Енергія - це ... Потенційна і кінетична енергія. Що таке енергія у фізиці?
Енергія - це те, завдяки чому існує життя не тільки на нашій планеті, але і у Всесвіті. При цьому вона може бути дуже різною. Так, тепло, звук, світло, електрику, мікрохвилі, калорії є різні види енергії. Для всіх процесів, що відбуваються навколо нас, необхідна ця субстанція. Більшу частину енергії все суще на Землі отримує від Сонця, але є й інші її джерела. Сонце передає її нашій планеті стільки, скільки б виробили одночасно 100 млн найпотужніших електростанцій.
Содержание
Що таке енергія?
У теорії, висунутої Альбертом Ейнштейном, вивчається взаємозв`язок матерії та енергії. Цей великий вчений зміг довести здатність однієї субстанції перетворюватися в іншу. При цьому з`ясувалося, що енергія є найважливішим фактором існування тіл, а матерія вторинна.
Енергія - це, за великим рахунком, здатність виконувати якусь роботу. Саме вона стоїть за поняттям сили, здатної рухати тіло або надавати йому нові властивості. Що ж означає термін «енергія»? Фізика - це фундаментальна наука, якої присвятили своє життя багато вчених різних епох і країн. Ще Аристотель використовував слово «енергія» для позначення діяльності людини. У перекладі з грецької мови «енергія» - це «діяльність», «сила», «дія», «міць». Перший раз це слово з`явилося в трактаті вченого-грека під назвою «Фізика».
У загальноприйнятому зараз сенсі цей термін був введений в ужиток англійським вченим-фізиком Томасом Юнгом. Ця знаменна подія відбулася в далекому 1807 році. У 50-х роках XIX ст. англійський механік Вільям Томсон вперше використав поняття «кінетична енгергія», а в 1853 р шотландський фізик Вільям Ренкін ввів термін «потенційна енергія».
Сьогодні ця скалярна величина присутній у всіх розділах фізики. Вона є єдиною мірою різних форм руху і взаємодії матерії. Іншими словами, вона являє собою міру перетворення одних форм в інші.
Одиниці виміру та позначення
Кількість енергії вимірюється в джоулях (Дж). Ця спеціальна одиниця в залежності від виду енергії може мати різні позначення, наприклад:
- W - повна енергія системи.
- Q - теплова.
- U - потенційна.
види енергії
У природі існує безліч самих різних видів енергії. Основними з них вважаються:
- механічна;
- електромагнітна;
- електрична;
- хімічна;
- теплова;
- ядерна (атомна).
Є й інші види енергії: світлова, звуку, магнітна. В останні роки все більше число вчених-фізиків схиляються до гіпотези про існування так званої «темної» енергії. Кожен з перерахованих раніше видів даної субстанції має свої особливості. Наприклад, енергія звуку здатна передаватися за допомогою хвиль. Вони сприяють виникненню вібрації барабанних перетинок в вусі людей і тварин, завдяки якій можна чути звуки. В ході різних хімічних реакцій вивільняється енергія, необхідна для життєдіяльності всіх організмів. Будь-яке паливо, продукти харчування, акумулятори, батарейки є сховищем цієї енергії.
Наше світило дає Землі енергію у вигляді електромагнітних хвиль. Тільки так вона може подолати простори Космосу. Завдяки сучасним технологіям, таким як сонячні батареї, ми можемо використовувати її з найбільшим ефектом. Надлишки невикористаної енергії акумулюються в особливих енергохраніліщах. Поряд з перерахованими вище видами енергії часто використовуються термальні джерела, річки, припливи і відливи океану, біопаливо.
механічна енергія
Цей вид енергії вивчається в розділі фізики, званому «Механікою». Вона позначається буквою Е. Її вимір здійснюється в джоулях (Дж). Що собою являє ця енергія? Фізика механіки вивчає рух тіл і взаємодію їх один з одним або з зовнішніми полями. При цьому енергія, обумовлена рухом тіл, називається кінетичної (позначається Ек), а енергію, обумовлену взаємодією тіл або зовнішніх полів, називають потенційною (Еп). Сума руху і взаємодії являє собою повну механічну енергію системи.
Для розрахунку обох видів існує загальне правило. Для визначення величини енергії слід обчислити роботу, необхідну для перекладу тіла з нульового стану в даний стан. При цьому чим більше робота, тим більшою енергією матиме тіло в даному стані.
Поділ видів за різними ознаками
Існує кілька видів поділу енергії. За різними ознаками її ділять на: зовнішню (кінетичну і потенційну) і внутрішню (механічну, термічну, електромагнітну, ядерну, гравітаційну). Електромагнітна енергія в свою чергу підрозділяється на магнітну і електричну, а ядерна - на енергію слабкого і сильного взаємодії.
кінетична
Будь-які рухомі тіла відрізняються наявністю кінетичної енергії. Вона часто так і називається - рушійною. Енергія тіла, яке рухається, втрачається при його уповільненні. Таким чином, чим швидше швидкість, тим більше кінетична енергія.
При зіткненні рухомого тіла з нерухомим об`єктом останньому передається частина кінетичної, яка веде і його в рух. Формула енергії кінетичної наступна:
- Едо= mv2: 2,
де m - маса тіла, v - швидкість руху тіла.
У словах цю формулу можна виразити таким чином: кінетична енергія об`єкта дорівнює половині твори його маси на квадрат його швидкості.
