Енергија

Енергијата е фундаментална величина што секој физички систем го поседува. Таа овозможува да се предвиди колку работа системот може да заврши или колку топлина може да размени. Енергијата претставува способност на телото да врши работа. Енергијата ја покажува состојбата на телото. Енергијата се мери со иста единица (џул) како и работата. Единица-мерка на енергијата е Еден џул што се дефинира како работата што ја извршува сила од еден њутн на растојание од еден метар.

Томас Јанг - прв го користел терминот енергија во модерното значење

Енергија и енергенси

Потрошувачката на енергија и енергенси е составен дел како на секојдневниот живот на поединецот, така и на индустријата и на сите останати сегменти на општеството. Побарувачката на енергија е во постојан пораст на светско, регионално и национално ниво. Ова се однесува како на електричната и топлинската енергија, така и на енергијата односно енергенсите употребени во транспортот. Сегашното светско производство на енергија се заснова врз употреба на фосилни горива (јаглен, нафта и природен гас) и јадрена енергија, поради што енергетскиот сектор се јавува како најголем загадувач на животната средина, почнувајќи од испуштањето на јаглерод диоксид како еден од причинителите за глобалното затоплување, па сè до радиоактивниот отпад кој се добива од атомските централи.

Покрај последиците по животната средина и здравјето на луѓето, добивањето на енергија од конвенционалните извори, како што се нафтата и природниот гас, има и економски последици поради постојаниот пораст на цените на овие суровини.

Видови енергија

Молња

Постојат повеќе видови на енергија:

• потенцијална
• кинетичка
• хемиска
• јадрена
• топлинска
• механичка
• гравитациска
• електрична
• звучна
• сончева
• еластична
• енергија на ветрот

и други.

Потенцијална енергија

Потенцијална енергија (Ер) - за едно тело се вели дека има потенцијална енергија ако поради влијанието на својата положба или состојба е способно да врши работа. Потенцијалната енергија се мери со работата што телото може да ја изврши.

1. пр: Автомобил што се наоѓа на врвот од некој рид или навиена пружина на часовникот се примери за тела што имаат потенцијална енергија. Пружината може да овозможи часовникот да работи извесен временски период, како што и автомобилот може да измине пат со спуштање надолу по ридот.
2. пр: Ако тело со маса m се подигне на одредена висина h, тогаш тоа има потенцијална енергија Fh поради неговата положба во однос на подлогата, од каде што било подигнато.

Во овој израз силата F одговара на тежината на телото G. Извршената работа при неговото подигање на висина h телото ја добива како потенцијална енергија. Телото може да се ослободи од оваа енергија со негово повторно пуштање на земја. Според тоа, потенцијалната енергија на тело со тежина G на висина h може да се определи со равенката:

Еp=Gh или Ep=mgh     

G=mg

Кинетичка енергија

Кинетичка енергија (Ек) ја има тело што се движи и се дефинира како способност едно тело да врши работа како резултат на своето движење.

1. пр:Автомобил што се движи по автопат кинетичка енергија на транслација, а тркало на машина има кинетичка енергија на ротација. За тело со маса m кое се движи по права линија со постојана брзина v кинетичката енергија е дадена со равенката:

                             Еk=1/2*mv*v

Други видови енергија

Топлинска енергија

• Еластична енергија - енергија со која што располага истегната пружина.
• Атомска енергија - во атомските електрани, атомската енергија се користи за добивање на електрична енергија.
• Гравитациска енергија - енергија што ја имаат телата коишто паѓаат на земјата.
• Топлинска енергија - знаеме дека без сончевата енергија не би постоел живот на земјата, тоа е топлинска енергија.
• Механичка енергија - кога се зборува за механички промени на телото, тогаш овој вид на енергија се нарекува механичка енергија.

