Энергия | это… Что такое Энергия?
У этого термина существуют и другие значения, см. Энергия (значения).
Эне́ргия (др.-греч. ἐνέργεια — «действие, деятельность, сила, мощь») — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется во времени. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Понятие введено Аристотелем в трактате «Физика».
Содержание
|
Фундаментальный смысл
С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой интеграл движения (то есть сохраняющуюся при движении величину), связанный, согласно теореме Нётер, с однородностью времени. Таким образом, введение понятия энергии как физической величины целесообразно только в том случае, если рассматриваемая физическая система однородна во времени.
Энергия и работа
Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.
- Механическая работа численно равна изменению механической энергии.
В специальной теории относительности
Энергия и масса
Основная статья: Эквивалентность массы и энергии
Согласно специальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна
где E — энергия системы, m — её масса, c — скорость света.
Несмотря на то, что исторически предпринимались попытки трактовать это выражение как полную эквивалентность понятия энергии и массы, что, в частности, привело к появлению такого понятия как релятивистская масса, в современной физике принято сужать смысл этого уравнения, понимая под массой массу тела в состоянии покоя (так называемая масса покоя), а под энергией — только внутреннюю энергию, заключённую в системе.
Энергия тела, согласно законам классической механики, зависит от системы отсчета, то есть неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со скоростью v относительно некоего наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно будет казаться неподвижным. Соответственно, для первого наблюдателя кинетическая энергия тела будет равна, , где m — масса тела, а для другого наблюдателя — нулю.
Эта зависимость энергии от системы отсчета сохраняется также в теории относительности. Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса.
Зависимость энергии тела от скорости рассматривается уже не так, как в ньютоновской физике, а согласно вышеназванной формуле Эйнштейна:
- ,
где — инвариантная масса. В системе отсчета, связанной с телом, его скорость равна нулю, а энергия, которую называют энергией покоя, выражается формулой:
- .
Это минимальная энергия, которую может иметь массивное тело. Значение формулы Эйнштейна также в том, что до неё энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, а формула Эйнштейна находит абсолютное значение этой постоянной.
Энергия и импульс
Специальная теория относительности рассматривает энергию как компоненту 4-импульса (4-вектора энергии-импульса), в который наравне с энергией входят три пространственные компоненты импульса. Таким образом энергия и импульс оказываются связанными и оказывают взаимное влияние друг на друга при переходе из одной системы отсчёта в другую.
В квантовой механике
 Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. |
В квантовой механике величина энергии пропорциональна частоте и двойственна времени. В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно энергию системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. При проведении серии измерения одного и того же процесса значения измеренной энергии будут флуктуировать, однако среднее значение всегда определяется законом сохранения энергии. Это приводит к тому, что иногда говорят, что в квантовой механике сохраняется средняя энергия.
В общей теории относительности
В общей теории относительности время не является однородным, поэтому возникают определённые проблемы при попытке введения понятия энергии. В частности, оказывается невозможным определить энергию гравитационного поля как тензор относительно общих преобразований координат.
Энергия и энтропия
Внутреняя энергия (или энергия хаотического движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может превращаться в другие виды энергии без потерь (см.: энтропия).
Физическая размерность
Энергия E имеет размерность, равную:
| Описание | Формула |
|---|---|
| Силе, умноженной на длину | E ~ F·l |
| Давлению, умноженному на объём | E ~ P·V |
| Импульсу, умноженному на скорость | E ~ p·v |
| Массе, умноженной на квадрат скорости | E ~ m·v² |
| Заряду, умноженному на напряжение | E ~ |
| Мощности, умноженной на время | E ~ N·t |
В системе величин LMT энергия имеет размерность .
