає кінетичну енергію будь-якого об’єкта масимрухаючись зі швидкістюv. Це:

Чим швидше об'єкт рухається або чим важчий, тим більше у нього кінетичної енергії.

Коли об’єкт, що має потенційну енергію, вивільняється і йому дозволяється вільно рухатися, він почне прискорюватися. В результаті його кінетична енергія збільшується. Одночасно зменшується потенційна енергія. В цілому, загальна механічна енергія об'єкта залишається постійною (припускаючи, що не діють сили тертя або подібні сили), просто енергія змінюється у формі.

В останньому розділі було введено рівняння механічної кінетичної енергії. Існують також формули для різних типів потенційних енергій, а також рівняння, що описують зв'язок між енергією та іншими фізичними величинами.

Гравітаційна потенційна енергія масимна висотіhнад Землею знаходиться:

Деg= 9,8 м / с² - це прискорення за рахунок сили тяжіння.

Електрична потенціальна енергія зарядуqпри напрузіVпросто:

потенційна енергія, що зберігається навесні задається:

Деkє пружинна константа (константа, яка залежить від жорсткості пружини) іΔx- величина, на яку пружина стискається або розтягується.

Зміна теплової енергії (вона ж передана теплова енергія) задається наступним рівнянням:

ДеПитанняце енергія,м- маса,c- питома теплоємність іΔT- це зміна температури в одиницях Кельвіна.

Робота фізичної величини (визначається як добуток сили та переміщення) має ті самі одиниці виміру, що й енергія (Дж або Нм). Ці дві величини, робота та кінетична енергія, пов’язані між собою теоремою про робочу кінетичну енергію, яка стверджує, що чиста робота на об’єкті дорівнює зміні кінетичної енергії об’єкта.

Принциповим фактом природи є те, що енергію не можна ні створювати, ні руйнувати. Це узагальнено в закон збереження енергії. Цей закон стверджує, що загальна енергія ізольованої системи залишається постійною.

Хоча загальна енергія залишається постійною, вона може і часто змінює форму. Потенціал може перетворитися на кінетичний, кінетичний - на теплову енергію тощо. Але загальна сума завжди залишається незмінною.

Важливо зазначити, що цей закон визначає ізольовану систему. Ізольована система - це та, в якій жодним чином не може взаємодіяти з оточенням. Єдиною, можливо, абсолютно ізольованою системою у Всесвіті є, ну, сам Всесвіт. Однак на Землі можна зробити багато систем, близьких до ізоляції (так само, як можна зробити тертя незначним, навіть якщо воно ніколи не дорівнює 0.)

Перетворення енергії може відбуватися різними способами, зазвичай із накопиченої енергії, що виділяється як якась кінетична енергія або як променева енергія.

Наприклад, хімічна енергія може виділятися під час хімічних реакцій. Під час такої реакції вона переходить із хімічної потенційної енергії в якусь іншу форму, яка може включати променисту енергію або теплову енергію.

Ядерна енергія виділяється під час ядерної реакції. Тут знаменитий ЕйнштейнE = mc²вступає в дію рівняння (енергія дорівнює масі, помноженій на швидкість світла в квадраті). Маса ядра, яке розпадається, щоб виділити енергію, зрештою буде трохи легшою на величину, визначену формулою Ейнштейна. Як би божевільно це не звучало, сама маса може вважатися формою потенційної енергії.

Тут, на Землі, ви, ймовірно, часто використовуєте електричну енергію. Кожного разу, коли ви вмикаєте світло у своєму будинку або читаєте щось з електронного екрану, як зараз, ви використовуєте електричну енергію. Але звідки ця енергія?

Очевидна відповідь - це батареї або розетка, але яке фактичне першоджерело?

Що стосується акумуляторів, енергія часто накопичується хімічно в акумуляторному елементі, але багато електронних пристроїв вимагають, щоб їхні акумулятори підзаряджались, підключаючи їх до розетки.

Енергія, яка надходить до вашого будинку через лінії електропередач, походить десь на електростанції. Електростанції мають багато різних способів збирати енергію та перетворювати її в електричну.

Деякі загальні джерела енергії, зібрані електростанціями та перетворені в електроенергію, включають:

• ​Сонячна енергія:Це променева енергія, яка надходить від сонця і може бути захоплена сонячними елементами.
• ​Геотермальна енергія:Це теплова енергія, знайдена глибоко в землі, яка потім може бути передана на поверхню Землі для використання.
• ​Горючі корисні копалини:Сюди входять вугілля та нафта, які часто спалюють, щоб виділити енергію, що зберігається в хімічних зв’язках.
• ​Атомна енергія:Атомні електростанції виробляють енергію, розбиваючи атомні ядра та використовуючи енергію, яка зберігалася в ядерних зв'язках.
• ​Гідроелектрична енергія:Це енергія, яка походить від гравітаційної потенційної енергії, а також кінетичної енергії в проточній воді.
• ​Енергія вітру:Для збору енергії вітру використовуються гігантські турбіни. Вітер обертає турбіни, передаючи їм свою енергію.

Згадайте ще на початку цієї статті, де згадувались фрази: «У мене сьогодні просто немає енергії» та «Тим дітям потрібно спалити трохи енергії»? Люди постійно використовують енергію, і не лише за допомогою своїх електронних пристроїв. Як великі рухи тіла, так і дрібні процеси в організмі вимагають енергії.

Потрібна енергія для бігу, походів, плавання або навіть просто чищення зубів. Пам’ятаєте кінетичну енергію? Коли ви рухаєтесь, ви робите це за допомогою кінетичної енергії. Ця енергія повинна звідкись надходити.

Багато невидимих ​​процесів, що відбуваються у вашому тілі, також вимагають енергії, наприклад, дихання, циркуляція крові, перетравлення тощо.

Звідки люди беруть енергію? Їжа, звичайно! Їжа, яку ви їсте, зберігає в собі хімічну енергію. Коли ця їжа потрапляє у ваш шлунок, шлункова кислота розщеплює їжу, і певна річ молекули з їжі пробиваються до різних місць у вашому тілі, які можуть знадобитися енергія. Потім, коли виникає потреба, енергія отримується за допомогою невеликої хімічної реакції.

Тепер, якщо ви не їсте цілий день і багато бігаєте, ви витрачаєте багато енергії і відчуватимете себе «виснаженим», поки не з’їсте і не забезпечите своєму тілу більше того, що йому потрібно.