Энергія - гэта ... Патэнцыяльная і кінэтычная энергія. Што такое энергія ў фізіцы?

Энергія - гэта тое, дзякуючы чаму існуе жыццё не толькі на нашай планеце, але і ва Сусвету. Пры гэтым яна можа быць вельмі рознай. Так, цяпло, гук, святло, электрычнасць, мікрахвалі, калорыі ўяўляюць сабой розныя віды энергіі. Для ўсіх працэсаў, якія адбываюцца вакол нас, неабходная гэтая субстанцыя. Большую частку энергіі ўсё, што існуе на Зямлі атрымлівае ад Сонца, але маюцца і іншыя яе крыніцы. Сонца перадае яе нашай планеце столькі, колькі б выпрацавалі адначасова 100 млн самых магутных электрастанцый.

Што такое энергія?

У тэорыі, высунутай Альбертам Эйнштэйнам, вывучаецца ўзаемасувязь матэрыі і энергіі. Гэты вялікі вучоны змог даказаць здольнасць адной субстанцыі ператварацца ў іншую. Пры гэтым высветлілася, што энергія з'яўляецца самым важным фактарам існавання целаў, а матэрыя другасная.

Энергія - гэта, па вялікім рахунку, здольнасць выконваць нейкую працу. Менавіта яна стаіць за паняццем сілы, здольнай рухаць цела ці надаваць яму новыя ўласцівасці. Што ж азначае тэрмін "энергія"? Фізіка - гэта фундаментальная навука, якой прысвяцілі сваё жыццё шматлікія навукоўцы розных эпох і краін. Яшчэ Арыстоцель выкарыстаў слова "энергія" для абазначэння дзейнасці чалавека. У перакладзе з грэцкай мовы "энергія" - гэта «дзейнасць», «сіла», «дзеянне», «моц». Першы раз гэтае слова з'явілася ў трактаце вучонага-грэка пад назвай «Фізіка».

У агульнапрынятым цяпер сэнсе дадзены тэрмін быў уведзены ва ўжытак ангельскай навукоўцам-фізікам Томасам Юнгом. Гэтая знамянальная падзея адбылася ў далёкім 1807 годзе. У 50-х гадах XIX ст. англійская механік Уільям Томсан ўпершыню выкарыстаў паняцце «кінэтычная энгергия», а ў 1853 г. шатландскі фізік Уільям Ренкин ўвёў тэрмін «патэнцыйная энергія».

Сёння гэтая скалярная велічыня прысутнічае ва ўсіх раздзелах фізікі. Яна з'яўляецца адзінай мерай розных формаў руху і ўзаемадзеяння матэрыі. Іншымі словамі, яна ўяўляе сабой меру пераўтварэнні адных формаў у іншыя.

Адзінкі вымярэння і абазначэння

Колькасць энергіі вымяраецца ў джоўль (Дж). Гэтая спецыяльная адзінка ў залежнасці ад выгляду энергіі можа мець розныя абазначэння, напрыклад:

• W - поўная энергія сістэмы.
• Q - цеплавая.
• U - патэнцыйная.

віды энергіі

У прыродзе існуе мноства самых розных відаў энергіі. Асноўнымі з іх лічацца:

• механічная;
• электрамагнітная;
• электрычная;
• хімічная;
• цеплавая;
• ядзерная (атамная).

Ёсць і іншыя віды энергіі: светлавая, гуку, магнітная. У апошнія гады ўсё большая колькасць вучоных-фізікаў схіляюцца да гіпотэзы аб існаванні так званай «цёмнай» энергіі. Кожны з пералічаных раней відаў дадзенай субстанцыі мае свае асаблівасці. Напрыклад, энергія гуку здольная перадавацца пры дапамозе хваль. Яны спрыяюць узнікненню вібрацыі барабанных перапонак ў вуху людзей і жывёл, дзякуючы якой можна чуць гукі. У ходзе розных хімічных рэакцый вызваляецца энергія, неабходная для жыццядзейнасці ўсіх арганізмаў. Любое паліва, прадукты харчавання, акумулятары, батарэйкі з'яўляюцца сховішчам гэтай энергіі.

Наша свяціла дае Зямлі энергію ў выглядзе электрамагнітных хваль. Толькі так яна можа пераадолець абшары Космасу. Дзякуючы сучасным тэхналогіям, такім як сонечныя батарэі, мы можам выкарыстоўваць яе з найбольшым эфектам. Лішкі нескарыстанай энергіі акумулююцца ў асаблівых энергохранилищах. Нароўні з вышэйпералічанымі відамі энергіі часта выкарыстоўваюцца тэрмальныя крыніцы, рэкі, прылівы і адлівы акіяна, біяпаліва.

