Enerģija ir ... Potenciālā un kinētiskā enerģija. Kas ir enerģija fizikā?

Enerģija ir tā, kas padara dzīvi pastāvošune tikai uz mūsu planētas, bet arī Visumā. Tomēr tas var būt ļoti atšķirīgs. Tātad, siltums, skaņa, gaisma, elektrība, mikroviļņu krāsnis, kalorijas ir dažādi enerģijas veidi. Visiem apkārt notiekošajiem procesiem šī viela ir nepieciešama. Viss, kas pastāv uz Zemes, lielāko daļu enerģijas saņem no Saules, taču ir arī citi enerģijas avoti. Saule to pārnes uz mūsu planētu tikpat daudz, cik vienlaicīgi būtu saražojuši 100 miljoni spēcīgāko spēkstaciju.

Kas ir enerģija?

Alberta Einšteina izvirzītajā teorijātiek pētīta matērijas un enerģijas attiecība. Šis izcilais zinātnieks spēja pierādīt vienas vielas spēju pārveidoties citā. Tajā pašā laikā izrādījās, ka enerģija ir vissvarīgākais faktors ķermeņu pastāvēšanai, un matērija ir sekundāra.

Enerģija kopumā ir spējapaveikt kādu darbu. Tieši viņa stāv aiz spēka jēdziena, kas spēj kustināt ķermeni vai piešķirt tam jaunas īpašības. Ko nozīmē termins "enerģija"? Fizika ir fundamentāla zinātne, kurai savu dzīvi ir veltījuši daudzi zinātnieki no dažādiem laikmetiem un valstīm. Pat Aristotelis izmantoja vārdu "enerģija", lai apzīmētu cilvēka darbību. Tulkojumā no grieķu valodas "enerģija" ir "darbība", "spēks", "darbība", "spēks". Pirmo reizi šis vārds parādījās grieķu zinātnieka traktātā ar nosaukumu Fizika.

Tagad vispārpieņemtajā nozīmē šis termins bijaikdienas dzīvē ieviesis angļu fiziķis Tomass Jungs. Šis nozīmīgais notikums notika tālajā 1807. gadā. XIX gadsimta 50. gados. Angļu mehāniķis Viljams Tomsons vispirms izmantoja "kinētiskās enerģijas" jēdzienu, un 1853. gadā skotu fiziķis Viljams Rankins ieviesa terminu "potenciālā enerģija".

Šodien šis skalārs atrodasvisas fizikas sadaļas. Tas ir viens matērijas dažādu kustības un mijiedarbības formu mērs. Citiem vārdiem sakot, tas ir mērs dažu formu pārveidošanai citās.

Mērvienības un simboli

Enerģijas daudzumu mēra džoulos (J). Šai īpašajai vienībai atkarībā no enerģijas veida var būt dažādi apzīmējumi, piemēram:

• W ir sistēmas kopējā enerģija.
• Q - termiskā.
• U ir potenciāls.

Enerģijas veidi

Dabā ir daudz dažādu enerģijas veidu. Galvenie no tiem ir:

• mehānisks;
• elektromagnētisks;
• elektrisks;
• ķīmiskās vielas;
• termiskā;
• kodols (atoms).

Ir arī citi enerģijas veidi:gaisma, skaņa, magnētiskā. Pēdējos gados arvien vairāk fiziķu ir nosliece uz tā sauktās "tumšās" enerģijas pastāvēšanas hipotēzi. Katram no iepriekš uzskaitītajiem šīs vielas veidiem ir savas īpašības. Piemēram, skaņas enerģiju var pārraidīt, izmantojot viļņus. Tie veicina bungādiņu vibrāciju cilvēku un dzīvnieku ausīs, pateicoties kurām var dzirdēt skaņas. Dažādu ķīmisko reakciju laikā tiek atbrīvota enerģija, kas nepieciešama visu organismu dzīvībai. Jebkura degviela, pārtika, akumulatori, baterijas ir šīs enerģijas uzglabāšana.

Mūsu gaismas ķermenis dod Zemes enerģiju formāelektromagnētiskie viļņi. Tikai šādā veidā viņa var pārvarēt Kosmosa plašumus. Pateicoties mūsdienu tehnoloģijām, piemēram, saules paneļiem, mēs to varam izmantot pēc iespējas efektīvāk. Neizmantotās enerģijas pārpalikums tiek uzkrāts īpašās enerģijas uzglabāšanas telpās. Kopā ar iepriekš minētajiem enerģijas veidiem bieži tiek izmantotas termiskās avoti, upes, okeāna plūdmaiņas un plūsma, kā arī biodegviela.

