Energia umożliwia życie nie tylko na naszej planecie, ale także we Wszechświecie. Jednak może być zupełnie inaczej. Tak więc ciepło, dźwięk, światło, elektryczność, mikrofale, kalorie to różne rodzaje energii. Dla wszystkich procesów zachodzących wokół nas ta substancja jest niezbędna. Większość energii, która istnieje na Ziemi, pochodzi ze Słońca, ale są też inne jej źródła. Słońce przenosi go na naszą planetę, aż 100 milionów najpotężniejszych elektrowni wyprodukowałoby w tym samym czasie.
Co to jest energia?
Teoria wysunięta przez Alberta Einsteina bada związek między materią a energią. Ten wielki naukowiec był w stanie udowodnić zdolność jednej substancji do przekształcania się w inną. Jednocześnie okazało się, że energia jest najważniejszym czynnikiem w istnieniu ciał, a materia jest drugorzędna.
Energia to w zasadzie zdolność do wykonywania pewnej pracy. Ona jest tą, która reprezentujepojęcie siły zdolnej do poruszania ciałem lub nadawania mu nowych właściwości. Co oznacza termin „energia”? Fizyka to podstawowa nauka, której poświęciło swoje życie wielu naukowców z różnych epok i krajów. Nawet Arystoteles użył słowa „energia” w odniesieniu do działalności człowieka. W tłumaczeniu z języka greckiego „energia” to „aktywność”, „siła”, „działanie”, „moc”. Po raz pierwszy słowo to pojawiło się w traktacie greckiego naukowca o nazwie "Fizyka".
W ogólnie przyjętym znaczeniu termin ten został ukuty przez angielskiego fizyka Thomasa Younga. To doniosłe wydarzenie miało miejsce w 1807 roku. W latach 50. XIX wieku. angielski mechanik William Thomson jako pierwszy zastosował pojęcie „energii kinetycznej”, aw 1853 r. szkocki fizyk William Rankin wprowadził termin „energia potencjalna”.
Dzisiaj ta wielkość skalarna występuje we wszystkich gałęziach fizyki. Jest to pojedyncza miara różnych form ruchu i interakcji materii. Innymi słowy, jest to miara transformacji jednej formy w drugą.
Pomiary i oznaczenia
Ilość energii jest mierzona w dżulach (J). Ta specjalna jednostka, w zależności od rodzaju energii, może mieć różne oznaczenia, na przykład:
- W to całkowita energia systemu.
- Q - termiczny.
- U – potencjał.
Rodzaje energii
W naturze istnieje wiele różnych rodzajów energii. Główne z nich to:
- mechaniczny;
- elektromagnetyczny;
- elektryczny;
- chemiczne;
- termiczne;
- nuklearna (atomowa).
Istnieją inne rodzaje energii: światło, dźwięk, magnetyczna. W ostatnich latach coraz więcej fizyków skłania się ku hipotezie o istnieniu tzw. „ciemnej” energii. Każdy z wcześniej wymienionych rodzajów tej substancji ma swoją własną charakterystykę. Na przykład energia dźwięku może być przesyłana za pomocą fal. Przyczyniają się do wibracji bębenków usznych w uchu ludzi i zwierząt, dzięki czemu słychać dźwięki. W trakcie różnych reakcji chemicznych uwalniana jest energia niezbędna do życia wszystkich organizmów. Każde paliwo, żywność, akumulatory, baterie są magazynem tej energii.
Nasza gwiazda przekazuje Ziemi energię w postaci fal elektromagnetycznych. Tylko w ten sposób może pokonać przestrzenie Kosmosu. Dzięki nowoczesnym technologiom, takim jak panele słoneczne, możemy je wykorzystać z największymi efektami. Nadmiar niewykorzystanej energii jest gromadzony w specjalnych magazynach energii. Wraz z powyższymi rodzajami energii, źródłami termalnymi, rzekami, przypływami i odpływami oceanów, często stosuje się biopaliwa.
