Энергия?— скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
В механике есть два вида энергии: кинетическая энергия и потенциальная энергия. Их сумма называется полной механической энергией.
Энергия и работа
Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах (джоулях, [Дж]).
Механическая работа численно равна изменению механической энергии. Эту связь работы и энергии мы легко можем почувствовать на себе: например, если провести день очень активно, то к вечеру никаких сил и энергии не останется.
В механике принято считать, что работу по перемещению тела из одного положения в другое совершает сила. Работу силы можно вычислить по формуле:
A=F?s?cos?,
где F — сила, совершающая работу, [H];
S — перемещение тела, [м];
? — угол между направлением силы и направлением перемещения.
Если угол ? острый, то работа силы положительна, если прямой, то работа равна нулю, если тупой, то работа отрицательна.
Кинетическая энергия?—?это энергия движения тела. Кинетическая энергия зависит только от скорости и от массы тела, и определяется формулой:
где m — масса тела, [кг],
v — скорость тела, [м/с].
Если тело покоится, его кинетическая энергия равна нулю.
Движущееся тело обладает способностью совершить работу. Например, шар для боулинга способен сбить все 10 кеглей.
Потенциальная энергия?— это энергия взаимодействия тел или частей тела между собой или с внешними полями. Основной физический смысл имеет не само потенциальной энергии, а её изменение. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Любая физическая система стремится к состоянию с?наименьшей?потенциальной энергией.
Корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тела, но не от траектории его?. Такие силы называются консервативными (потенциальными).
Например, работа силы тяжести не зависит от траектории перемещения тела и равна mgh.
Закон сохранения энергии
Энергия замкнутой физической системы сохраняется. Замкнутой называется система, в которой действуют только консервативные силы.
Закон сохранения механической энергии.
Общая сумма потенциальной и кинетической энергии тела остается неизменной, если действуют только силы упругости и тяготения, а сила трения отсутствует.?
Потенциальная энергия в поле силы тяжести?выражается формулой:
где m — масса тела, [кг],
g — ускорение свободного падения,?[Н/кг] или [м/c2].
H — высота положения?тела над поверхностью, [м].
За нулевое положение тела может быть принято любое удобное нам положение в зависимости от условий, проводимых опыта и измерений. Это может быть поверхность пола, стола, Земли и так далее.
Закон сохранения энергии в поле силы тяжести хорошо иллюстрируется движением математического маятника.
В положении 1 и 3 шарик находится в состоянии покоя на высоте h, его кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная равна mgh. При переходе из положения 1 в положение 2 высота и потенциальная энергия уменьшаются, но зато скорость и кинетическая энергия увеличиваются, и в положении 2 кинетическая энергия максимальна и равна mv2/2, а потенциальная энергия минимальна и равна нулю.
Таким образом,
Поднятый над землей груз работы не совершает, но может совершить, если начнет падать вниз. Например, потенциальная энергия падающей воды может превратиться в механическую энергию жернова.
Потенциальная энергия??характеризует взаимодействие между собой частей тела и приближённо выражается формулой:
где — жёсткость деформированного тела,?[Н/м],
?x — смещение от положения равновесия.
Потенциальная энергия пружины равна нулю, когда пружина не растянута.
Сжатая пружина, распрямляясь, может совершить работу, например, поднять вверх небольшой груз.
Внутренняя энергия тела?(обозначается как E или U)?— это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую.
Тепловая энергия
Каждое физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело. В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже, чем в жидкости, а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого среднего положения, чем сильнее эти колебания, тем большей тепловой энергией обладает тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его молекулы и атомы, при достаточно сильном “раскачивании” можно выбить молекулы со своего места и заставить хаотично двигаться. Этот процесс плавления наблюдал каждый, нагревая в руке кусочек льда. Продолжая нагрев, мы как бы разгоняем движущиеся молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное количество тепловой энергии можно превратить его в газ. Процесс испарения протекает в кипящем чайнике.