| Единица | Эквивалент | |||
|---|---|---|---|---|
| в Дж | в эрг | в межд. кал | в эВ | |
| 1 Дж | 1 | 107 | 0,238846 | 0,624146·1019 |
| 1 эрг | 10−7 | 1 | 2,38846·10−8 | |
| 1 межд. Дж[1] | 1,00020 | 1,00020·107 | 0,238891 | 0,624332·1019 |
| 1 кгс·м | 9,80665 | 9,80665·107 | 2,34227 | 6,12078·1019 |
| 1 кВт·ч | 3,60000·106 | 3,60000·1013 | 8,5985·105 | 2,24693·1025 |
| 1 л·атм | 101,3278 | 1,013278·109 | 24,2017 | 63,24333·1019 |
| 1 межд. кал (calIT) | 4,1868 | 4,1868·107 | 1 | |
| 1 термохим. кал (калТХ) | 4,18400 | 4,18400·107 | 0,99933 | 2,58143·1019 |
| 1 электронвольт (эВ) | 1,60219·10−19 | 1,60219·10−12 | 3,92677·10−20 | 1 |
Виды энергии
| Виды энергии: | |
|---|---|
| Механическая | |
| Электрическая | |
| Электромагнитная | |
| Химическая | |
| Ядерная | |
| ‹♦› | Тепловая |
| Вакуума | |
| Гипотетические: | |
| Тёмная | |
Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергию взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения).
Их сумма называется полной механической энергией.
Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).
Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы.
В химии рассматриваются такие величины, как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал.
Энергия взрыва иногда измеряется в тротиловом эквиваленте.
Кинетическая
Основная статья: Кинетическая энергия
Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в системе СИ — Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.
Потенциальная
Основная статья: Потенциальная энергия
Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идет на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счет работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы.[2]
Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином. Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называется нормировкой потенциальной энергии.
Электромагнитная
Основная статья: Энергия электромагнитного поля
Дополнительные сведения: Электромагнитное излучение
Гравитационная
Основная статья: Гравитационная энергия
Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением.
Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационную энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.
Ядерная
Основная статья: Ядерная энергия
Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях.
Энергия связи — энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента.
Внутренняя
Основная статья: Внутренняя энергия
Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.
Химический потенциал
Основная статья: Химический потенциал
Химический потенциал — один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы.
Энергия взрыва
Основная статья: Взрыв
Дополнительные сведения: Тротиловый эквивалент
Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.
При химическом взрыве, кроме газов, могут образовываться и твёрдые высокодисперсные частицы, взвесь которых называют продуктами взрыва. Энергию взрыва иногда измеряют в тротиловом эквиваленте — мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.
Проблемы энергопотребления
Существует довольно много форм энергии, большинство[3] из которых так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях.
Темпы энергопотребления растут во всем мире, поэтому на современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблема энергосбережения.
Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и постоянные. К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС и т. д.
История термина
Термин «энергия» происходит от слова energeia, которое впервые появилось в работах Аристотеля.
Томас Юнг первым использовал понятие «энергия» в современном смысле слова
Маркиза Эмили дю Шатле в книге «Уроки физики» (фр.
В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия живая сила.[4]Гаспар-Гюстав Кориолис впервые использовал термин «кинетическая энергия» в 1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввёл понятие «потенциальная энергия».
Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.
Развитие паровых двигателей требовало от инженеров разработать понятия и формулы, которые позволили бы им описать механический и термический КПД своих систем. Инженеры (Сади Карно), физики (Джеймс Джоуль), математики (Эмиль Клапейрон и Герман Гельмгольц[уточнить]) — все развивали идею, что способность совершать определённые действия, называемая работой, была как-то связана с энергией системы. В 1850-х годах, профессор натурфилософии из Глазго Уильям Томсон и инженер Уильям Ренкин начали работу по замене устаревшего языка механики с такими понятиями как «кинетическая и фактическая (actual) энергии».[4] Уильям Томсон соединил знания об энергии в законы термодинамики, что способствовало стремительному развитию химии. Рудольф Клаузиус, Джозайя Гиббс и Вальтер Нернст объяснили многие химические процессы, используя законы термодинамики. Развитие термодинамики было продолжено Клаузиусом, который ввёл и математически сформулировал понятие энтропии, и Джозефом Стефаном, который ввёл закон излучения абсолютно чёрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввёл понятие «потенциальная энергия».[4] В 1881 году Уильям Томсон заявил перед слушателями:[5]
|
В течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколько названий, например, «динамическая теория тепла» (англ. dynamical theory of heat) и «энергетика» (англ. energetics). В 1920-х годах общепринятым стало название «термодинамика» — наука о преобразовании энергии.
