Energia tekee elämän mahdolliseksi paitsi planeetallamme myös maailmankaikkeudessa. Se voi kuitenkin olla hyvin erilainen. Joten lämpö, ääni, valo, sähkö, mikroaallot, kalorit ovat erilaisia energiatyyppejä. Tämä aine on välttämätön kaikille ympärillämme tapahtuville prosesseille. Suurin osa maan päällä olevasta energiasta tulee auringosta, mutta sen lähteitä on muitakin. Aurinko siirtää sitä planeetallemme jopa 100 miljoonaa tehokkainta voimalaitosta tuottaisi samaan aikaan.
Mitä on energia?
Albert Einsteinin esittämä teoria tutkii aineen ja energian välistä suhdetta. Tämä suuri tiedemies pystyi todistamaan yhden aineen kyvyn muuttua toiseksi. Samalla kävi ilmi, että energia on tärkein tekijä kappaleiden olemassaolossa ja aine on toissijaista.
Energia on yleisesti ottaen kykyä tehdä työtä. Hän on se, joka edustaakäsite voimasta, joka pystyy liikuttamaan kehoa tai antamaan sille uusia ominaisuuksia. Mitä termi "energia" tarkoittaa? Fysiikka on perustiede, jolle monet tutkijat eri aikakausilta ja maista omistautuivat elämänsä. Jopa Aristoteles käytti sanaa "energia" viittaamaan ihmisen toimintaan. Kreikan kielestä käännettynä "energia" tarkoittaa "toimintaa", "voimaa", "toimintaa", "voimaa". Ensimmäistä kertaa tämä sana esiintyi kreikkalaisen tiedemiehen tutkielmassa "fysiikka".
Nykyään yleisesti hyväksytyssä merkityksessä tämän termin loi englantilainen fyysikko Thomas Young. Tämä merkittävä tapahtuma tapahtui vuonna 1807. XIX vuosisadan 50-luvulla. englantilainen mekaanikko William Thomson käytti ensimmäisenä "kineettisen energian" käsitettä, ja vuonna 1853 skotlantilainen fyysikko William Rankin otti käyttöön termin "potentiaalinen energia".
Tänä päivänä tämä skalaarisuure on läsnä kaikilla fysiikan aloilla. Se on yksi mitta aineen eri muodoista ja vuorovaikutuksista. Toisin sanoen se on mitta muodon muuttumisesta toiseksi.
Mittaukset ja merkinnät
Energian määrä mitataan jouleina (J). Tällä erikoisyksiköllä voi energiatyypistä riippuen olla erilaiset nimitykset, esimerkiksi:
- W on järjestelmän kokonaisenergia.
- Q - lämpö.
- U – potentiaalia.
Energiatyypit
Luontossa on monia erilaisia energiatyyppejä. Tärkeimmät ovat:
- mekaaninen;
- sähkömagneettinen;
- sähkö;
- kemiallinen;
- lämpö;
- ydin (atomi).
On olemassa muitakin energiatyyppejä: valoa, ääntä, magneettista. Viime vuosina yhä useammat fyysikot ovat taipuvaisia hypoteesiin niin kutsutun "pimeän" energian olemassaolosta. Jokaisella tämän aineen aiemmin luetelluista tyypeistä on omat ominaisuutensa. Esimerkiksi äänienergiaa voidaan välittää a altojen avulla. Ne edistävät tärykalvojen värähtelyä ihmisten ja eläinten korvassa, minkä ansiosta äänet voidaan kuulla. Erilaisten kemiallisten reaktioiden aikana vapautuu kaikkien organismien elämään tarvittavaa energiaa. Kaikki polttoaineet, ruoka, akut ja paristot ovat tämän energian varastointia.
Tähteemme antaa maapallolle energiaa sähkömagneettisten a altojen muodossa. Vain tällä tavalla se voi voittaa kosmoksen avaruuden. Modernin tekniikan, kuten aurinkopaneelien, ansiosta voimme käyttää sitä parhaalla mahdollisella tavalla. Ylimääräinen käyttämätön energia kerätään erityisiin energiavarastoihin. Yllä mainittujen energiatyyppien, lämpölähteiden, jokien, v altamerten lasku- ja virtaamien lisäksi käytetään usein biopolttoaineita.
