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, електрика, мікрохвилі, калорії являють собою 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 самих потужних електростанцій.

Що таке енергія?

В теорії, висунутої Альбертом Ейнштейном, вивчається взаємозв'язок матерії та енергії. Цей великий учений зміг довести спроможність 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, якій 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». Вперше це слово з'явилося в трактаті вченого-грека під назвою «Фізика». У загальноприйнятому зараз сенсі цей термін був введений в обіг англійським ученим-фізиком Томасом Юнгом. Це знаменна подія відбулася в далекому 1807 році. У 50-х роках XIX ст. англійський механік Вільям Томсон вперше використав поняття «кінетична энгергия», а в 1853 р. шотландський фізик Вільям Ренкин ввів термін «потенційна енергія».


Сьогодні ця скалярна величина присутня 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 і 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 у 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 живлення, 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 з найбільшим ефектом. Надлишки невикористаної енергії акумулюються в особливих энергохранилищах. Поряд з перерахованими вище видами енергії часто використовуються термальні джерела, річки, припливи і відливи океану, біопаливо.

Механічна енергія

Цей вид енергії вивчаються в розділі фізики, що називається «Механікою». Вона позначається буквою Е. Її вимірювання здійснюється в джоулях (Дж). Що собою являє ця енергія? Фізика механіка вивчає рух тіл та їх взаємодія один з одним або з зовнішніми полями. При цьому енергія, обумовлена рухом тіл, називається кінетичною (позначається Єк), а енергію, зумовлену взаємодією тіл або зовнішніх полів, іменують потенційної (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 володіє тіло в даному стані.

Розподіл 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 у свою чергу підрозділяється на магнітну і електричну, а ядерна – на енергію слабкої і сильної взаємодії.

Кінетична

Будь-які рухомі тіла відрізняються наявністю кінетичної енергії. Вона часто так і називається - рушійною. Енергія тіла, яке рухається, втрачається при його уповільнення. Таким чином, чим швидше швидкість, тим більше кінетична енергія.
При зіткненні рухомого тіла з нерухомим об'єктом останнього передається частина кінетичної, що приводить його в рух. Формула кінетичної енергії наступна:

Е до = mv 2 : 2
де m — маса тіла, v – швидкість руху тіла.

У словах цю формулу можна виразити наступним чином: кінетична енергія об'єкта дорівнює половині добутку його маси на квадрат його швидкості.

Потенційна

Цим видом енергії мають тіла, які знаходяться в якому-небудь силовому полі. Так, магнітна виникає, коли об'єкт знаходиться під дією магнітного поля. Всі тіла, що знаходяться на землі, мають потенційну гравітаційною енергією. В залежності 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 падаюче тіло, яке було раніше нерухомо, втрачає потенційну і набуває кінетичну. При цьому величина цих двох видів буде рівнозначна. В полі тяжіння нашої планети формула потенційної енергії буде мати наступний вигляд:

Е п = mhg,
де m — маса тіла; h – висота центру мас тіла над нульовим рівнем; g – прискорення вільного падіння.

У словах цю формулу можна виразити так: потенційна енергія об'єкта, що взаємодіє із Землею, дорівнює добутку його маси, прискорення 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, що є складовими у лангранжиане системи (функція Лагранжа динамічної системи). Ця система описує їх взаємодія. Потенційну енергію прирівнюють до нуля для деякої конфігурації тіл, розташованих в просторі. Вибір конфігурації визначається зручністю подальших обчислень і називається «нормуванням потенційної енергії».

Закон збереження енергії

Одним з основних постулатів фізики є Закон збереження енергії. Згідно з ним, 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 енергію в світло, тепло, 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 являє собою 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 замкнених фізичних системах вона зберігається протягом всього 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 опиняється в даному стані, її внутрішня енергія має властиве 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, що мають енергію і гази. Вона являє собою кінетичну енергію теплового (хаотичного) руху частинок системи, до яких належать 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 невозобновимым ресурсів. На жаль, лише незначна частина енергії видобувається на нашій планеті з допомогою возобновимых ресурсів, таких як вода, вітер і Сонце. На сьогоднішній день їх питома вага в енергетиці складає всього 5 %. Ще 3 % люди отримують у вигляді ядерної енергії, виробленої на атомних електростанціях. Невідновлювані ресурси мають такі запаси (у джоулях):

ядерна енергія – 2 х 10 24 ;

енергія газу і нафти – 2 х 10 23 ;

внутрішньо тепло планети – 5 х 10 20 .

Річна величина поновлюваних ресурсів Землі:

енергія Сонця – 2 х 10 24 ;

вітер – 6 х 10 21 ;

річки - 65 х 10 19 ;

морські припливи - 25 х 10 23 .

Тільки при своєчасному переході від використання невідновлюваних енергетичних запасів енергії Землі до поновлюваних людство має шанс на довге і щасливе існування на нашій планеті. Для втілення передових розробок вчені всього світу продовжують ретельно вивчати різноманітні властивості енергії.