Особенности преобразования тепла и работы были показаны в первых двух законах термодинамики. Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких как биологическая термодинамика и термоэкономика (англ. thermoeconomics). Параллельно развивались связанные понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее. В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.
В 1918 году было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряжённой энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики не отличают разные моменты времени (см. Теорема Нётер, изотропия пространства).
В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат, Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии:[6]
Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечено.
Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним.
Оригинальный текст (англ.)
There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.
— Фейнмановские лекции по физике[7]
См. также
- Тензор энергии-импульса
- Эквивалентность массы и энергии
- Тёмная энергия
- Количество теплоты
- Виды норм удельной затраты энергии и требования к ним
Примечания
- ↑ Г. Д. Бурдун. Джоуль(единица энергии и работы) // Большая советская энциклопедия.
- ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2004. — Т. I. Механика. — 224 с. — ISBN 5-9221-0055-6
- ↑ http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.files/Inf03.pdf
- ↑ 1 2 3 Смит, Кросби. The science of energy: a cultural history of energy physics in Victorian Britain. — The University of Chicago Press, 1998. — ISBN 0-226-76421-4
- ↑ Томсон, Уильям. Об источниках энергии, доступных человеку для совершения механических эффектов = On the sources of energy available to man for the production of mechanical effect. — BAAS Rep, 1881. С. 513
- ↑ Richard Feynman. The Feynman Lectures on Physics. — США: Addison Wesley, 1964. — Vol. 1. — ISBN 0-201-02115-3
- ↑ Фейнман, Ричард. Фейнмановские лекции по физике = The Feynman Lectures on Physics. — Т. 1.
Ссылки
- Энергия в Физической энциклопедии
Физика. Конспект | 7 класс Онлайн
Конспект по физике для 7 класса «Энергия». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое энергия. В каком случае тело обладает энергией. Что такое потенциальная энергия. Что такое кинетическая энергия. ВСПОМНИТЕ: Что такое механическая работа? В каком случае совершается механическая работа?
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Из курса физики вы узнаете о различных видах энергии: механической, тепловой, электрической, ядерной. Во всех случаях под энергией понимают запас работы, которую может совершить тело, изменяя своё состояние.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
При определённых условиях действующие на тело силы могут совершить механическую работу. Так, сила упругости совершает работу при распрямлении пружины, поднимая груз. Сила тяжести совершит работу, если шарик отпустить и дать ему упасть на землю.
Про тело, посредством которого может совершиться работа действующими на него силами, говорят, что оно обладает энергией. Энергия — это физическая величина, характеризующая способность тела совершить работу. Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.
В рассмотренных выше примерах посредством тел совершили механическую работу. Однако если мяч лежит на поверхности Земли, а пружина совсем не деформирована, то эти тела механической энергией не обладают.
К механическим видам энергии относятся: энергия, связанная с положением тела над поверхностью Земли, энергия, связанная с деформацией тела, и энергия, связанная с движением тела.
ЕДИНИЦЫ ЭНЕРГИИ
Энергию выражают в СИ в тех же единицах, что и работу, т. е. в джоулях.
ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
От чего может зависеть энергия поднятого мячика? Очевидно, что от высоты, на которой находится мячик, т. е. энергия зависит от взаимного расположения тел — мяча и Земли.
От чего зависит энергия сжатой пружины? От деформации пружины, т. е. от взаимного расположения её витков, а витки пружины — это части одного тела.
Часто мы говорим о работе тола. При этом всегда имеется в виду, что работу совершает сила, возникающая при взаимодействии этого тела с другим.
Энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела, называют потенциальной (от лат. potentia — возможность) энергией. Камень, поднятый над поверхностью «Земли, деформированная (сжатая или растянутая) пружина, сжатый газ, вода в реках, удерживаемая плотинами — всё это примеры тел, обладающих потенциальной энергией.
Огромная потенциальная энергия речной воды, поднятой плотинами, используется для получения электроэнергии. Падая с большой высоты, вода приводит в движение турбины гидроэлектростанций.
Потенциальная энергия поднятого над поверхностью Земли копра расходуется на совершение работы по забиванию свай при строительстве домов.
КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
Движущийся автомобиль может совершить работу, а это значит, что он обладает энергией даже при выключенном моторе. Энергией обладают движущийся вагон, плывущее судно, летящий самолет.