Energia mechaniczna
Ten rodzaj energii jest badany w dziedzinie fizyki zwanej "Mechanika". Jest oznaczony literą E. Jest mierzony w dżulach (J). Czym jest ta energia? Fizyka mechaniki bada ruch ciał i ich wzajemne oddziaływanie lub pola zewnętrzne. W tym przypadku energia spowodowana ruchem ciał nazywa siękinetyczna (oznaczana przez Ek), a energia wynikająca z oddziaływania ciał lub pól zewnętrznych nazywana jest potencjałem (Ep). Suma ruchu i interakcji to całkowita energia mechaniczna układu.
Istnieje ogólna zasada obliczania obu typów. Aby określić ilość energii, należy obliczyć pracę potrzebną do przeniesienia ciała ze stanu zerowego do tego stanu. Co więcej, im więcej pracy, tym więcej energii będzie miało ciało w tym stanie.
Separacja gatunków według różnych kryteriów
Istnieje kilka rodzajów dzielenia się energią. Według różnych kryteriów dzieli się na: zewnętrzne (kinetyczne i potencjalne) i wewnętrzne (mechaniczne, termiczne, elektromagnetyczne, jądrowe, grawitacyjne). Z kolei energia elektromagnetyczna dzieli się na magnetyczną i elektryczną, a energię jądrową na energię oddziaływań słabych i silnych.
Kinetyczny
Wszelkie poruszające się ciała wyróżnia obecność energii kinetycznej. Często się tak nazywa - jazda. Energia poruszającego się ciała jest tracona, gdy zwalnia. Zatem im większa prędkość, tym większa energia kinetyczna.
Kiedy poruszające się ciało wchodzi w kontakt z nieruchomym obiektem, część ciała kinetycznego jest przenoszona na ten drugi, wprawiając go w ruch. Wzór na energię kinetyczną wygląda następująco:
Słownie ten wzór można wyrazić w następujący sposób: energia kinetyczna obiektu wynosipołowa iloczynu jego masy razy kwadrat jego prędkości.
Potencjał
Ten rodzaj energii jest posiadany przez ciała znajdujące się w jakimś polu siłowym. Tak więc magnetyzm występuje, gdy obiekt znajduje się pod wpływem pola magnetycznego. Wszystkie ciała na Ziemi mają potencjalną energię grawitacyjną.
W zależności od właściwości badanych obiektów mogą mieć różne rodzaje energii potencjalnej. Tak więc ciała sprężyste i sprężyste, które mogą się rozciągać, mają potencjalną energię sprężystości lub napięcia. Każde spadające ciało, które wcześniej było nieruchome, traci potencjał i nabiera kinetyki. W takim przypadku wartości tych dwóch typów będą równoważne. W polu grawitacyjnym naszej planety formuła energii potencjalnej będzie wyglądać tak:
Słownie ten wzór można wyrazić w następujący sposób: energia potencjalna obiektu oddziałującego z Ziemią jest równa iloczynowi jego masy, przyspieszenia ziemskiego i wysokości, na której się znajduje.
Ta wartość skalarna jest charakterystyką rezerwy energii punktu materialnego (ciała) znajdującego się w potencjalnym polu sił i wykorzystywanego do pozyskiwania energii kinetycznej w wyniku działania sił pola. Czasami nazywa się to funkcją współrzędnych, która jest terminem w Langrangian (funkcja Lagrange'a układu dynamicznego). Ten system opisuje ich interakcję.
Energia potencjalna jest równa zeru dlapewna konfiguracja ciał znajdujących się w przestrzeni. Wybór konfiguracji zależy od wygody dalszych obliczeń i nazywa się „normalizacją energii potencjalnej”.
Prawo zachowania energii
Jednym z najbardziej podstawowych postulatów fizyki jest prawo zachowania energii. Według niego energia nie pojawia się nigdzie i nigdzie nie znika. Ciągle zmienia się z jednej formy w drugą. Innymi słowy, jest tylko zmiana energii. Na przykład energia chemiczna baterii latarki jest przekształcana w energię elektryczną, a z niej w światło i ciepło. Różne urządzenia gospodarstwa domowego zamieniają energię elektryczną w światło, ciepło lub dźwięk. Najczęściej efektem końcowym zmiany jest ciepło i światło. Następnie energia trafia do otaczającej przestrzeni.
