Enerģija ir tā, kas padara dzīvību iespējamu ne tikai uz mūsu planētas, bet arī Visumā. Tomēr tas var būt ļoti atšķirīgs. Tātad siltums, skaņa, gaisma, elektrība, mikroviļņi, kalorijas ir dažādi enerģijas veidi. Visiem procesiem, kas notiek mums apkārt, šī viela ir nepieciešama. Lielāko daļu enerģijas, kas pastāv uz Zemes, saņem no Saules, taču ir arī citi tās avoti. Saule nodod to uz mūsu planētu tikpat daudz, cik 100 miljoni jaudīgāko spēkstaciju ražotu vienlaikus.
Kas ir enerģija?
Albēra Einšteina izvirzītā teorija pēta attiecības starp matēriju un enerģiju. Šis izcilais zinātnieks spēja pierādīt vienas vielas spēju pārvērsties par citu. Tajā pašā laikā izrādījās, ka enerģija ir vissvarīgākais faktors ķermeņu pastāvēšanā, un matērija ir sekundāra.
Enerģija kopumā ir spēja paveikt kādu darbu. Viņa ir tā, kas iestājas parjēdziens par spēku, kas spēj pārvietot ķermeni vai piešķirt tam jaunas īpašības. Ko nozīmē termins "enerģija"? Fizika ir fundamentāla zinātne, kurai savu dzīvi veltījuši daudzi dažādu laikmetu un valstu zinātnieki. Pat Aristotelis lietoja vārdu "enerģija", lai apzīmētu cilvēka darbību. Tulkojumā no grieķu valodas "enerģija" ir "darbība", "spēks", "darbība", "spēks". Pirmo reizi šis vārds parādījās grieķu zinātnieka traktātā "Fizika".
Tagad vispārpieņemtajā izpratnē šo terminu ieviesa angļu fiziķis Tomass Jangs. Šis nozīmīgais notikums notika 1807. gadā. XIX gadsimta 50. gados. angļu mehāniķis Viljams Tomsons pirmais izmantoja jēdzienu "kinētiskā enerģija", un 1853. gadā skotu fiziķis Viljams Rankins ieviesa terminu "potenciālā enerģija".
Šodien šis skalārais lielums ir sastopams visās fizikas nozarēs. Tas ir vienots dažādu matērijas kustību un mijiedarbības formu mērs. Citiem vārdiem sakot, tas ir vienas formas pārveidošanas mēraukla citā.
Mērījumi un apzīmējumi
Enerģijas daudzumu mēra džoulos (J). Šai īpašajai vienībai atkarībā no enerģijas veida var būt dažādi apzīmējumi, piemēram:
- W ir sistēmas kopējā enerģija.
- Q - termiskais.
- U – potenciāls.
Enerģijas veidi
Dabā ir daudz dažādu enerģijas veidu. Galvenie ir:
- mehāniska;
- elektromagnētisks;
- elektrisks;
- ķīmiska;
- termiskā;
- kodolenerģija (atomu).
Ir arī citi enerģijas veidi: gaisma, skaņa, magnētiskā enerģija. Pēdējos gados arvien vairāk fiziķu sliecas uz hipotēzi par tā sauktās "tumšās" enerģijas esamību. Katram no iepriekš uzskaitītajiem šīs vielas veidiem ir savas īpašības. Piemēram, skaņas enerģiju var pārraidīt, izmantojot viļņus. Tie veicina cilvēku un dzīvnieku ausīs esošo bungādiņu vibrāciju, pateicoties kurām ir dzirdamas skaņas. Dažādu ķīmisko reakciju gaitā izdalās visu organismu dzīvībai nepieciešamā enerģija. Jebkura degviela, pārtika, akumulatori, baterijas ir šīs enerģijas uzglabāšana.
Mūsu zvaigzne dod Zemei enerģiju elektromagnētisko viļņu veidā. Tikai tādā veidā tā var pārvarēt Kosmosa plašumus. Pateicoties mūsdienu tehnoloģijām, piemēram, saules paneļiem, mēs varam to izmantot maksimāli efektīvi. Neizmantotās enerģijas pārpalikums tiek uzkrāts speciālās enerģijas krātuvēs. Līdzās iepriekš minētajiem enerģijas veidiem, termālajiem avotiem, upēm, okeāna bēgumiem un bēgumiem bieži tiek izmantota arī biodegviela.