Тот факт, что движущееся тело способно совершить механическую работу, было известно в глубокой древности. Например, для разрушения стен древние римляне использовали таран. Он представлял собой крепкое бревно, на один конец которого была насажена железная «голова». Несколько человек раскачивали таран взад и вперед, а когда он набирал скорость, ударяли им о стену.
Энергию, которой обладает тело вследствие своего движения, называют кинетической (от греч. kinema — движение) энергией.
Кинетическую энергию движущейся воды используют в работе гидроэлектростанций. Кинетическая энергия ветра приводит в движение лопасти ветряных двигателей, используемых для получения электрической энергии.
Вы смотрели Конспект по физике для 7 класса «Энергия»: Что такое энергия. В каком случае тело обладает энергией. Что такое потенциальная энергия. Что такое кинетическая энергия.
Вернуться к Списку конспектов по физике (В оглавление).
Пройти онлайн-тест «»
Внутренняя энергия | физика | Британика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор недели
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы. - Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Britannica Beyond
Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Связанный контент
Викторины
- Энергия и ископаемое топливо
Физика энергии: определение, хранение и передача
Вы едите несколько раз в день, но задумывались ли вы когда-нибудь, какой тип энергии хранится в этой пище? Существует несколько типов хранилищ энергии, но какие относятся к одному типу? Например, может быть трудно принять тот факт, что тип энергии, который хранится в пище, которую вы едите, такой же, как и энергия, хранящаяся в батарее, которую мы называем химической энергией, или что тип энергии, используемый в атомной бомбе, является другим. также используется для производства электроэнергии, которую мы называем ядерной энергией. Хватит гадать, давайте погрузимся в концепцию энергии и получим ответы на все эти вопросы!
Пища, которую вы едите, хранит химическую энергию так же, как это делают батарейки.
Определение энергии
Простота доступа к энергии делает нашу жизнь проще. Однако мы не можем этого видеть. Что он делает для нас и что такое энергия?
Энергия — это способность совершать работу или производить тепло. Энергия может передаваться между различными хранилищами с использованием энергетических путей.
Объект работает, перемещаясь против силы на определенное расстояние. Единицы энергии Джоулей, и символ J был назван в честь известного физика Джеймса Джоуля.
Однако не стоит путать определение – энергия используется везде. Например, когда вы сжигаете дрова, химическая энергия, хранящаяся в древесине, преобразуется в тепловую энергию в виде тепла, которое согревает вас. Это похоже на то, как мы получаем тепло и свет от солнца. Однако в последнем случае начальная энергия называется ядерной энергией.
Энергоаккумуляторы
Энергия объекта или системы хранится в различных хранилищах энергии , и энергия может передаваться между различными типами хранилищ. Давайте посмотрим на накопители энергии, о которых вам нужно знать:
Кинетическая энергия — это энергия движения. Любой движущийся объект обладает кинетической энергией, и этот запас энергии может передаваться другим объектам посредством столкновений. Также кинетическая энергия может быть преобразована в другую энергию. Например, когда объект движется по поверхности с трением, кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию в виде тепла, которое обычно считается потерянной энергией.
Когда энергия преобразуется из одной формы в другую, часть энергии рассеивается в нежелательной и неупорядоченной форме. Это называется потраченной впустую энергии.
Гравитационный потенциал энергия — это энергия, которой обладает объект в зависимости от его положения в гравитационном поле. Например, если положить мяч на холм, он будет обладать гравитационной потенциальной энергией. Если вы катите мяч вниз, эта энергия высвобождается и преобразуется в кинетическую энергию.
Потенциальная энергия упругости (деформации) — это энергия объекта, когда он является упругим и растянутым (например, пружина или струна). Эластичный объект вернется в исходное положение, когда вы прекратите прилагать к нему силу. Это связано с тем, что объект накопил упругую потенциальную энергию.
Рогатки представляют собой приложение энергии упругого потенциала (деформации).
Термический (внутренний) энергия описывает, насколько горячим является объект.
Тепловая энергия — это тип кинетической энергии, поскольку тепло объекта определяется тем, насколько быстро движутся его частицы.Химическая энергия высвобождается (передается в другой накопитель энергии) при протекании химической реакции. Пища, которую вы едите каждый день, хранит химическую энергию, высвобождаемую после химических реакций в вашей пищеварительной системе.