механічная энергія

Гэты выгляд энергіі вывучаецца ў раздзеле фізікі, званым «механікай». Яна пазначаецца літарай Е. Яе вымярэнне ажыццяўляецца ў джоўль (Дж). Што сабой уяўляе гэтая энергія? Фізіка механікі вывучае рух целаў і ўзаемадзеянне іх адзін з адным або з знешнімі палямі. Пры гэтым энергія, абумоўленая рухам тэл, называецца кінэтычнай (пазначаецца ЕК), а энергію, абумоўленую узаемадзеяннем тэл ці знешніх палёў, называюць патэнцыйнай (Еп). Сума руху і ўзаемадзеяння ўяўляе сабой поўную механічную энергію сістэмы.

Для разліку абодвух відаў існуе агульнае правіла. Для вызначэння велічыні энергіі варта вылічыць працу, неабходную для перакладу цела з нулявога стану ў дадзены стан. Пры гэтым чым больш праца, тым большай энергіяй будзе валодаць цела ў дадзеным стане.

Падзел відаў па розных прыкметах

Існуе некалькі відаў падзелу энергіі. Па розных прыкметах яе дзеляць на: знешнюю (кінэтычную і патэнцыйную) і ўнутраную (механічную, тэрмічную, электрамагнітную, ядзерную, гравітацыйную). Электрамагнітная энергія ў сваю чаргу падзяляецца на магнітную і электрычную, а ядзерная - на энергію слабога і моцнага ўзаемадзеяння.

кінэтычная

Любыя рухаюцца цела адрозніваюцца наяўнасцю кінэтычнай энергіі. Яна часта так і называецца - рухаючай. Энергія цела, якое рухаецца, губляецца пры яго запаволенні. Такім чынам, чым хутчэй хуткасць, тым больш кінэтычная энергія.

Пры судотыку які рухаецца цела з нерухомым аб'ектам апошняму перадаецца частка кінэтычнай, якая прыводзіць і яго ў рух. Формула энергіі кінэтычнай наступная:

• Е _да = mv ^2: 2,
  дзе m - маса цела, v - хуткасць руху цела.

У словах гэтую формулу можна выказаць наступным чынам: кінэтычная энергія аб'екта роўная палове творы яго масы на квадрат яго хуткасці.

патэнцыйная

Гэтым відам энергіі валодаюць цела, якія знаходзяцца ў якім-небудзь сілавым полі. Так, магнітная ўзнікае, калі аб'ект знаходзіцца пад дзеяннем магнітнага поля. Усе целы, якія знаходзяцца на зямлі, валодаюць патэнцыйнай гравітацыйнай энергіяй.

У залежнасці ад уласцівасцяў аб'ектаў вывучэння яны могуць мець розныя віды патэнцыйнай энергіі. Так, пругкія і эластычныя цела, якія здольныя выцягвацца, маюць патэнцыйную энергію пругкасці небудзь нацяжэння. Любое якое падала цела, якое было раней нерухома, губляе патэнцыйную і набывае кінэтычную. Пры гэтым велічыня гэтых двух відаў будзе раўназначная. У полі прыцягнення нашай планеты формула энергіі патэнцыйнай будзе мець наступны выгляд:

• Е _п = mhg,
  дзе m - маса цела; h - вышыня цэнтра масы цела над нулявым узроўнем; g - паскарэнне вольнага падзення.

У словах гэтую формулу можна выказаць так: патэнцыйная энергія аб'екта, узаемадзеянне з Зямлёй, роўная твору яго масы, паскарэнню свабоднага падзення і вышыні, на якой яно знаходзіцца.

Гэтая скалярная велічыня з'яўляецца характарыстыкай запасу энергіі матэрыяльнага пункта (цела), якая знаходзіцца ў патэнцыйным сілавым полі і якая ідзе на набыццё кінэтычнай энергіі за кошт працы сіл поля. Часам яе называюць функцыяй каардынатаў, якая з'яўляецца складнікам ў лангранжиане сістэмы (функцыя Лагранжа дынамічнай сістэмы). Гэтая сістэма апісвае іх узаемадзеянне.

Патэнцыйную энергію прыраўноўваюць да нуля для нейкай канфігурацыі тэл, размешчаных у прасторы. Выбар канфігурацыі вызначаецца зручнасцю далейшых вылічэнняў і называецца «нормировкой патэнцыйнай энергіі».