Mehāniskā enerģija
Šis enerģijas veids tiek pētīts fizikas nozarē ar nosaukumu "Mehānika". 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 tiek saukta enerģija, kas saistīta ar ķermeņu kustībukinētiskā (apzīmē ar Ek), un enerģiju, kas rodas ķermeņu vai ārējo lauku mijiedarbības rezultātā, sauc par potenciālu (Ep). Kustības un mijiedarbības summa ir sistēmas kopējā mehāniskā enerģija.
Abu veidu aprēķināšanai ir vispārīgs noteikums. Lai noteiktu enerģijas daudzumu, ir jāaprēķina darbs, kas nepieciešams ķermeņa pārnešanai no nulles stāvokļa uz šo stāvokli. Turklāt, jo vairāk darba, jo vairāk enerģijas ķermenim būs šādā stāvoklī.
Sugu atdalīšana pēc dažādiem kritērijiem
Ir vairāki enerģijas koplietošanas veidi. Pēc dažādiem kritērijiem to iedala: ārējā (kinētiskā un potenciālā) un iekšējā (mehāniskā, termiskā, elektromagnētiskā, kodolenerģijas, gravitācijas). Savukārt elektromagnētisko enerģiju iedala magnētiskajā un elektriskajā, bet kodolenerģiju iedala vājas un spēcīgas mijiedarbības enerģijā.
Kinētiskā
Jebkurš kustīgs ķermenis izceļas ar kinētiskās enerģijas klātbūtni. To mēdz saukt tā – braukšana. Kustīga ķermeņa enerģija tiek zaudēta, kad tas palēninās. Tādējādi, jo lielāks ātrums, jo lielāka ir kinētiskā enerģija.
Kad kustīgs ķermenis saskaras ar nekustīgu objektu, daļa kinētiskā tiek pārnesta uz pēdējo, iedarbinot to. Kinētiskās enerģijas formula ir šāda:
Vārdos šo formulu var izteikt šādi: objekta kinētiskā enerģija irpuse no tās masas reizinājuma ar ātruma kvadrātu.
Potenciāls
Šis enerģijas veids ir ķermeņiem, kas atrodas kaut kādā spēka laukā. Tātad magnētiskais rodas, ja objekts atrodas magnētiskā lauka ietekmē. Visiem ķermeņiem uz Zemes ir potenciālā gravitācijas enerģija.
Atkarībā no pētāmo objektu īpašībām tiem var būt dažāda veida potenciālā enerģija. Tātad elastīgiem un elastīgiem ķermeņiem, kas spēj izstiepties, ir potenciālā elastības vai spriedzes enerģija. Jebkurš krītošs ķermenis, kas iepriekš bija nekustīgs, zaudē potenciālu un iegūst kinētiku. Šajā gadījumā šo divu veidu vērtība būs līdzvērtīga. Mūsu planētas gravitācijas laukā potenciālās enerģijas formula izskatīsies šādi:
Vārdos šo formulu var izteikt šādi: objekta potenciālā enerģija, kas mijiedarbojas ar Zemi, ir vienāda ar tā masas, gravitācijas paātrinājuma un augstuma, kurā tas atrodas, reizinājumu.
Šī skalārā vērtība ir tāda materiāla punkta (ķermeņa) enerģijas rezerves raksturlielums, kas atrodas potenciālā spēka laukā un tiek izmantots kinētiskās enerģijas iegūšanai lauka spēku darbības rezultātā. Dažreiz to sauc par koordinātu funkciju, kas ir termins sistēmas Langrangian (dinamiskās sistēmas Lagranža funkcija). Šī sistēma apraksta to mijiedarbību.
Potenciālā enerģija tiek pielīdzināta nulleinoteikta ķermeņu konfigurācija, kas atrodas telpā. Konfigurācijas izvēli nosaka turpmāko aprēķinu ērtība, un to sauc par "potenciālās enerģijas normalizāciju".