Биологија

Според биологијата, енергија е атрибут на сите биолошки системи, од биосферата до најмалите живи организми, во еден организам таа е одговорна за растот и развојот на биолошката клетка или органела на биолошкиот организам. Енергијата која што се користи во процес на дишење е складирана во супстанци како што се јаглехидратите (вклучувајки го и шеќерот), липидите и протеините складирани во клетките. Во човечки термини, човечкиот еквивалент (H-e) (Конверзија на човечка енергија) покажува дека за дадена количина на потрошувачка на енергија, релативната количина на енергија потребна за човечкиот метаболизам, користејќи како стандард просечно трошење на енергија на човекот од 12.500 kJ дневно и базална метаболичка стапка од 80 вати.

На пример, ако нашето тело функционира (во просек) на 80 вати, тогаш светилка која што работи на 100 вати функционира на 1.25  човечки еквиваленти (100 ÷ 80) или 1.25 H-e. За тешка задача од само неколку секунди, едно лице може да изгори илјадници вати, многу пати повеќе од 746 вати во една официјална коњска сила. За задачи кои што траат неколку минути, човек кој што редовно вежба, може да генерира и до 1000 вати. За активност која мора да се одржи во рок на еден час, потрошувањето паѓа на околу 300 вати; за активност што се одржува цел ден, 150 вати се приближно максимумот. Човечкиот еквивалент помага во разбирањето на енергетските текови во физичките и биолошките системи преку изразување на енергетските единици во човечки термини: обезбедува „чувство“ за користење на дадена количина на енергија.

Енергијата на зрачењето на сончевата светлина, растенијата ја земаат и како хемиска потенцијална енергија во фотосинтезата, кога јаглерод диоксидот и водата (две нискоенергетски соединенија) се претвораат во јаглени хидрати, липиди, протеини и кислород. Ослободувањето на енергијата складирана за време на фотосинтезата како топлина или светлина може да биде ненадејно активирано од искра во шумски пожар или може да биде побавно достапна за животинскиот или човечкиот метаболизам кога органските молекули се проголтани и катаболизмот се активира под дејство на ензимот.

Сите живи суштества се потпираат на надворешен извор на енергија за да можат да растат и репродуцираат - зрачна енергија од Сонцето во случај на зелени растенија и хемиска енергија (во некоја форма) во случај на животни. Дневните 1500-2000 калории (6-8 MJ) препорачани за возрасен човек се земаат како молекули на храна, главно јаглехидрати и масти, од кои гликозата (C6H12O6) и стеаринот (C57H110O6) се пригодни примери. Молекулите на храната се оксидираат до јаглерод диоксид и вода во митохондриите.

И дел од енергијата се користи да се претвори ADP до ATP.

ADP + HPO₄²⁻ → ATP + H₂O

Oстатокот од хемиската енергија на јаглехидратите или мастите се претвора во топлина: ATP се користи како еден вид „енергетска валута“, а дел од хемиската енергија што ја содржи се користи за друг метаболизам кога ATP реагира со OH групите и на крајот се дели на ADP и фосфати (во секоја фаза од метаболичкиот пат, дел од хемиската енергија се претвора во топлина). Само мал дел од оригиналната хемиска енергија се користи за работа:

добивка во кинетичка енергија на спринтер за време на трка на 100 m: 4 kJ

добивка во гравитациона потенцијална енергија од 150 kg тежина подигната на 2 метри: 3 kJ

Дневен внес на храна за нормален возрасен: 6–8 MJ

Се чини дека живите организми се неверојатно неефикасни (во физичка смисла) во нивната употреба на енергијата што ја добиваат (хемиска или зрачна енергија); повеќето машини управуваат со поголема ефикасност. Кај растечките организми, енергијата што се претвора во топлина служи за многу витална цел, бидејќи му овозможува на ткивото на организмот да биде високо уредено во однос на молекулите од кои е изградено. Вториот закон на термодинамика вели дека енергијата (и материјата) има тенденција да стане порамномерно распоредена низ универзумот: да се концентрира енергијата (или материјата) на едно специфично место, потребно е да се шири поголема количина на енергија (како топлина) низ остатокот од универзумот („околината“). Поедноставните организми можат да постигат повисока енергетска ефикасност од посложените, но сложените организми можат да заземаат еколошки ниши кои не се достапни за поедноставните организми. може да постигне повисока енергетска ефикасност од посложените, но сложените организми можат да заземаат еколошки еколошки ниши кои не се достапни за поедноставните организми. Конверзијата на дел од хемиската енергија во топлина на секој чекор во метаболичкиот пат е физичката причина зад пирамидата на биомаса забележана во екологијата. На пример, да се достигне само првиот чекор во синџирот на исхрана: од 124,7 Pg/a јаглерод што се фиксира со фотосинтеза, 64,3 Pg/a (52 проценти) се користат за метаболизмот на зелените растенија, поточно енергијата е повторно претворена во јаглерод диоксид и топлина.