Mehāniskā enerģija

Šis enerģijas veids tiek pētīts fizikas sadaļā,sauc par "Mehāniku". To apzīmē ar burtu E. To mēra džoulos (J). Kas ir šī enerģija? Mehānikas fizika pēta ķermeņu kustību un to mijiedarbību savā starpā vai ar ārējiem laukiem. Šajā gadījumā enerģiju, kas rodas ķermeņu kustības dēļ, sauc par kinētisko (apzīmē ar Ek), un enerģiju, kas rodas ķermeņu vai ārējo lauku mijiedarbības dēļ, sauc par potenciālu (En). Kustības un mijiedarbības summa atspoguļo sistēmas kopējo mehānisko enerģiju.

Abu veidu aprēķināšanai ir vispārīgs noteikums.Lai noteiktu enerģijas daudzumu, jāaprēķina darbs, kas nepieciešams ķermeņa pārvietošanai no nulles stāvokļa uz šo stāvokli. Turklāt, jo vairāk darba, jo vairāk enerģijas ķermenim būs šajā stāvoklī.

Sugu atdalīšana pēc dažādām īpašībām

Ir vairāki enerģijas atdalīšanas veidi.Pēc dažādiem kritērijiem to iedala: ārējā (kinētiskā un potenciālā) un iekšējā (mehāniskā, termiskā, elektromagnētiskā, kodola, gravitācijas). Elektromagnētiskā enerģija savukārt tiek sadalīta magnētiskajā un elektriskajā, bet kodolenerģija - vājās un spēcīgās mijiedarbības enerģijā.

Kinētisks

Jebkurus kustīgus ķermeņus atšķir ar klātbūtnikinētiskā enerģija. Bieži vien to sauc par braukšanu. Kustīga ķermeņa enerģija tiek zaudēta, kad tas palēninās. Tādējādi, jo lielāks ātrums, jo lielāka kinētiskā enerģija.

Kad kustīgs ķermenis nonāk saskarē ar nekustīgu priekšmetu, pēdējais saņem daļu kinētiskās, kas to arī iedarbina. Kinētiskās enerģijas formula ir šāda:

• E_uz = mv^2: 2,
  kur m - ķermeņa masa, v - ķermeņa ātrums.

Vārdos šo formulu var izteikt šādi: objekta kinētiskā enerģija ir vienāda ar pusi no tā masas reizinājuma ar ātruma kvadrātu.

Potenciāls

Šāda veida enerģiju pārvalda ķermeņi, kasatrodas jebkurā spēka laukā. Tātad, magnētiskais notiek, kad objekts atrodas magnētiskā lauka ietekmē. Visiem ķermeņiem uz zemes ir potenciālā gravitācijas enerģija.

Atkarībā no pētāmo objektu īpašībām, tievar būt dažāda veida potenciālā enerģija. Tādējādi elastīgajiem un elastīgajiem ķermeņiem, kas spēj izstiepties, ir potenciālā elastības vai spriedzes enerģija. Jebkurš krītošs ķermenis, kas iepriekš bija nekustīgs, zaudē potenciālu un iegūst kinētiku. Turklāt šo divu veidu lielums būs līdzvērtīgs. Mūsu planētas gravitācijas laukā potenciālās enerģijas formulai būs šāda forma:

• E_n = mhg,
  kur m ir ķermeņa masa; h ir ķermeņa masas centra augstums virs nulles līmeņa; g ir gravitācijas paātrinājums.

Vārdos šo formulu var izteikt šādi: objekta potenciālā enerģija, kas mijiedarbojas ar Zemi, ir vienāda ar tā masas, brīvā kritiena paātrinājuma un augstuma, kurā tas atrodas, reizinājumu.

Šis skalārs ir raksturīgsmateriāla punkta (ķermeņa) enerģijas rezerve, kas atrodas potenciālā spēka laukā un ko izmanto kinētiskās enerģijas iegūšanai lauka spēku darbības dēļ. Dažreiz to sauc par koordinātu funkciju, kas ir termins sistēmas Lagrangian (dinamiskās sistēmas Lagrange funkcija). Šī sistēma raksturo viņu mijiedarbību.

Potenciālā enerģija tiek pielīdzināta nulleinoteikta ķermeņu konfigurācija, kas atrodas kosmosā. Konfigurācijas izvēli nosaka turpmāko aprēķinu ērtums, un to sauc par "potenciālās enerģijas normalizēšanu".