Средняя кинетическая энергия?поступательного движения молекул газа равна:
,
где m — масса молекулы, [кг],
(v2)?— средний квадрат скорости молекул, [м2/с2].
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре:
,
где k=1,38?10-23?[Дж/К] — постоянная Больцмана,
Т — абсолютная температура, выраженная в кельвинах, [К].
Температура — мера средней кинетической энергии движения молекул.
Зная абсолютную температуру газа, можно найти среднеквадратичную или тепловую скорость молекул:
Например, средняя скорость молекул кислорода при комнатной температуре примерно равна 500м/c.
Связь абсолютной температуры и температуры в градусах Цельсия:
T(К)=T(°С)+273,15.
Абсолютный ноль температуры определён как 0 K, что равно ?273,15?°C.
Электромагнитная энергия?— термин, под которым подразумевается энергия, заключенная в электромагнитном поле. Эта энергия равна механической работе, совершаемой при перемещении зарядов и проводников в электрическом и магнитном полях.
Работа электрического поля?при перемещении электрического заряда из одной точки в другую равна произведению заряда на разность потенциалов между двумя точками:
А=q?,
где q — электрический заряд, [Кл],
? — разность потенциалов, [В].
Свет?— это электромагнитная волна. Частички света, фотоны, тоже обладают энергией.
Энергия фотона пропорциональна частоте излучения и вычисляется по формуле:
E=h?,
где h=6,63?10-34[Дж?с] — постоянная Планка,
? — частота света, [с-1] или [Гц].
Таким образом, чем больше частота фотона, тем больше у него энергия. Наибольшей энергией обладает рентгеновское и гамма излучения, поэтому они опасны для живых организмов.
Для преобразования энергии света в электрическую энергию используются солнечные батареи.
Электроэнергия?— физический термин, широко распространённый в технике и в быту для определения количества электрической энергии, выдаваемой генератором в электрическую сеть или получаемой из сети потребителем.
Заряженные тела обладают энергией, движущиеся электроны могут, например, накалить нить электролампы.
Количество теплоты, выделяющееся при протекании тока через проводник, дает закон Джоуля – Ленца:
,
где I — сила тока, [А],
R — сопротивление проводника, [Ом],
t — время прохождения тока по проводнику, [с].
Для преобразования механической энергии в электрическую используют электрогенератор.
Химические источники энергии
Самым первым источником энергии, который человек поставил себе на службу, были обыкновенные дрова для пещерного костра. При горении происходят химические реакции окисления.
Химические реакции могут происходить,?как с поглощением,?так и с выделением энергии, сама энергия может быть как тепловой, так и электрической. В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической энергии, при зарядке происходит поглощение электрической энергии.
Автомобили и самолеты при движении расходуют энергию сгорающего топлива, т.е энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, превращается в кинетическую энергию движения.
Ядерная энергия?(атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях. В природе ядерная энергия выделяется в звёздах, а человеком применяется, в основном, в ядерном оружии и ядерной энергетике, в частности, на атомных электростанциях.
Эквивалентность массы и энергии?— физическая концепция теории относительности Эйнштейна, согласно которой полная энергия физического объекта равна его массе, умноженной на квадрат скорости света в вакууме:
E = mc2,
где m — масса тела, [кг],
с = 3 ? 108 м / c — скорость света в вакууме.
Скорость света в квадрате — колоссальное число, демонстрирующее, какое огромное количество энергии есть даже в небольшом количестве вещества. Вот почему небольшой кусочек урана или плутония может произвести разрушающий атомный взрыв.
Энергия?связи?— это энергия, которая требуется для расщепления на отдельные частицы (протоны и нейтроны). Хотя ядро состоит из нуклонов (протонов и нейтронов), масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя отдельных нуклонов, из которых состоит ядро. Энергия связи, которая удерживает вместе эти нуклоны, пропорциональна разнице массы ядра как целого и суммы масс его отдельных нуклонов.