Наука за Земјата

Во геологијата, континенталниот нанос, планинските венци, вулканите и земјотресите се феномени кои можат да се објаснат во однос на енергетските трансформации во внатрешноста на Земјата додека метеоролошките феномени како ветер, дожд, град, снег, молња, торнада и урагани се сето тоа е резултат на енергетските трансформации во нашата атмосфера предизвикани од сончевата енергија.

Сончевата светлина е главниот придонесувач во енергетскиот буџет на Земјата, кој е одговорен за нејзината температура и климатска стабилност. Сончевата светлина може да се складира како гравитациона потенцијална енергија откако ќе ја погоди Земјата, како (на пример) кога водата испарува од океаните и се депонира на планините (каде што, откако ќе се ослободи кај хидроелектрична брана, може да се користи за придвижување на турбини или генератори до произведуваат електрична енергија). Сончевата светлина, исто така, ги поттикнува повеќето временски феномени, освен неколку исклучоци, како оние што се генерирани од вулкански настани на пример. Пример за временски настан со посредство на Сонцето е ураганот, кој се јавува кога големи нестабилни области на топол океан, загреани со месеци, одеднаш се откажат од дел од нивната топлинска енергија за да напојуваат неколку дена насилно движење на воздухот.

Во побавен процес, радиоактивното распаѓање на атомите во јадрото на Земјата ослободува топлина. Оваа топлинска енергија ја движи тектониката на плочите и може да подигне планини, преку орогенезата. Ова бавно подигање претставува еден вид складирање на гравитациска потенцијална енергија на топлинската енергија, која подоцна може да се трансформира во активна кинетичка енергија за време на лизгање на земјиштето, по предизвикувачки настан. Земјотресите исто така ослободуваат складирана еластична потенцијална енергија во карпите, складиште што е произведено на крајот од истите радиоактивни извори на топлина. Така, според сегашното разбирање, познатите настани како лизгање на земјиштето и земјотресите ослободуваат енергија што е складирана како потенцијална енергија во гравитационото поле на Земјата или еластично напрегање (механичка потенцијална енергија) во карпите. Пред ова, тие претставуваат ослободување на енергија што била складирана во тешки атоми по колапсот на долго уништените супернова ѕвезди (кои ги создале овие атоми).

Космологија

Во космологијата и астрономијата, феномените на ѕвезди, нова, супернова, квазари и експлозии на гама-зраци се највисоките енергетски трансформации на материјата во универзумот. Сите ѕвездени феномени (вклучувајќи ја и сончевата активност) се водени од различни видови енергетски трансформации. Енергијата во таквите трансформации е или од гравитационен колапс на материјата (обично молекуларен водород) во различни класи на астрономски објекти (ѕвезди, црни дупки итн.), или од нуклеарна фузија (на полесни елементи, првенствено водород).

Јадрено соединување на водород во Сонцето, исто така, ослободува уште една залиха на потенцијална енергија која била создадена во времето на Големата експлозија. Во тоа време, според теоријата, просторот се проширил и универзумот се ладел премногу брзо за водородот целосно да се спои во потешки елементи. Ова значеше дека водородот претставува складиште на потенцијална енергија што може да се ослободи со фузија. Ваквиот процес на фузија е активиран од топлината и притисокот генерирани од гравитациониот колапс на водородните облаци кога тие произведуваат ѕвезди, а дел од енергијата на фузија потоа се трансформира во сончева светлина.