потенційна
Цим видом енергії мають тіла, які знаходяться в будь-якому силовому полі. Так, магнітна виникає, коли об`єкт знаходиться під дією магнітного поля. Всі тіла, які перебувають на землі, мають потенційну гравітаційної енергією.
Залежно від властивостей об`єктів вивчення вони можуть мати різні види потенційної енергії. Так, пружні і еластичні тіла, які здатні витягуватися, мають потенційну енергію пружності або натягу. Будь-яке падаюче тіло, яке було раніше нерухомо, втрачає потенційну і набуває кінетичну. При цьому величина цих двох видів буде рівнозначна. В поле тяжіння нашої планети формула енергії потенційної матиме такий вигляд:
- Еп = mhg,
де m - маса тіла-h - висота центру маси тіла над нульовим уровнем- g - прискорення вільного падіння.
У словах цю формулу можна виразити так: потенційна енергія об`єкта, що взаємодіє із Землею, дорівнює добутку його маси, прискоренню вільного падіння і висоти, на якій воно знаходиться.
Ця скалярна величина є характеристикою запасу енергії матеріальної точки (тіла), що знаходиться в потенційному силовому полі і йде на придбання кінетичної енергії за рахунок роботи сил поля. Іноді її називають функцією координат, яка є складовою в лангранжіане системи (функція Лагранжа динамічної системи). Ця система описує їх взаємодію.
Потенційну енергію прирівнюють до нуля для якоїсь конфігурації тіл, розташованих в просторі. Вибір конфігурації визначається зручністю подальших обчислень і називається «нормування потенційної енергії».
Закон збереження енергії
Одним із самих основних постулатів фізики є Закон збереження енергії. Відповідно до нього, енергія нізвідки не виникає і нікуди не зникає. Вона постійно переходить з однієї форми в іншу. Іншими словами, відбувається тільки зміна енергії. Так, наприклад, хімічна енергія акумулятора ліхтарика перетворюється в електричну, а з неї - в світлову і теплову. Різні побутові прилади перетворюють електричну в світло, тепло або звук. Найчастіше кінцевим результатом зміни є тепло і світло. Після цього енергія йде в навколишній простір.
Закон енергії здатний пояснити багато фізичних явищ. Вчені стверджують, що загальний обсяг її у Всесвіті постійно залишається незмінним. Ніхто не може створити енергію заново або знищити. Виробляючи один з її видів, люди використовують енергію палива, падаючої води, атома. При цьому один її вид перетворюється в інший.
У 1918 р вчені змогли довести, що закон збереження енергії є математичне наслідок трансляційної симетрії часу - величини сполученої енергії. Іншими словами, енергія зберігається внаслідок того, що закони фізики не відрізняються в різні моменти часу.
особливості енергії
Енергія - це здатність тіла виконувати роботу. У замкнутих фізичних системах вона зберігається протягом усього часу (поки система буде замкнутою) і являє собою один з трьох адитивних інтегралів руху, що зберігають величину при русі. До них відносяться: енергія, момент імпульсу, імпульс. Введення поняття «енергія» доцільно тоді, коли фізична система однорідна в часі.
Внутрішня енергія тіл
Вона являє собою суму енергій молекулярних взаємодій і теплових рухів молекул, що складають його. Її не можна виміряти безпосередньо, оскільки вона є однозначною функцією стану системи. Завжди, коли система виявляється в даному стані, її внутрішня енергія має притаманну йому значення, незалежно від історії існування системи. Зміна внутрішньої енергії в процесі переходу з одного фізичного стану в інший завжди дорівнює різниці між її значеннями в кінцевому і початковому станах.
Внутрішня енергія газу
Крім твердих тіл, енергію мають і гази. Вона являє собою кінетичну енергію теплового (Хаотичного) руху частинок системи, до яких відносяться атоми, молекули, електрони, ядра. Внутрішньою енергією ідеального газу (математичної моделі газу) є сума кінетичних енергій його частинок. При цьому враховується число ступенів свободи, що представляє собою число незалежних змінних, що визначають положення молекули в просторі.
Використання енергії
З кожним роком людство споживає все більшу кількість енергоресурсів. Найчастіше для отримання енергії, необхідної для освітлення та опалення наших осель, роботи автотранспорту і різних механізмів, використовуються такі копалини вуглеводні, як вугілля, нафта і газ. Вони відносяться до невідновних ресурсів.
На жаль, тільки незначна частина енергії добувається на нашій планеті за допомогою відновлюваних ресурсів, таких як вода, вітер і Сонце. На сьогоднішній день їх питома вага в енергетиці становить всього 5%. Ще 3% люди отримують у вигляді ядерної енергії, виробленої на атомних електростанціях.
Невідновлювані ресурси мають такі запаси (в джоулях):
- ядерна енергія - 2 х 1024;
- енергія газу і нафти - 2 х 10 23;
- внутрішньо тепло планети - 5 х 1020.
Річна величина поновлюваних ресурсів Землі:
- енергія Сонця - 2 х 1024;
- вітер - 6 х 1021;
- річки - 6,5 х 1019;
- морські припливи - 2,5 х 1023.
Тільки при своєчасному переході від використання невідновлюваних запасів енергії Землі до поновлюваних людство має шанс на довгий і щасливе існування на нашій планеті. Для втілення передових розробок вчені всього світу продовжують ретельно вивчати різноманітні властивості енергії.
