Енергія - це те, завдяки чому існує життя не тільки на нашій планеті, а й 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 найпотужніших електростанцій.
Що таке енергія?
У теорії, висунутій Альбертом Ейнштейном, вивчається взаємозв'язок матерії та енергії. Цей великий вчений зміг довести здатність однієї субстанції перетворюватися на 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 Арістотель використовував слово «енергія» для позначення діяльності людини. У перекладі з грецької мови «енергія» - це «діяльність», «сила», «дія», «міць». Перший раз це слово з'явилося в трактаті вченого-грека під назвою «Фізика».
У загальноприйнятому зараз сенсі даний термін був введений в ужиток англійським вченим-фізиком Томасом Юнгом. Ця знаменна подія відбулася в далекому 1807 році. У 50-х роках XIX ст. англійський механік Вільям Томсон вперше використовував поняття «кінетична енгергія», а в 1853 р. шотландський фізик Вільям Ренкін ввів термін «потенційна енергія».
Сьогодні ця скалярна величина присутня у всіх розділах фізики. Вона є єдиним заходом різних форм руху і взаємодії матерії. Іншими словами, вона являє собою міру перетворення одних форм в інші.
Одиниці вимірювання та позначення
Кількість енергії вимірюється в джоулях (Дж). Ця спеціальна одиниця залежно від виду енергії може мати різні позначення, наприклад:
- W - повна енергія системи.
- Q - теплова.
- U - потенційна.
Види енергії
У природі існує багато 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 перепонок у вусі людей і тварин, завдяки якій можна чути звуки. Під час різних хімічних реакцій вивільняється енергія, необхідна для життєдіяльності всіх організмів. Будь-яке паливо, продукти харчування, 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 її з найбільшим ефектом. Надлишки невикористаної енергії акумулюються в особливих енергосховищах. Поряд з вищепереліченими видами енергії часто використовуються термальні джерела, річки, припливи і відливи океану, біопаливо.
Механічна енергія
Цей вид енергії вивчається в розділі фізики, званому «Механікою». Вона позначається літерою Е. Її вимірювання здійснюється в джоулях (Дж). Що собою являє ця енергія? Фізика механіки вивчає рух тіл і взаємодію їх один з одним або з зовнішніми полями. При цьому енергія, обумовлена рухом тіл, називається кінетичною (позначається Єк), а енергію, обумовлену взаємодією тіл або зовнішніх полів, іменують потенційною (Єп). 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 переведення тіла з нульового стану в даний стан. При цьому чим більше робота, тим більшою енергією буде володіти тіло в даному стані.
Розділення видів за різними ознаками
Існує декілька видів поділу енергії. За різними ознаками її ділять на: зовнішню (кінетичну і потенційну) і внутрішню (механічну, термічну, електромагнітну, ядерну, гравітаційну). Електромагнітна енергія в свою чергу підрозділюється 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 уповільненні. Таким чином, чим швидше швидкість, тим більше кінетична енергія.
При зіткненні рухомого тіла з нерухомим об'єктом останньому передається частина кінетичної, що приводить і його в рух. Формула енергії кінетичної наступна:
- Єк = mv2: 2,
де m - маса тіла, v - швидкість руху тіла.
У словах цю формулу можна висловити наступним чином: кінетична енергія об'єкта дорівнює половині твору його маси на квадрат його швидкості.
Потенційний
Цим видом енергії володіють тіла, які знаходяться в якомусь силовому полі. Так, магнітна виникає, коли об'єкт знаходиться під дією магнітного поля. Всі тіла, що знаходяться на землі, володіють потенційною гравітаційною енергією.
Залежно від властивостей об'єктів вивчення вони можуть мати різні види потенційної енергії. Так, пружні та еластичні тіла, які здатні витягуватися, мають потенційну енергію пружності або натягнення. Будь-яке падаюче тіло, яке було раніше нерухоме, втрачає потенційну і набуває кінетичну. При цьому величина цих двох видів буде рівнозначна. У полі тяжіння нашої планети формула енергії потенційної матиме такий вигляд:
- Єп = mhg,
де m - маса тіла; h - висота центру маси тіла над нульовим рівнем; g - прискорення вільного падіння.
У словах цю формулу можна висловити так: потенційна енергія об'єкта, що взаємодіє із Землею, дорівнює виробленню його маси, прискоренню 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 доданком в лангранжіані системи (функція Лагранжа динамічної системи). Ця система описує їх взаємодію.
Потенційну енергію прирівнюють до нуля для якоїсь конфігурації тіл, розташованих у просторі. Вибір конфігурації визначається зручністю подальших обчислень і називається «нормуванням потенційної енергії».
Закон збереження енергії
Одним з найосновніших 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 на електричну, а з неї - на світлову і теплову. Різні побутові прилади перетворюють електричну на світло, тепло або 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 на інший.
У 1918 р. вчені змогли довести, що закон збереження енергії являє собою математичний 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 здійснювати роботу. У замкнутих фізичних системах вона зберігається протягом усього часу (поки система буде замкнутою) і являє собою один з трьох аддитивних інтегралів руху, що зберігають величину при русі. До них належать: 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 становлять його. Її не можна виміряти безпосередньо, оскільки вона є однозначною функцією стану системи. Завжди, коли система опиняється в даному стані, її внутрішня енергія має притаманне йому значення, незалежно від історії існування системи. Зміна внутрішньої енергії в процесі переходу з одного фізичного стану в інше завжди дорівнює різниці між її значеннями в кінцевому і початковому станах.
Внутрішня енергія газу
Крім твердих тіл, енергію мають 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 являє 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 викопні вуглеводні, як вугілля, нафта і газ. Вони відносяться до невідновлених ресурсів.
На жаль, тільки незначна частина енергії видобувається на нашій планеті за допомогою відновлюваних 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 1024;
- енергія газу і нафти - 2 х 10 23;
- внутрішньо тепло планети - 5 х 1020.
Річна величина відновлюваних ресурсів Землі:
- енергія Сонця - 2 х 1024;
- вітер - 6 х 1021;
- річки - 6,5 х 1019;
- морські припливи - 2,5 х 1023.
Тільки при своєчасному переході від використання невідновлюваних запасів енергії Землі до відновлюваних людство має шанс на довге і щасливе існування на нашій планеті. Для втілення передових розробок вчені всього світу продовжують ретельно вивчати різноманітні властивості енергії.