Во квантната механика, енергијата се дефинира во однос на енергетскиот оператор (Хамилтонов) како временски дериват на брановата функција. Шредингеровата равенка го изедначува операторот на енергија со целосната енергија на честичка или систем. Неговите резултати може да се сметаат како дефиниција за мерење на енергија во квантната механика. Шредингеровата равенка го опишува просторот и временската зависност на бавно променливата (нерелативистичка) бранова функција на квантните системи. Решението на оваа равенка за врзан систем е дискретно (збир на дозволени состојби, секоја карактеризирана со енергетско ниво) што резултира со концептот на кванти. Во решението на Шредингеровата равенка за кој било осцилатор (вибратор) и за електромагнетни бранови во вакуум, добиените енергетски состојби се поврзани со фреквенцијата со Планковата релација: $\mathrm {E} =\mathrm {H} \div \nu$ (каде  е Планковата константа и  честотата). Во случај на електромагнетен бран овие енергетски состојби се нарекуваат кванти на светлина или фотони.

Релативност

При пресметување на кинетичката енергија (работа за забрзување на масивно тело од нулта брзина до одредена конечна брзина) релативистички - користејќи ги Лоренцовите преобразби наместо Класична механика - Ајнштајн открил неочекуван нуспроизвод од овие пресметки како енергетски термин кој не исчезнува на нула. брзина. Тој ја нарече енергија на одмор: енергија која секое масивно тело мора да ја поседува дури и кога е во мирување. Количината на енергија е директно пропорционална со масата на телото:

${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2},}$

каде што

$m_{0}$ е масата на телото во мирување

$c^{2}$ е светлосната брзина во вакум

$E_{0}$е енергијата на одмор

На пример, земете го во предвид уништувањето на електрон-позитрон, во кое енергијата на одмор на овие две поединечни честички (еквивалентна на нивната маса на мирување) се претвора во енергијата на зрачењето на фотоните произведени во процесот. Во овој систем материјата и антиматеријата (електрони и позитрони) се уништуваат и се менуваат во нематерија (фотони). Сепак, вкупната маса и вкупната енергија не се менуваат за време на оваа интеракција. Секој од фотоните нема маса на мирување, но сепак има зрачна енергија која ја покажува истата инерција како и двете оригинални честички. Ова е реверзибилен процес - инверзниот процес се нарекува создавање на парови - во кој остатокот од масата на честички се создава од зрачната енергија на два (или повеќе) уништени фотони.

Во општата релативност, тензорот стрес-енергија служи како изворен термин за гравитационото поле, во груба аналогија на начинот на кој масата служи како изворен член во нерелативистичката Њутнова апроксимација.

Енергијата и масата се манифестации на една иста основна физичка особина на системот. Ова својство е одговорно за инерцијата и јачината на гравитациската интеракција на системот („масовни манифестации“), а исто така е одговорна и за потенцијалната способност на системот да врши работа или загревање („енергетски манифестации“), кои подлежат на ограничувањата на други физички закони.

Во класичната физика, енергијата е скаларна количина, канонскиот конјугат со времето. Во специјалната теорија за релативност енергијата е исто така скаларна (иако не е Лоренцовиот скалар, туку временска компонента на енергетскиот моментум 4-вектор). Со други зборови, енергијата е непроменлива во однос на ротациите на просторот, но не е непроменлива во однос на ротациите на време-просторот (= засилувања).

Трансформација

Некој форми на пренесување на енергија од еден предмет или систем до друг.

Топлина - еднаква количина на топлинска енергија во транзит спонтано кон предмет со пониска температура

Работа - еднаква количина на енергија во транзит поради поместување во насока на применетата сила

Пренос на материјали - еднаква количина на енергија што ја носи материјата што се движи од еден систем во друг

Енергијата може да се трансформира помеѓу различни форми при различни ефикасности. Предметите што се пренесуваат помеѓу овие форми се нарекуваат трансдуцери. Примери на трансдуктори вклучуваат батерија (од хемиска енергија до електрична енергија), брана (од гравитациона потенцијална енергија до кинетичка енергија на вода што се движи (и сечилата на турбината) и на крајот до електрична енергија преку електричен генератор) и топлински мотор (од топлина до работа).