Prawo energii może wyjaśnić wiele zjawisk fizycznych. Naukowcy twierdzą, że jego całkowita objętość we wszechświecie stale pozostaje niezmieniona. Nikt nie może na nowo tworzyć energii ani jej niszczyć. Rozwijając jeden z jego typów, ludzie wykorzystują energię paliwa, spadającej wody, atomu. W tym samym czasie jedna z jego form zamienia się w drugą.
W 1918 roku naukowcom udało się udowodnić, że prawo zachowania energii jest matematyczną konsekwencją translacyjnej symetrii czasu - wartości energii sprzężonej. Innymi słowy, energia jest zachowana dzięki temu, że prawa fizyki nie różnią się w różnym czasie.
Funkcje energetyczne
Energia to zdolność organizmu do wykonywania pracy. W zamkniętymfizycznych, jest zachowana przez cały czas (tak długo, jak układ jest zamknięty) i jest jedną z trzech addytywnych całek ruchu, które zachowują wartość podczas ruchu. Należą do nich: energia, moment pędu, pęd. Wprowadzenie pojęcia „energii” jest właściwe, gdy system fizyczny jest jednorodny w czasie.
Wewnętrzna energia ciał
Jest to suma energii oddziaływań molekularnych i ruchów termicznych molekuł, które ją tworzą. Nie można jej zmierzyć bezpośrednio, ponieważ jest to jednoznaczna funkcja stanu systemu. Ilekroć system znajduje się w danym stanie, jego energia wewnętrzna ma swoją przyrodzoną wartość, niezależnie od historii istnienia systemu. Zmiana energii wewnętrznej podczas przejścia z jednego stanu fizycznego do drugiego jest zawsze równa różnicy między jej wartościami w stanie końcowym i początkowym.
Wewnętrzna energia gazu
Oprócz ciał stałych, gazy mają również energię. Reprezentuje energię kinetyczną ruchu termicznego (chaotycznego) cząstek układu, do których należą atomy, cząsteczki, elektrony, jądra. Energia wewnętrzna gazu doskonałego (matematyczny model gazu) jest sumą energii kinetycznych jego cząstek. Uwzględnia to liczbę stopni swobody, czyli liczbę niezależnych zmiennych określających położenie cząsteczki w przestrzeni.
Zużycie energii
Każdego roku ludzkość zużywa coraz więcej zasobów energii. Najczęściej na energię,niezbędne do oświetlenia i ogrzewania naszych domów, pracy pojazdów i różnych mechanizmów wykorzystywane są węglowodory kopalne takie jak węgiel, ropa i gaz. Są to zasoby nieodnawialne.
Niestety tylko niewielka część energii naszej planety pochodzi ze źródeł odnawialnych, takich jak woda, wiatr i słońce. Do tej pory ich udział w energetyce wynosi zaledwie 5%. Kolejne 3% osób otrzymuje w postaci energii jądrowej produkowanej w elektrowniach jądrowych.
Zasoby nieodnawialne mają następujące rezerwy (w dżulach):
- energia jądrowa - 2 x 1024;
- energia gazowa i olejowa – 2 x 10 23;
- ciepło wewnętrzne planety - 5 x 1020.
Roczna wartość odnawialnych zasobów Ziemi:
- energia słoneczna - 2 x 1024;
- wiatr - 6 x 1021;
- rzeki - 6, 5 x 1019;
- Pływy morskie - 2,5 x 1023.
Dopiero dzięki szybkiemu przejściu z wykorzystywania nieodnawialnych zasobów energii Ziemi na odnawialne, ludzkość ma szansę na długie i szczęśliwe istnienie na naszej planecie. Aby wdrożyć najnowocześniejsze rozwiązania, naukowcy na całym świecie nadal uważnie badają różne właściwości energii.
