Енергія в фізиці

Енергія для нас є базовим поняттям. Це означає, що ми можемо не втрачати час, щоб визначити, що таке енергія. Скажемо тільки, що енергія це те, чим володіє кожне тіло. Енергія передається від одного тіла до іншого при їх взаємодії. Якщо в одного тіла енергія убуває, в іншого вона збільшується. Енергію можна відбирати у тіла по частинах. Енергію можна додавати тілу по частинах. Якщо тіло ізольовано від зовнішніх впливів, воно зберігає свою енергію. Цей принцип називають законом збереження енергії. Закон збереження енергії виконується завжди.
Енергія нам потрібна, щоб переміщати вантажі, які мають вагу. З досвіду ми знаємо, що таке вагу тіла. У спортзалі миттєво приходить розуміння, що двухпудовую гиря важить набагато більше, ніж пудова. Один пуд дорівнює приблизно 160 Н. Енергію вимірюють у джоулях (Дж). Один джоуль це енергія, яку необхідно затратити, щоб підняти вантаж вагою 1 Н на висоту 1 м. Якщо спортсмен піднімає з підлоги гирю вагою 160 Н на висоту 2 м, він витрачає енергію, рівну 320 Дж. Як бачимо, для людини 1 джоуль величина невелика. Інша справа, для частинки розміром з порошинку. Для неї це солідний запас енергії. Наприклад, якщо в космосі метеор масою 1 міліграм (мг) має енергію 1 Дж, це означає, що він летить зі швидкістю майже 1500 м / с.
Це пристойна швидкість, більше швидкості кулі.
У будь-якому тілі прихована внутрішня енергія Eº, величина якої дорівнює добутку маси тіла на квадрат швидкості світла: Eº = mc² (2.1). У нашому світі це величезна величина. Вона в 10 разів більше, ніж виділяється при вибуху термоядерного заряду з такою ж масою. Внутрішню енергію частинки можна виділити, якщо її масу повністю перетворити в поле, наприклад, в електромагнітне. Скажемо відразу, що зробити це не так просто. Завдяки цьому ми живемо в досить стійкому світі.
Ми будемо розглядати енергію руху тел. Ця енергія залежить від маси. Ще вона залежить від виду поля. Якщо ми трохи зрозуміли, що таке енергія, то ми можемо сказати, що поле – це те, за допомогою чого енергія передається від одного тіла до іншого. Саме поле переносить енергію. Завдяки увазі поля енергія знаходить конкретну форму: акустичну, гравітаційну, електромагнітну або ядерну. Основне завдання фізики полягає в тому, щоб вивчати різні форми енергії і придумати, як отримати з цього користь. Багато що в цій сфері вже робиться. Наприклад, для руху екологічно чистого електромобіля використовують електроенергію з акумулятора, який зарядили на електростанції енергією, виробленою на гідростанції, де використовують енергію руху потоку води, що падає під тяжінням Землі.
Енергію руху тіл умовно називають механічною. Це роблять для того, щоб не думати про тип поля, змушує тіло прискорюватися або змінювати положення в просторі. Відповідно, механічна енергія може залежати від швидкості тіла або від його місцезнаходження в просторі. Енергію, яка залежить тільки від місцезнаходження тіла, називають потенційною (Ep). Енергію, яка залежить тільки від швидкості тіла, називають кінетичної (Ek). Якщо швидкість тіла дорівнює нулю, його кінетична енергія теж дорівнює нулю. Якщо тіло знаходиться в ізоляції, наприклад, метеор в міжзоряному просторі, його потенційна енергія практично дорівнює нулю.
Розглянемо приклад: аеростат піднімається на висоту 1 км і зависає. Швидкості немає, значить, кінетична енергія дорівнює нулю. Але якщо з аеростата скинути вантаж, наприклад, використаний балон з-під газу, то при падінні на землю балон може призвести руйнування, наприклад, зламати кущ. Легко зрозуміти, що балон впав, бо на нього діяло тяжіння Землі. Значить, балон мав запас гравітаційної енергії, яка залежить від висоти. За визначенням, ця енергія є потенційною. Звідки вона взялася? За рахунок підйому аеростата. Згадаймо, що кількість енергії, рівне 1 Дж, передається тілу вагою 1 Н, якщо його підняти на висоту 1 м. Очевидно, якщо тіло з вагою P підняти на висоту h, то йому буде передано кількість енергії Ep = P h (2.2).
Інший приклад: коли автомобіль рухається по рівній дорозі, його висоту над землею можна вважати рівною нулю. Значить, його потенційна енергія дорівнює нулю. Це справедливо, оскільки автомобілю нікуди падати. Зате автомобіль має швидкість. Значить, автомобіль має кінетичну енергію. Спробуємо знайти для неї формулу. Прийнято вважати, що кінетична енергія завжди позитивна. Це справедливо, тому що тіло може мати кінетичну енергію і за відсутності поля, яке вказує на знак взаємодії. З іншого боку, сама швидкість може бути негативна, якщо тіло переміщається проти поля. Значить, кінетична енергія залежить не просто від швидкості, а від квадрата швидкості, так як квадрат будь-якої величини завжди більше нуля. Також вона залежить від маси тіла: чим більше маса, тим більше енергія. Але якщо ми напишемо просто Ek = mv2 (як для внутрішньої енергії Е0), то це буде завищений результат, як якби енергія була передана миттєво. Але так не буває. Відомо, що автомобіль набирає швидкість поступово, за деякий час. Поки нас не цікавить цей час, але ми знаємо, що в початковий момент енергія дорівнювала нулю, а в кінці: mv2. Значить, середня енергія буде рівна середньому арифметичному від значень енергії на початку і кінці: Ek = (0 + mv2) / 2 = mv2 / 2 (2.3).
Якщо в даному прикладі автомобіль мав масу 2000 кг і швидкість 20 м / с, то його кінетична енергія дорівнює: Ek = 2000 × 20 × 20/2 = 1000 × 400 = 400 000 (Дж). Це пристойний запас енергії. Саме тому автомобіль не просто засіб пересування, а джерело підвищеної небезпеки.
Розглянемо ще один приклад: безпілотний літак c масою m летить зі швидкістю v на висоті h над Землею. Значить, він має кінетичну енергію mv2 / 2 і потенційну енергію Ph Сума кінетичної і потенційної енергій називається повною механічною енергією (Е) тіла: E = Ek + Ep (2.4).