Примери за енергетска трансформација вклучуваат генерирање електрична енергија од топлинска енергија преку парна турбина или подигнување на предмет против гравитацијата користејќи електрична енергија придвижувајќи го моторот на кран. Подигнувањето против гравитацијата врши механичка работа на објектот и складира гравитациона потенцијална енергија во објектот. Ако објектот падне на земја, гравитацијата врши механичка работа на објектот што ја трансформира потенцијалната енергија во гравитационото поле во кинетичка енергија ослободена како топлина при удар со земјата. Сонцето ја трансформира нуклеарната потенцијална енергија во други форми на енергија; неговата вкупна маса не се намалува поради тоа самото (бидејќи сè уште ја содржи истата вкупна енергија дури и во различни форми), но неговата маса се намалува кога енергијата ќе избега во нејзината околина, главно како зрачна енергија.

Постојат строги ограничувања за тоа колку ефикасно топлината може да се претвори во работа во цикличен процес, на пр. во топлински мотор, како што е опишано со теоремата на Карно и вториот закон на термодинамиката. Сепак, некои енергетски трансформации можат да бидат доста ефикасни. Насоката на трансформациите во енергијата (каква енергија се трансформира во каков друг вид) често се определува со размислувања за ентропија (еднакво распространета енергија меѓу сите достапни степени на слобода). Во пракса, сите енергетски трансформации се дозволени во мал обем, но одредени поголеми трансформации не се дозволени бидејќи статистички е малку веројатно дека енергијата или материјата случајно ќе се преселат во поконцентрирани форми или помали простори.

Енергетските трансформации во универзумот со текот на времето се карактеризираат со различни видови на потенцијална енергија, која е достапна уште од Големата експлозија, која се „ослободува“ (трансформира во поактивни видови енергија како што е кинетичката или зрачната енергија) кога е достапен механизам за активирање . Познати примери за такви процеси вклучуваат нуклеосинтеза, процес кој во крајна линија ја користи гравитациската потенцијална енергија ослободена од гравитацискиот колапс на суперновите за да „складира“ енергија во создавањето на тешки изотопи (како што се ураниум и ториум) и нуклеарно распаѓање, процес во кој се ослободува енергија која првично била складирана во овие тешки елементи, пред тие да бидат инкорпорирани во Сончевиот систем и Земјата. Оваа енергија се активира и се ослободува во бомбите за нуклеарна фисија или во цивилното производство на нуклеарна енергија. Слично на тоа, во случај на хемиска експлозија, хемиската потенцијална енергија се трансформира во кинетичка и топлинска енергија за многу кратко време.

Уште еден пример нишалото. Во нејзините највисоки точки кинетичката енергија е нула, а гравитационата потенцијална енергија е на својот максимум. Во најниската точка кинетичката енергија е максимум и е еднаква на намалувањето на потенцијалната енергија. Ако некој (нереално) претпостави дека нема триење или други загуби, конверзијата на енергијата помеѓу овие процеси би била совршена, а нишалото би продолжило да се лула засекогаш.

нергијата исто така се пренесува од потенцијалната енергија (Ep) во кинетичката енергија (Ek) и потоа постојано се враќа на потенцијалната енергија. Ова се нарекува зачувување на енергијата. Во овој изолиран систем, енергијата не може да се создаде или уништи; затоа почетната и крајната енергија ќе бидат еднакви една на друга. Ова може да се докаже со следново:

$$E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}$$

(4)

Оваа равенка може уште повеќе да се изедностави бидејки $E_{p}=mgh$ , (маса по забрзување поради гравитацијата по висина) ${\textstyle {\ce {E_k = {\frac {1}{2}}mv^2}}}$ Тогаш може да се пронајде вкупната количина на енергија такашто ќе ги додадеме $E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}$

Енергијата како тема во уметноста и во популарната култура

• „Вештачка енергија“ (англиски: Artificial Energy) — песна на американската рок-група Брдс (The Byrds) од 1968 година.