Περιεχόμενο
Ένας από τους θεμελιώδεις νόμους του σύμπαντος είναι ότι η ενέργεια δεν δημιουργείται ούτε καταστρέφεται - αλλάζει μόνο μορφές. Συνεπώς, υπάρχουν πολλές μορφές ενέργειας. Για να καταλάβουμε πώς αυτοί οι τύποι είναι εκφράσεις του ίδιου πράγματος, είναι σημαντικό να καταλάβουμε πρώτα τι σημαίνουν φυσικοί όταν μιλάνε για ενέργεια. Μία ιδέα που έχει τις ρίζες της στις έννοιες της κλασικής φυσικής, όπως διασαφηνίστηκε από τον Sir Isaac Newton.
Ο τύπος για την ενέργεια της κίνησης είναι KE = .5 × m × v2 όπου KE είναι κινητική ενέργεια σε joules, m είναι μάζα σε χιλιόγραμμα και v είναι ταχύτητα σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Δύναμη και Εργασία
Οι Newton τρεις νόμοι της κίνησης αποτελούν τη βάση για την κλασική φυσική. Ο πρώτος νόμος ορίζει τη δύναμη ως εκείνη που προκαλεί κίνηση, και ο δεύτερος νόμος συνδέει τη δύναμη που δρα επί ενός αντικειμένου με την επιτάχυνση που υφίσταται. Αν μια δύναμη (F) επιταχύνει ένα σώμα διαμέσου μιας απόστασης (d), κάνει μια ποσότητα εργασίας (W) ίση με τη δύναμη πολλαπλασιαζόμενη με το χρόνο απόστασης ένας παράγοντας που υπολογίζει τη γωνία μεταξύ τους (θ, ). Ως μαθηματική έκφραση, αυτό σημαίνει W = F × d × (cos (θ)). Οι μετρικές μονάδες για δύναμη είναι newton, εκείνες για απόσταση είναι μετρητές και αυτές για εργασία είναι newton-μέτρα, ή joules. Η ενέργεια είναι η ικανότητα για εργασία, και εκφράζεται επίσης σε joules.
Κινητική και Πιθανή Ενέργεια
Ένα αντικείμενο σε κίνηση διαθέτει την ενέργεια της κίνησης, η οποία είναι ισοδύναμη με το έργο που θα χρειαζόταν για να το αφήσει να ξεκουραστεί. Αυτό ονομάζεται κινητική του ενέργεια και εξαρτάται από το τετράγωνο της ταχύτητας των αντικειμένων (v) καθώς και το μισό της μάζας (m). Μαθηματικά, αυτό εκφράζεται ως E (k) = (.5) × m × v2. Ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας στο πεδίο της βαρύτητας της Γης διαθέτει πιθανή ενέργεια λόγω του υψομέτρου της. αν πέσει ελεύθερα, θα αποκτήσει κινητική ενέργεια ίση με αυτή τη δυνητική ενέργεια. Η πιθανή ενέργεια εξαρτάται από τη μάζα των αντικειμένων, το ύψος (h) και την επιτάχυνση λόγω βαρύτητας (g). Μαθηματικά, αυτό είναι Ε (ρ) = m • h • g.
Ηλεκτρική ενέργεια
Ο υπολογισμός της ενέργειας σε ηλεκτρικά συστήματα εξαρτάται από την ποσότητα ρεύματος που ρέει μέσω ενός αγωγού (I) σε αμπέρ, καθώς και από το ηλεκτρικό δυναμικό ή την τάση (V) που οδηγεί το ρεύμα σε volts. Ο πολλαπλασιασμός αυτών των δύο παραμέτρων δίνει την ισχύ του ηλεκτρικού ρεύματος (P) σε watts και τον πολλαπλασιασμό του P κατά τον χρόνο κατά τον οποίο η ροή ηλεκτρικής ενέργειας (t) σε δευτερόλεπτα δίνει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας στο σύστημα, σε joules. Η μαθηματική έκφραση για την ηλεκτρική ενέργεια σε ένα αγώγιμο κύκλωμα είναι E (e) = P × t = V × I × t. Σύμφωνα με αυτή τη σχέση, αφήνοντας ένα λαμπτήρα 100 watt που καίει για ένα λεπτό καταναλώνει 6.000 joules ενέργειας. Αυτό ισοδυναμεί με την ποσότητα κινητικής ενέργειας που θα μπορούσε να έχει ένα βράχο 1 κιλού εάν το πέτατε από ύψος 612 μέτρων (αγνοώντας την τριβή του αέρα).
Ορισμένες άλλες μορφές ενέργειας
Το φως που βλέπουμε είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο που έχει ενέργεια λόγω των δονήσεων πακέτων κυμάτων που ονομάζονται φωτόνια. Ο γερμανός φυσικός Max Planck διαπίστωσε ότι η ενέργεια ενός φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητας (f) με την οποία δονείται και υπολογίζει τη σταθερά της αναλογικότητας (h), η οποία ονομάζεται Plancks σταθερή προς τιμήν του. Η έκφραση για την ενέργεια ενός φωτονίου είναι έτσι E (p) = h χ f. Σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einsteins, κάθε σωματίδιο της ύλης έχει εγγενή δυνητική ενέργεια ανάλογη προς τη μάζα σωματιδίων και το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός (γ). Η σχετική έκφραση είναι E (m) = m × c2. Οι υπολογισμοί του Αϊνστάιν επιβεβαιώθηκαν από την ανάπτυξη της ατομικής βόμβας.