Ядерная энергия — это энергия, удерживаемая в ядре сильными силами. Он может быть высвобожден после ядерных реакций и ежедневно использоваться на атомных электростанциях для производства электроэнергии.
Магнитная энергия накапливается в магнитах, заставляя их притягиваться или отталкиваться друг от друга.
Электромагнитная энергия — это энергия, переносимая электромагнитными волнами. Конечно, видимый свет — это тоже электромагнитная волна. Он обладает этой энергией, но другие примеры могут варьироваться от радиоволн, используемых в радио для передачи информации, до рентгеновских лучей, используемых в медицинской физике.
Сейчас мы сосредоточимся на двух основных видах энергии: потенциальной и кинетической.
Кинетическая энергия
Как вы уже узнали, кинетическая энергия — это энергия, которой объект обладает благодаря своему движению. Но от чего еще зависит кинетическая энергия объекта? Давайте посмотрим на уравнение для нахождения кинетической энергии, чтобы лучше понять концепцию.
кинетическая энергия=12×масса×(скорость)2Ek=12×m×v2
Где кинетическая энергияEki измеряется в джоулях (Дж), масса объекта измеряется в килограммах (кг), а скорость объекта измеряется в метрах в секунду (РС).
Как видите, кинетическая энергия объекта зависит как от его массы, так и от его скорости. Если вы хотите полностью понять концепцию энергии, вам также следует узнать о потенциальной энергии.
Потенциальная энергия
В отличие от кинетической энергии, потенциальная энергия имеет две основные формы – гравитационную и упругую.
Гравитационная потенциальная энергия
Как вы узнали, потенциальная энергия — это энергия, которой обладает объект из-за его положения в гравитационном поле. Теперь давайте погрузимся немного глубже и посмотрим на его уравнение, чтобы увидеть, какие другие факторы влияют на гравитационная потенциальная энергия объекта.
GravitationalPotentialEnergy=Mass×GravitationFieldStrength×High
Ep=m×g×h
Где потенциальная энергия гравитацииEpis в джоулях(Дж)massmiв килограммах(кг)и напряженность гравитационного поляgiв ньютонах на килограмм(Н/кг)и высотаhis в метрах (м).
Упругая потенциальная энергия
Как видите, гравитационная потенциальная энергия зависит от положения объекта в гравитационном поле и его массы. Другой формой потенциальной энергии является упругая потенциальная энергия , которая представляет собой энергию, которой обладает объект, когда он является упругим и растягивается. Давайте посмотрим на его уравнение, чтобы лучше понять концепцию.
ElasticPotentialEnergy=12×SpringConstant×(Растяжение)2
Ee=12×k×e2
Где упругая потенциальная энергия Eei измеряется в джоулях (Дж), упругая постоянная k измеряется в ньютонах на метр (Н/м), а растяжение измеряется в метрах (м).
Постоянная пружины — это значение, которое измеряет жесткость пружины и зависит от материала, используемого в пружине. Это значение также равно силе, необходимой для растяжения пружины на один метр.
Теперь давайте посмотрим, как энергия передается и трансформируется между хранилищами энергии, чтобы понять, как они используются в нашей повседневной жизни.
Энергетические пути
Когда энергия передается между различными хранилищами, существуют различные способы передачи энергии. Их называют энергетическими путями.
Механически – передача механической энергии происходит при совершении работы.
Нагревом – когда объект нагревает другой объект, передавая часть своей тепловой энергии.
Электрически – энергия, передаваемая зарядом, движущимся по цепи.
Излучением – когда объект излучает волну, которая несет энергию, которая может быть передана другому объекту.
Чтобы лучше понять, как можно получить передачу энергии между различными хранилищами, нужно рассмотреть, что происходит с объектом или что делает объект.
Опишите передачу энергии, которая происходит, когда человек подпрыгивает в воздух и снова падает.
Решение
Человек может прыгать в воздух благодаря химическим реакциям в мышцах, заставляющим мышцы двигаться, поэтому сначала происходит переход от химической энергии к кинетической.