Енергія: наукове визначення

Енергія визначається як здатність фізичної системи виконувати роботу . Однак важливо мати на увазі, що те, що енергія існує, не означає, що вона обов’язково доступна для виконання роботи.

Форми енергії

Енергія існує в кількох формах , таких як тепло , кінетична або механічна енергія, світло, потенціальна енергія та електрична енергія.

• Тепло – Тепло або теплова енергія – це енергія від руху атомів або молекул. Її можна розглядати як енергію, пов’язану з температурою.
• Кінетична енергія – Кінетична енергія – це енергія руху. Маятник, що коливається, має кінетичну енергію.
• Потенційна енергія – це енергія, обумовлена ​​положенням об’єкта. Наприклад, м’яч, що стоїть на столі, має потенційну енергію відносно підлоги, оскільки на нього діє сила тяжіння.
• Механічна енергія – Механічна енергія – це сума кінетичної та потенціальної енергії тіла.
• Світло – Фотони є формою енергії.
• Електрична енергія – це енергія від руху заряджених частинок, таких як протони, електрони або іони.
• Магнітна енергія – Ця форма енергії є результатом магнітного поля.
• Хімічна енергія – хімічна енергія виділяється або поглинається в результаті хімічних реакцій. Він утворюється шляхом розриву або утворення хімічних зв’язків між атомами та молекулами.
• Ядерна енергія – це енергія від взаємодії з протонами та нейтронами атома. Як правило, це стосується сильної сили. Прикладами є енергія, що вивільняється при поділі та синтезі.

Інші види енергії можуть включати геотермальну енергію та класифікацію енергії як відновлюваної та невідновлюваної.

Між формами енергії може збігатися, і об’єкт незмінно володіє більш ніж одним типом одночасно. Наприклад, коливальний маятник має як кінетичну, так і потенціальну енергію, теплову енергію і (залежно від свого складу) може мати електричну та магнітну енергію.

Закон збереження енергії

Відповідно до закону збереження енергії повна енергія системи залишається постійною, хоча енергія може переходити в іншу форму. Наприклад, дві більярдні кулі, зіткнувшись, можуть зупинитися, при цьому отримана енергія стане звуком і, можливо, трохи тепла в місці зіткнення. Коли кулі рухаються, вони мають кінетичну енергію. Незалежно від того, рухаються вони чи нерухомі, вони також мають потенційну енергію, оскільки знаходяться на столі над землею.

Енергія не може бути ні створена, ні знищена, але вона може змінювати форму і також пов’язана з масою. Теорія еквівалентності маси та енергії стверджує, що об’єкт, який перебуває в спокої в системі відліку, має енергію спокою. Якщо до об’єкта подається додаткова енергія, це фактично збільшує масу об’єкта. Наприклад, якщо ви нагрієте сталевий підшипник (додавши теплову енергію), ви дуже трохи збільшите його масу.

Одиниці вимірювання енергії

Одиницею енергії в СІ є джоуль (Дж) або ньютон-метр (Н * м). Джоуль також є одиницею роботи в СІ.