Enerģijas nezūdamības likums
Viens no visvienkāršākajiem fizikas postulātiem ir enerģijas nezūdamības likums. Viņaprāt, enerģija ne no kurienes nerodas un nekur nepazūd. Tas pastāvīgi mainās no vienas formas uz otru. Citiem vārdiem sakot, notiek tikai izmaiņas enerģijā. Tā, piemēram, zibspuldzes akumulatora ķīmiskā enerģija tiek pārvērsta elektriskajā enerģijā un no tās gaismā un siltumā. Dažādas sadzīves tehnikas elektroenerģiju pārvērš gaismā, siltumā vai skaņā. Visbiežāk izmaiņu gala rezultāts ir siltums un gaisma. Pēc tam enerģija nonāk apkārtējā telpā.
Enerģijas likums var izskaidrot daudzas fiziskas parādības. Zinātnieki apgalvo, ka tā kopējais apjoms Visumā pastāvīgi nemainās. Neviens nevar radīt enerģiju no jauna vai iznīcināt to. Attīstot vienu no tā veidiem, cilvēki izmanto degvielas, krītoša ūdens, atoma enerģiju. Tajā pašā laikā viena no tās formām pārvēršas citā.
1918. gadā zinātniekiem izdevās pierādīt, ka enerģijas nezūdamības likums ir laika translācijas simetrijas – konjugētās enerģijas vērtības – matemātiskas sekas. Citiem vārdiem sakot, enerģija tiek saglabāta tāpēc, ka fizikas likumi dažādos laikos neatšķiras.
Enerģijas īpašības
Enerģija ir ķermeņa spēja veikt darbu. Slēgtāfiziskās sistēmas, tas tiek saglabāts visu laiku (kamēr sistēma ir aizvērta) un ir viens no trim papildu kustības integrāļiem, kas saglabā vērtību kustības laikā. Tie ietver: enerģiju, leņķisko impulsu, impulsu. Jēdziena "enerģija" ieviešana ir piemērota, ja fiziskā sistēma ir viendabīga laikā.
Ķermeņu iekšējā enerģija
Tā ir molekulu mijiedarbības enerģiju un to veidojošo molekulu termisko kustību summa. To nevar izmērīt tieši, jo tā ir nepārprotama sistēmas stāvokļa funkcija. Ikreiz, kad sistēma atrodas noteiktā stāvoklī, tās iekšējai enerģijai ir sava raksturīgā vērtība neatkarīgi no sistēmas pastāvēšanas vēstures. Iekšējās enerģijas izmaiņas, pārejot no viena fiziskā stāvokļa uz citu, vienmēr ir vienādas ar starpību starp tās vērtībām gala un sākuma stāvoklī.
Gāzes iekšējā enerģija
Papildus cietām vielām gāzēm ir arī enerģija. Tas atspoguļo sistēmas daļiņu, kas ietver atomus, molekulas, elektronus, kodolus, termiskās (haotiskās) kustības kinētisko enerģiju. 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 pozīciju telpā.
Enerģijas patēriņš
Ar katru gadu cilvēce patērē arvien vairāk enerģijas resursu. Visbiežāk enerģijas iegūšanai,nepieciešami mūsu māju apgaismošanai un apkurei, transportlīdzekļu un dažādu mehānismu darbībai, tiek izmantoti fosilie ogļūdeņraži, piemēram, ogles, nafta un gāze. Tie ir neatjaunojami resursi.
Diemžēl tikai niecīgu daļu no mūsu planētas enerģijas iegūst no atjaunojamiem resursiem, piemēram, ūdens, vēja un saules. Līdz šim to īpatsvars enerģētikas sektorā ir tikai 5%. Vēl 3% cilvēku saņem kodolenerģijas veidā, kas ražota atomelektrostacijās.
Neatjaunojamiem resursiem ir šādas rezerves (džoulos):
- kodolenerģija - 2 x 1024;
- gāzes un naftas 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 no Zemes neatjaunojamo enerģijas rezervju izmantošanas uz atjaunojamām, cilvēcei ir izredzes uz ilgu un laimīgu pastāvēšanu uz mūsu planētas. Lai īstenotu visprogresīvākos sasniegumus, zinātnieki visā pasaulē turpina rūpīgi pētīt dažādās enerģijas īpašības.