Mekaaninen energia
Tällaista energiaa tutkitaan fysiikan alalla nimeltä "mekaniikka". Se on merkitty kirjaimella E. Se mitataan jouleina (J). Mitä tämä energia on? Mekaniikan fysiikka tutkii kappaleiden liikettä ja niiden vuorovaikutusta keskenään tai ulkoisten kenttien kanssa. Tässä tapauksessa kappaleiden liikkeestä johtuvaa energiaa kutsutaankineettinen (merkitty Ek), ja kappaleiden tai ulkoisten kenttien vuorovaikutuksesta johtuvaa energiaa kutsutaan potentiaaliksi (Ep). Liikkeen ja vuorovaikutuksen summa on järjestelmän mekaaninen kokonaisenergia.
Molempien tyyppien laskemiseen on yleinen sääntö. Energiamäärän määrittämiseksi on tarpeen laskea työ, joka tarvitaan kehon siirtämiseen nollatilasta tähän tilaan. Lisäksi mitä enemmän työtä, sitä enemmän energiaa keholla on tässä tilassa.
Lajien erottelu eri kriteerien mukaan
Energian jakamista on monenlaista. Eri kriteerien mukaan se jaetaan: ulkoiseen (kineettinen ja potentiaalinen) ja sisäiseen (mekaaninen, lämpö, sähkömagneettinen, ydin, gravitaatio). Sähkömagneettinen energia puolestaan jaetaan magneettiseen ja sähköiseen, ja ydinenergia heikon ja voimakkaan vuorovaikutuksen energiaan.
Kineettinen
Kaikille liikkuville kappaleille on ominaista kineettinen energia. Sitä kutsutaan usein niin - ajaminen. Liikkuvan kehon energia katoaa sen hidastuessa. Siten, mitä suurempi nopeus, sitä suurempi on liike-energia.
Kun liikkuva kappale joutuu kosketukseen paikallaan olevan kohteen kanssa, osa kineettisestä kappaleesta siirtyy jälkimmäiseen ja saa sen liikkeelle. Kineettisen energian kaava on seuraava:
Sanoilla tämä kaava voidaan ilmaista seuraavasti: esineen liike-energia onpuolet sen massan tulosta kertaa sen nopeuden neliö.
Potentiaalia
Tällaista energiaa hallitsevat kehot, jotka ovat jonkinlaisessa voimakentässä. Joten magneettista tapahtuu, kun esine on magneettikentän vaikutuksen alaisena. Kaikilla maan päällä olevilla kappaleilla on potentiaalista gravitaatioenergiaa.
Tutkittavien kohteiden ominaisuuksista riippuen niillä voi olla erityyppistä potentiaalienergiaa. Joten elastisilla ja elastisilla kappaleilla, jotka pystyvät venymään, on joustavuuden tai jännityksen potentiaalinen energia. Jokainen putoava kappale, joka oli aiemmin liikkumaton, menettää potentiaalin ja saa kineettisen. Tässä tapauksessa näiden kahden tyypin arvo on sama. Planeettamme gravitaatiokentässä potentiaalisen energian kaava näyttää tältä:
Sanoilla tämä kaava voidaan ilmaista seuraavasti: Maan kanssa vuorovaikutuksessa olevan kohteen potentiaalienergia on yhtä suuri kuin sen massan, painovoiman kiihtyvyyden ja sen sijaintikorkeuden tulo.
Tämä skalaariarvo on potentiaalivoimakentässä sijaitsevan materiaalipisteen (kappaleen) energiavarannon ominaisuus, jota käytetään kineettisen energian hankkimiseen kenttävoimien vaikutuksesta. Joskus sitä kutsutaan koordinaattifunktioksi, joka on termi järjestelmän Langrangian (dynaamisen järjestelmän Lagrange-funktio). Tämä järjestelmä kuvaa heidän vuorovaikutuksensa.
Potentiaalienergia rinnastetaan nollaantietty kokoonpano avaruudessa sijaitsevista kappaleista. Kokoonpanon valinta määräytyy lisälaskelmien mukavuuden perusteella, ja sitä kutsutaan "potentiaalienergian normalisoimiseksi".
Energian säilymisen laki
Yksi fysiikan peruspostulaateista on energian säilymisen laki. Hänen mukaansa energiaa ei esiinny mistään eikä katoa mihinkään. Se muuttuu jatkuvasti muodosta toiseen. Toisin sanoen, on vain muutos energiassa. Joten esimerkiksi taskulampun pariston kemiallinen energia muunnetaan sähköenergiaksi ja siitä valoksi ja lämmöksi. Erilaiset kodinkoneet muuttavat sähköenergian valoksi, lämmöksi tai ääneksi. Useimmiten muutoksen lopputuloksena on lämpöä ja valoa. Sen jälkeen energia menee ympäröivään tilaan.
