Energija suteikia gyvybę ne tik mūsų planetoje, bet ir Visatoje. Tačiau jis gali būti labai skirtingas. Taigi, šiluma, garsas, šviesa, elektra, mikrobangos, kalorijos yra skirtingos energijos rūšys. Visiems aplink mus vykstantiems procesams ši medžiaga yra būtina. Didžioji dalis Žemėje egzistuojančios energijos gaunama iš Saulės, tačiau yra ir kitų jos š altinių. Saulė perneša ją į mūsų planetą net 100 milijonų galingiausių elektrinių tuo pačiu metu.
Kas yra energija?
Alberto Einšteino pateikta teorija tiria materijos ir energijos ryšį. Šis puikus mokslininkas sugebėjo įrodyti vienos medžiagos gebėjimą virsti kita. Tuo pačiu metu paaiškėjo, kad energija yra svarbiausias kūnų egzistavimo veiksnys, o materija yra antrinė.
Energija apskritai yra galimybė atlikti tam tikrą darbą. Ji yra ta, kuri pasisako užjėgos, galinčios pajudinti kūną arba suteikti jam naujų savybių, samprata. Ką reiškia žodis „energija“? Fizika yra fundamentalus mokslas, kuriam savo gyvenimus paskyrė daug įvairių epochų ir šalių mokslininkų. Net Aristotelis vartojo žodį „energija“, kalbėdamas apie žmogaus veiklą. Išvertus iš graikų kalbos, „energija“yra „veikla“, „jėga“, „veiksmas“, „galia“. Pirmą kartą šis žodis pasirodė graikų mokslininko traktate „Fizika“.
Dabar visuotinai priimta prasme šį terminą sugalvojo anglų fizikas Thomas Youngas. Šis svarbus įvykis įvyko 1807 m. XIX amžiaus 50-aisiais. anglų mechanikas Williamas Thomsonas pirmasis panaudojo „kinetinės energijos“sąvoką, o 1853 m. škotų fizikas Williamas Rankinas įvedė terminą „potenciali energija“.
Šiandien šis skaliarinis dydis yra visose fizikos šakose. Tai vienas įvairių judėjimo formų ir materijos sąveikos matas. Kitaip tariant, tai yra vienos formos pavertimo kita matas.
Matavimai ir žymėjimai
Energijos kiekis matuojamas džauliais (J). Šis specialus įrenginys, priklausomai nuo energijos tipo, gali turėti skirtingus pavadinimus, pavyzdžiui:
- W yra bendra sistemos energija.
- Q – terminis.
- U – potencialas.
Energijos rūšys
Gamtoje yra daug skirtingų energijos rūšių. Pagrindiniai yra:
- mechaninis;
- elektromagnetinis;
- elektrinis;
- cheminė;
- terminis;
- branduolinė (atominė).
Yra ir kitų energijos rūšių: šviesos, garso, magnetinės. Pastaraisiais metais vis daugiau fizikų yra linkę į hipotezę apie vadinamosios „tamsiosios“energijos egzistavimą. Kiekvienas iš anksčiau išvardytų šios medžiagos tipų turi savo ypatybes. Pavyzdžiui, garso energija gali būti perduodama naudojant bangas. Jie prisideda prie žmonių ir gyvūnų ausies būgnelių vibracijos, todėl girdimi garsai. Vykstant įvairioms cheminėms reakcijoms, išsiskiria visų organizmų gyvybei reikalinga energija. Bet koks kuras, maistas, akumuliatoriai, baterijos yra šios energijos kaupimas.
Mūsų žvaigždė suteikia Žemei energiją elektromagnetinių bangų pavidalu. Tik tokiu būdu jis gali įveikti Kosmoso platybes. Dėl šiuolaikinių technologijų, tokių kaip saulės baterijos, galime jas panaudoti maksimaliai efektyviai. Nepanaudotos energijos perteklius kaupiamas specialiose energijos saugyklose. Be minėtų energijos rūšių, terminių š altinių, upių, vandenynų atoslūgių ir atoslūgių, dažnai naudojamas biokuras.