Когда человек поднимается выше в воздух, он начинает замедляться из-за гравитационного поля Земли. Их энергия передается из хранилища кинетической энергии в хранилище потенциальной гравитационной энергии. Достигнув максимальной высоты, человек начинает ускоряться обратно вниз к земле.
Их гравитационная потенциальная энергия преобразуется обратно в кинетическую энергию. Или, другими словами, энергия передается из хранилища потенциальной гравитационной энергии в хранилище кинетической энергии.
Передача энергии важна, потому что вы не можете хранить энергию во всех полезных формах. Например, свет — одна из самых полезных вещей в нашей жизни, но его нельзя сохранить. Если вы хотите иметь свет, вы можете носить с собой фонарик, в батарее которого хранится химическая энергия. Затем эта химическая энергия вызывает электрический ток, который затем заставляет лампочку нагреваться. В результате этого процесса нагревания (который происходит слишком быстро для человеческого глаза) лампа излучает свет и позволяет нам видеть в темноте.
Сохранение энергии
Принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена . Количество энергии, которое существовало в то время, когда была сформирована Вселенная, такое же, как и количество энергии, которое существует в тот момент, когда вы читаете это объяснение. Энергия может передаваться только между различными хранилищами. Например, батарея не просто создает энергию из ничего. Он содержит химическую энергию, которая затем передается в цепь для создания тока.
Когда происходит передача энергии, не вся энергия передается в желаемое хранилище. Некоторая его часть передается в нежелательные хранилища и известна как потерянная энергия .
Например, когда летучая мышь ударяет по мячу, раздается громкий звук, означающий, что часть кинетической энергии летучей мыши передается звуковым волнам. Другой пример — объект, движущийся по шероховатой поверхности. Ему приходится совершать работу против трения, и часть энергии теряется, поскольку она преобразуется в тепловую и звуковую энергию.
Но, как видите, даже когда мы говорим о потерянной энергии, на самом деле она не теряется, а трансформируется в нежелательную неупорядоченную форму энергии. Таким образом, мы можем сделать вывод, что начальная полная энергия системы равна конечной полной энергии. Мы можем математически выразить этот вывод, как показано ниже.
Initialtotalenergyofasystem=Finaltotalenergyofasystem
Ei=Ef
Эффективность
Когда вы или машина тратите энергию впустую, пытаясь выполнить работу, это называется неэффективно . «Потраченная впустую» энергия — это то, что мы ранее называли потерянной энергией . На практике вы не можете совершать работу без потерь энергии, но вы можете уменьшить ее до желаемого минимума.
В физике по мере уменьшения потерь энергии эффективность становится выше. Математически это отношение полезной выходной энергии к общей подводимой энергии, которое можно выразить с помощью следующего уравнения.
Efficiency=UsefulenergyoutputTotalenergyinput
Чтобы рассчитать эффективность в процентах, мы должны умножить результат, полученный из предыдущего уравнения, на сто.
Efficiency%=UsefulenergyoutputTotalenergyinput×100
Обратите внимание, что эффективность не может быть равна или выше 100% на практике просто потому, что всегда есть потерянная энергия в той или иной форме, что означает, что «полезная выходная энергия» всегда будет меньше чем “общая потребляемая энергия”
Чайник имеет 50 Дж энергии и преобразует 38 Дж в тепловую энергию. Остальная часть энергии теряется в окружающей среде в виде звука. Рассчитайте КПД чайника.
Решение
Поскольку целью котла является выработка тепловой энергии, заданное значение 38 Дж представляет собой долю энергии, которую мы назвали «полезной выходной энергией». называется «полная потребляемая энергия».
Мы знаем, что формула КПД такова:
Эффективность%=ПолезнаяэнерговыходОбщаяэнергопотребление×100
Если подставить данные переменные в формулу, то можно найти КПД чайника.
КПД%=3850×100=76%
Этикетки эффективности можно найти почти на каждом электрическом устройстве. Wikimedia Commons
Физика энергии — основные выводы
- Энергия — это способность выполнять работу. Он может существовать в различных формах и даже передаваться между системами или органами.
- Кинетическая энергия – это энергия движения. Любой движущийся объект обладает кинетической энергией, и этот запас энергии может передаваться другим объектам посредством столкновений.