Energian laki voi selittää monia fysikaalisia ilmiöitä. Tutkijat väittävät, että sen kokonaistilavuus universumissa pysyy jatkuvasti muuttumattomana. Kukaan ei voi luoda energiaa uudelleen tai tuhota sitä. Yhtä sen tyyppiä kehittäessään ihmiset käyttävät polttoaineen, putoavan veden, atomin energiaa. Samalla yksi sen muodoista muuttuu toiseksi.
Vuonna 1918 tiedemiehet pystyivät todistamaan, että energian säilymislaki on matemaattinen seuraus ajan translaatiosymmetriasta - konjugoituneen energian arvosta. Toisin sanoen energiaa säästyy, koska fysiikan lait eivät eroa eri aikoina.
Energiaominaisuudet
Energia on kehon kykyä tehdä työtä. Suljetussa tilassafyysiset järjestelmät, se säilyy koko ajan (niin kauan kuin järjestelmä on suljettu) ja on yksi kolmesta liikkeen lisäintegraalista, jotka säilyttävät arvon liikkeen aikana. Näitä ovat: energia, kulmamomentti, liikemäärä. "Energian" käsitteen käyttöönotto on tarkoituksenmukaista, kun fyysinen järjestelmä on ajallisesti homogeeninen.
Kehojen sisäinen energia
Se on molekyylien vuorovaikutusten energioiden ja sen muodostavien molekyylien lämpöliikkeiden summa. Sitä ei voida mitata suoraan, koska se on yksiselitteinen funktio järjestelmän tilasta. Aina kun järjestelmä joutuu tiettyyn tilaan, sen sisäisellä energialla on sen luontainen arvo riippumatta järjestelmän olemassaolon historiasta. Sisäenergian muutos siirtymisen aikana fysikaalisesta tilasta toiseen on aina yhtä suuri kuin sen loppu- ja alkutilan arvojen välinen ero.
Kaasun sisäinen energia
Kiinteiden aineiden lisäksi kaasuilla on myös energiaa. Se edustaa järjestelmän hiukkasten, jotka sisältävät atomeja, molekyylejä, elektroneja, ytimiä, termisen (kaoottisen) liikkeen kineettistä energiaa. Ihanteellisen kaasun sisäenergia (kaasun matemaattinen malli) on sen hiukkasten kineettisten energioiden summa. Tämä ottaa huomioon vapausasteiden lukumäärän, joka on riippumattomien muuttujien lukumäärä, jotka määräävät molekyylin sijainnin avaruudessa.
Energiankulutus
Joka vuosi ihmiskunta kuluttaa yhä enemmän energiavaroja. Useimmiten energian vuoksitarvitaan kodin valaistukseen ja lämmitykseen, ajoneuvojen ja erilaisten mekanismien toimintaan, fossiilisia hiilivetyjä, kuten hiiltä, öljyä ja kaasua, käytetään. Ne ovat uusiutumattomia luonnonvaroja.
Valitettavasti vain pieni osa planeettamme energiasta tulee uusiutuvista luonnonvaroista, kuten vedestä, tuulesta ja auringosta. Toistaiseksi niiden osuus energia-alalla on vain 5 %. Toinen 3 % ihmisistä saa ydinvoimalaitoksissa tuotettua ydinenergiaa.
Uusiutumattomilla luonnonvaroilla on seuraavat reservit (jouleina):
- ydinenergia - 2 x 1024;
- kaasu- ja öljyenergia – 2 x 10 23;
- planeetan sisäinen lämpö - 5 x 1020.
Maapallon uusiutuvien luonnonvarojen vuosiarvo:
- aurinkoenergia - 2 x 1024;
- tuuli - 6 x 1021;
- joet - 6, 5 x 1019;
- vedenvesi - 2,5 x 1023.
Vain kun siirrytään ajoissa maapallon uusiutumattomien energiavarojen käytöstä uusiutuviin, ihmiskunnalla on mahdollisuus pitkään ja onnelliseen olemassaoloon planeetallamme. Huippukehityksen toteuttamiseksi tutkijat ympäri maailmaa jatkavat energian eri ominaisuuksien huolellista tutkimista.