Mechaninė energija
Ši energijos rūšis tiriama fizikos šakoje, vadinamoje „Mechanika“. Jis žymimas raide E. Matuojamas džauliais (J). Kas tai per energija? Mechanikos fizika tiria kūnų judėjimą ir jų sąveiką tarpusavyje arba su išoriniais laukais. Šiuo atveju vadinama energija dėl kūnų judėjimokinetinė (žymima Ek), o energija dėl kūnų ar išorinių laukų sąveikos vadinama potencialu (Ep). Judesio ir sąveikos suma yra bendra mechaninė sistemos energija.
Yra bendra abiejų tipų skaičiavimo taisyklė. Norint nustatyti energijos kiekį, reikia apskaičiuoti darbą, kurio reikia norint perkelti kūną iš nulinės būsenos į šią būseną. Be to, kuo daugiau darbo, tuo daugiau energijos kūnas turės šioje būsenoje.
Rūšių atskyrimas pagal skirtingus kriterijus
Yra keli energijos dalijimosi būdai. Pagal įvairius kriterijus jis skirstomas į: išorinį (kinetinį ir potencialinį) ir vidinį (mechaninį, šiluminį, elektromagnetinį, branduolinį, gravitacinį). Elektromagnetinė energija savo ruožtu skirstoma į magnetinę ir elektrinę, o branduolinė energija – į silpnos ir stiprios sąveikos energiją.
Kinetika
Visi judantys kūnai išsiskiria kinetinės energijos buvimu. Dažnai tai vadinama – vairavimu. Judančio kūno energija prarandama, kai sulėtėja. Taigi, kuo didesnis greitis, tuo didesnė kinetinė energija.
Judančiam kūnui susilietus su nejudančiu objektu, dalis kinetinio perkeliama į pastarąjį ir pajudina jį. Kinetinės energijos formulė yra tokia:
Žodžiais šią formulę galima išreikšti taip: objekto kinetinė energija yrapusė masės sandaugos padauginta iš greičio kvadrato.
Potencialas
Šios rūšies energiją turi kūnai, esantys kažkokiame jėgos lauke. Taigi, magnetas atsiranda, kai objektas yra veikiamas magnetinio lauko. Visi kūnai žemėje turi potencialią gravitacinę energiją.
Priklausomai nuo tiriamųjų objektų savybių, jie gali turėti įvairių tipų potencialios energijos. Taigi, tamprūs ir tamprūs kūnai, kurie gali išsitempti, turi potencialią elastingumo arba tempimo energiją. Bet koks krintantis kūnas, kuris anksčiau buvo nejudantis, praranda potencialą ir įgyja kinetikos. Šiuo atveju šių dviejų tipų vertė bus lygiavertė. Mūsų planetos gravitaciniame lauke potencialios energijos formulė atrodys taip:
Žodžiais šią formulę galima išreikšti taip: objekto, sąveikaujančio su Žeme, potenciali energija yra lygi jo masės, gravitacijos pagreičio ir aukščio, kuriame jis yra, sandaugai.
Ši skaliarinė vertė yra materialaus taško (kūno), esančio potencialaus jėgos lauke ir naudojamo kinetinei energijai gauti dėl lauko jėgų darbo, energijos rezervo charakteristika. Kartais ji vadinama koordinačių funkcija, kuri yra sistemos Langrangian (dinaminės sistemos Lagranžo funkcija) terminas. Ši sistema aprašo jų sąveiką.
Potenciali energija prilyginama nuliuitam tikra erdvėje išsidėsčiusių kūnų konfigūracija. Konfigūracijos pasirinkimas priklauso nuo tolimesnių skaičiavimų patogumo ir yra vadinamas "potencialios energijos normalizavimu".
Energijos tvermės dėsnis
Vienas iš pagrindinių fizikos postulatų yra energijos tvermės dėsnis. Anot jo, energija iš niekur neatsiranda ir niekur nedingsta. Jis nuolat keičiasi iš vienos formos į kitą. Kitaip tariant, vyksta tik energijos pasikeitimas. Taigi, pavyzdžiui, žibintuvėlio baterijos cheminė energija paverčiama elektros energija, o iš jos - šviesa ir šiluma. Įvairūs buitiniai prietaisai elektros energiją paverčia šviesa, šiluma ar garsu. Dažniausiai galutinis pokyčio rezultatas – šiluma ir šviesa. Po to energija patenka į supančią erdvę.