Закон захавання энергіі

Адным з самых асноўных пастулатаў фізікі з'яўляецца Закон захавання энергіі. У адпаведнасці з ім, энергія ніадкуль не ўзнікае і нікуды не знікае. Яна ўвесь час пераходзіць з адной формы ў іншую. Іншымі словамі, адбываецца толькі змена энергіі. Так, напрыклад, хімічная энергія акумулятара ліхтарыка пераўтворыцца ў электрычную, а з яе - у светлавую і цеплавую. Розныя бытавыя прыборы ператвараюць электрычную ў свет, цяпло ці гук. Часцей за ўсё канчатковым вынікам змены з'яўляюцца цяпло і святло. Пасля гэтага энергія сыходзіць у навакольную прастору.

Закон энергіі здольны растлумачыць многія фізічныя з'явы. Навукоўцы сцвярджаюць, што агульны аб'ём яе ў Сусвеце пастаянна застаецца нязменным. Ніхто не можа стварыць энергію зноўку або знішчыць. Выпрацоўваючы адзін з яе відаў, людзі выкарыстоўваюць энергію паліва, падаючай вады, атама. Пры гэтым адзін яе від ператвараецца ў іншы.

У 1918 г. навукоўцы змаглі даказаць, што закон захавання энергіі ўяўляе сабой матэматычнае следства трансляцыйныя сіметрыі часу - велічыні спалучанай энергіі. Іншымі словамі, энергія захоўваецца з прычыны таго, што законы фізікі не адрозніваюцца ў розныя моманты часу.

асаблівасці энергіі

Энергія - гэта здольнасць цела здзяйсняць працу. У замкнёных фізічных сістэмах яна захоўваецца на працягу ўсяго часу (пакуль сістэма будзе замкнёнай) і ўяўляе сабой адзін з трох адытыўная інтэгралаў руху, якія захоўваюць велічыню пры руху. Да іх адносяцца: энергія, момант імпульсу, імпульс. Ўвядзенне паняцця "энергія" мэтазгодна тады, калі фізічная сістэма аднастайная ў часе.

Унутраная энергія тэл

Яна ўяўляе сабой суму энергій малекулярных узаемадзеянняў і цеплавых рухаў малекул, якія складаюць яго. Яе нельга вымераць напрамую, паколькі яна з'яўляецца адназначнай функцыяй стану сістэмы. Заўсёды, калі сістэма аказваецца ў дадзеным стане, яе ўнутраная энергія мае уласцівае яму значэнне, незалежна ад гісторыі існавання сістэмы. Змена ўнутранай энергіі ў працэсе пераходу з аднаго фізічнага стану ў іншы заўсёды роўна рознасці паміж яе значэннямі ў канчатковым і пачатковым станах.

Унутраная энергія газу

Акрамя цвёрдых тэл, энергію маюць і газы. Яна ўяўляе сабой кінэтычную энергію цеплавога (хаатычнага) руху часціц сістэмы, да якіх ставяцца атамы, малекулы, электроны, ядра. Ўнутранай энергіяй ідэальнага газу (матэматычнай мадэлі газу) з'яўляецца сума кінэтычных энергій яго часціц. Пры гэтым улічваецца лік ступеняў свабоды, якое ўяўляе сабой лік незалежных зменных, якія вызначаюць становішча малекулы ў прасторы.

выкарыстанне энергіі

З кожным годам чалавецтва спажывае ўсё большая колькасць энергарэсурсаў. Часцей за ўсё для атрымання энергіі, неабходнай для асвятлення і ацяплення нашых жылля, працы аўтатранспарту і розных механізмаў, выкарыстоўваюцца такія выкапні вуглевадароды, як вугаль, нафту і газ. Яны ставяцца да неаднаўляльных рэсурсаў.

На жаль, толькі нязначная частка энергіі здабываецца на нашай планеце з дапамогай аднаўляемых рэсурсаў, такіх як вада, вецер і Сонца. На сённяшні дзень іх удзельная вага ў энергетыцы складае ўсяго 5%. Яшчэ 3% людзі атрымліваюць у выглядзе ядзернай энергіі, што вырабляецца на атамных электрастанцыях.

Неаднаўляльныя рэсурсы маюць наступныя запасы (у джоўль):

• ядзерная энергія - 2 х 10 ^24;
• энергія газу і нафты - 2 х 10 ^23;
• ўнутрана цяпло планеты - 5 х 10 ^20.

Гадавая велічыня аднаўляльных рэсурсаў Зямлі:

• энергія Сонца - 2 х 10 ^24;
• вецер - 6 х 10 ^21;
• ракі - 6,5 х 10 ^19;
• марскія прылівы - 2,5 х 10 ^23.

Толькі пры своечасовым пераходзе ад выкарыстання неаднаўляльных запасаў энергіі Зямлі да аднаўляльных чалавецтва мае шанец на доўгі і шчаслівае існаванне на нашай планеце. Для ўвасаблення перадавых распрацовак навукоўцы з усёй Еўропы працягваюць старанна вывучаць разнастайныя ўласцівасці энергіі.