Enerģijas saglabāšanas likums

Viens no pamata fizikas principiemir enerģijas saglabāšanas likums. Saskaņā ar to enerģija nerodas no jebkuras vietas un nepazūd nekur. Tas pastāvīgi mainās no vienas formas uz otru. Citiem vārdiem sakot, notiek tikai enerģijas izmaiņas. Tā, piemēram, lukturīša akumulatora ķīmiskā enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju, un no tās - par gaismu un siltumu. Dažādas mājsaimniecības ierīces pārvērš elektrisko enerģiju gaismā, siltumā vai skaņā. Visbiežāk izmaiņu gala rezultāts ir siltums un gaisma. Pēc tam enerģija nonāk apkārtējā telpā.

Enerģijas likums var izskaidrot daudzusfiziskas parādības. Zinātnieki apgalvo, ka tā kopējais apjoms Visumā visu laiku paliek nemainīgs. Neviens nevar no jauna radīt vai iznīcināt enerģiju. Ražojot vienu no tā veidiem, cilvēki izmanto degvielas, krītošā ūdens un atoma enerģiju. Šajā gadījumā viens no tā veidiem pārvēršas citā.

1918. gadā g.zinātnieki spēja pierādīt, ka enerģijas saglabāšanas likums ir laika translācijas simetrijas - konjugētās enerģijas lieluma - matemātiskas sekas. Citiem vārdiem sakot, enerģija tiek saglabāta, pateicoties tam, ka fizikas likumi dažādos laikos neatšķiras.

Enerģijas īpatnības

Enerģija ir ķermeņa spēja veikt darbu.Slēgtās fiziskajās sistēmās tas saglabājas visu laiku (kamēr sistēma ir slēgta) un ir viens no trim kustības papildinošajiem integrāļiem, kas kustības laikā saglabā lielumu. Tie ietver: enerģiju, leņķisko impulsu, impulsu. Jēdziena "enerģija" ieviešana ir lietderīga, ja fiziskā sistēma laikā ir viendabīga.

Ķermeņu iekšējā enerģija

Tā ir molekulāro enerģiju summato veidojošo molekulu mijiedarbība un termiskās kustības. To nevar tieši izmērīt, jo tā ir nepārprotama sistēmas stāvokļa funkcija. Ikreiz, kad sistēma atrodas noteiktā stāvoklī, tās iekšējai enerģijai ir raksturīga nozīme neatkarīgi no sistēmas pastāvēšanas vēstures. Iekšējās enerģijas izmaiņas pārejas laikā no viena fiziskā stāvokļa uz citu vienmēr ir vienādas ar starpību starp tās vērtībām galīgajā un sākuma stāvoklī.

Iekšējā gāzes enerģija

Papildus cietajām vielām gāzēm ir arī enerģija.Tas attēlo sistēmas daļiņu termiskās (haotiskās) kustības kinētisko enerģiju, kas ietver atomus, molekulas, elektronus, kodolus. Ideālas gāzes iekšējā enerģija (gāzes matemātiskais modelis) ir tās daļiņu kinētisko enerģiju summa. Tas ņem vērā brīvības pakāpju skaitu, kas ir neatkarīgo mainīgo skaits, kas nosaka molekulas stāvokli kosmosā.

Enerģijas izmantošana

Katru gadu cilvēce visu patērēvairāk enerģijas resursu. Visbiežāk fosilos ogļūdeņražus, piemēram, ogles, eļļu un gāzi, izmanto, lai iegūtu enerģiju, kas nepieciešama mūsu māju apgaismojumam un apkurei, transportlīdzekļu un dažādu mehānismu darbībai. Tie ir neatjaunojami resursi.

Diemžēl tikai daļa enerģijastiek iegūta uz mūsu planētas, izmantojot atjaunojamos resursus, piemēram, ūdeni, vēju un sauli. Šodien viņu īpatsvars enerģētikas nozarē ir tikai 5%. Vēl 3% cilvēku iegūst kodolenerģijas veidā, ko ražo atomelektrostacijās.

Neatjaunojamiem resursiem ir šādas rezerves (džoulos):

• kodolenerģija - 2 x 10²⁴;
• gāzes un eļļas enerģija - 2 x 10 ²³;
• planētas iekšējais siltums - 5 x 10²⁰.

Zemes atjaunojamo resursu gada vērtība:

• saules enerģija - 2 x 10²⁴;
• vējš - 6 x 10²¹;
• upes - 6,5 x 10¹⁹;
• jūras plūdmaiņas - 2,5 x 10²³.

Tikai ar savlaicīgu pāreju noizmantojot Zemes neatjaunojamās enerģijas rezerves atjaunojamai cilvēcei, ir iespēja ilgi un laimīgi pastāvēt uz mūsu planētas. Zinātnieki visā pasaulē turpina uzmanīgi izpētīt dažādas enerģijas īpašības, lai iemiesotu progresīvu attīstību.