Energijos dėsnis gali paaiškinti daugelį fizikinių reiškinių. Mokslininkai teigia, kad jo bendras tūris visatoje nuolat nesikeičia. Niekas negali sukurti energijos iš naujo ar jos sunaikinti. Kurdami vieną iš jo rūšių, žmonės naudoja kuro, krintančio vandens, atomo energiją. Tuo pačiu metu viena iš jo formų virsta kita.
1918 m. mokslininkams pavyko įrodyti, kad energijos tvermės dėsnis yra matematinė laiko transliacinės simetrijos – konjuguotos energijos vertės – pasekmė. Kitaip tariant, energija išsaugoma dėl to, kad fizikos dėsniai skirtingu metu nesiskiria.
Energijos savybės
Energija – tai kūno gebėjimas dirbti. Uždarojefizinių sistemų, ji išsaugoma visą laiką (kol sistema uždaryta) ir yra vienas iš trijų papildomų judesio integralų, išsaugančių vertę judėjimo metu. Tai apima: energiją, kampinį momentą, impulsą. „Energijos“sąvokos įvedimas yra tinkamas, kai fizinė sistema yra vienalytė laike.
Kūnų vidinė energija
Tai yra molekulinės sąveikos energijų ir ją sudarančių molekulių šiluminių judesių suma. Jo negalima išmatuoti tiesiogiai, nes tai vienareikšmė sistemos būklės funkcija. Kai sistema atsiduria tam tikroje būsenoje, jos vidinė energija turi savo prigimtinę vertę, nepaisant sistemos egzistavimo istorijos. Vidinės energijos pokytis pereinant iš vienos fizinės būsenos į kitą visada yra lygus skirtumui tarp jos verčių galutinėje ir pradinėje būsenose.
Vidinė dujų energija
Be kietųjų medžiagų, dujos taip pat turi energijos. Tai reiškia sistemos dalelių, apimančių atomus, molekules, elektronus, branduolius, terminio (chaotiško) judėjimo kinetinę energiją. Idealiųjų dujų vidinė energija (matematinis dujų modelis) yra jų dalelių kinetinių energijų suma. Tai atsižvelgiama į laisvės laipsnių skaičių, tai yra nepriklausomų kintamųjų, kurie lemia molekulės padėtį erdvėje, skaičių.
Energijos naudojimas
Kiekvienais metais žmonija suvartoja vis daugiau energijos išteklių. Dažniausiai dėl energijos,būtini mūsų namų apšvietimui ir šildymui, transporto priemonių ir įvairių mechanizmų veikimui, naudojami iškastiniai angliavandeniliai, tokie kaip anglis, nafta ir dujos. Jie yra neatsinaujinantys ištekliai.
Deja, tik nedidelė mūsų planetos energijos dalis gaunama iš atsinaujinančių išteklių, tokių kaip vanduo, vėjas ir saulė. Iki šiol jų dalis energetikos sektoriuje siekia tik 5 proc. Dar 3 % žmonių gauna kaip branduolinę energiją, pagamintą atominėse elektrinėse.
Neatsinaujinantys ištekliai turi šias atsargas (džauliais):
- branduolinė energija – 2 x 1024;
- dujų ir naftos energija – 2 x 10 23;
- vidinis planetos šiluma – 5 x 1020.
Metinė atsinaujinančių Žemės išteklių vertė:
- saulės energija – 2 x 1024;
- vėjas – 6 x 1021;
- upės – 6, 5 x 1019;
- jūros potvyniai – 2,5 x 1023.
Tik laiku perėjus nuo neatsinaujinančių Žemės energijos išteklių naudojimo prie atsinaujinančių, žmonija turi galimybę ilgai ir laimingai egzistuoti mūsų planetoje. Siekdami įgyvendinti pažangiausius pokyčius, viso pasaulio mokslininkai ir toliau atidžiai tiria įvairias energijos savybes.
