אנרגיה היא מה שמאפשר חיים לא רק על הפלנטה שלנו, אלא גם ביקום. עם זאת, זה יכול להיות שונה מאוד. אז, חום, קול, אור, חשמל, מיקרוגלים, קלוריות הם סוגים שונים של אנרגיה. עבור כל התהליכים המתרחשים סביבנו, החומר הזה נחוץ. רוב האנרגיה שקיימת על פני כדור הארץ מקבלת מהשמש, אבל יש מקורות אחרים שלה. השמש מעבירה אותו לכוכב הלכת שלנו עד 100 מיליון מתחנות הכוח החזקות ביותר שייצרו בו זמנית.
מהי אנרגיה?
התיאוריה שהעלה אלברט איינשטיין חוקרת את הקשר בין חומר ואנרגיה. המדען הגדול הזה הצליח להוכיח את יכולתו של חומר אחד להפוך לאחר. יחד עם זאת, התברר שהאנרגיה היא הגורם החשוב ביותר בקיומם של גופים, והחומר הוא משני.
אנרגיה היא, בגדול, היכולת לעשות קצת עבודה. היא זו שמייצגתהרעיון של כוח המסוגל להזיז גוף או להעניק לו תכונות חדשות. מה פירוש המושג "אנרגיה"? פיזיקה היא מדע יסוד שמדענים רבים מתקופות ומדינות שונות הקדישו לו את חייהם. אפילו אריסטו השתמש במילה "אנרגיה" כדי להתייחס לפעילות אנושית. בתרגום מהשפה היוונית, "אנרגיה" היא "פעילות", "כוח", "פעולה", "כוח". הפעם הראשונה שהמילה הזו הופיעה במסכת מאת מדען יווני בשם "פיזיקה".
במובן המקובל כיום, המונח הזה נטבע על ידי הפיזיקאי האנגלי תומס יאנג. אירוע חשוב זה התרחש עוד בשנת 1807. בשנות ה-50 של המאה ה- XIX. המכונאי האנגלי וויליאם תומסון היה הראשון שהשתמש במושג "אנרגיה קינטית", ובשנת 1853 הציג הפיזיקאי הסקוטי ויליאם רנקין את המונח "אנרגיה פוטנציאלית".
היום כמות סקלרית זו קיימת בכל ענפי הפיזיקה. זהו מדד יחיד לצורות שונות של תנועה ואינטראקציה של חומר. במילים אחרות, זהו מדד להפיכת צורה אחת לאחרת.
מדידות וייעודים
כמות האנרגיה נמדדת בג'אול (J). יחידה מיוחדת זו, בהתאם לסוג האנרגיה, עשויה להיות בעלת ייעודים שונים, למשל:
- W היא האנרגיה הכוללת של המערכת.
- Q - תרמית.
- U – פוטנציאל.
סוגי אנרגיה
יש הרבה סוגים שונים של אנרגיה בטבע. העיקריים שבהם:
- מכני;
- electromagnetic;
- electric;
- chemical;
- thermal;
- גרעיני (אטומי).
ישנם סוגים נוספים של אנרגיה: אור, קול, מגנט. בשנים האחרונות, מספר גדל והולך של פיזיקאים נוטים להשערת קיומה של האנרגיה המכונה "אפלה". לכל אחד מהסוגים המפורטים בעבר של חומר זה יש מאפיינים משלו. לדוגמה, אנרגיית קול יכולה להיות מועברת באמצעות גלים. הם תורמים לרטט של עור התוף באוזן של אנשים ובעלי חיים, שבזכותם ניתן לשמוע קולות. במהלך תגובות כימיות שונות משתחררת האנרגיה הדרושה לחייהם של כל האורגניזמים. כל דלק, מזון, מצברים, סוללות הם האחסון של האנרגיה הזו.
הכוכב שלנו נותן לכדור הארץ אנרגיה בצורה של גלים אלקטרומגנטיים. רק כך הוא יכול להתגבר על מרחבי הקוסמוס. הודות לטכנולוגיה מודרנית, כגון פאנלים סולאריים, אנו יכולים להשתמש בה בצורה הטובה ביותר. עודף אנרגיה שלא נעשה בו שימוש נצבר במתקני אחסון אנרגיה מיוחדים. יחד עם סוגי האנרגיה הנ ל, מעיינות תרמיים, נהרות, גאות וזרמים באוקיינוס, נעשה שימוש לעתים קרובות בדלק ביולוגי.
אנרגיה מכנית
סוג זה של אנרגיה נחקר בענף הפיזיקה שנקרא "מכניקה". הוא מסומן באות E. הוא נמדד בג'אול (J). מה זו האנרגיה הזו? הפיזיקה של המכניקה חוקרת את תנועת הגופים ואת האינטראקציה שלהם זה עם זה או עם שדות חיצוניים. במקרה זה, האנרגיה הנובעת מתנועת הגוף נקראתקינטית (מסומנת על ידי Ek), והאנרגיה הנובעת מאינטראקציה של גופים או שדות חיצוניים נקראת פוטנציאל (Ep). סכום התנועה והאינטראקציה הוא סך האנרגיה המכנית של המערכת.
יש כלל כללי לחישוב שני הסוגים. כדי לקבוע את כמות האנרגיה, יש צורך לחשב את העבודה הנדרשת להעברת הגוף ממצב אפס למצב זה. יתרה מכך, ככל שתעבוד יותר, כך תהיה לגוף יותר אנרגיה במצב זה.
הפרדת מינים לפי קריטריונים שונים
יש כמה סוגים של שיתוף אנרגיה. על פי קריטריונים שונים הוא מתחלק ל: חיצוני (קינטי ופוטנציאלי) ופנימי (מכני, תרמי, אלקטרומגנטי, גרעיני, כבידה). אנרגיה אלקטרומגנטית, בתורה, מחולקת למגנטית וחשמלית, ואנרגיה גרעינית מחולקת לאנרגיה של אינטראקציות חלשות וחזקות.
Kinetic
כל גוף נע נבדל בנוכחות של אנרגיה קינטית. לרוב קוראים לזה - נהיגה. האנרגיה של גוף שזז הולכת לאיבוד כאשר הוא מאט. לפיכך, ככל שהמהירות מהירה יותר, כך האנרגיה הקינטית גדולה יותר.
כאשר גוף נע בא במגע עם עצם נייח, חלק מהקינטי מועבר אל האחרון, ומניע אותו. נוסחת האנרגיה הקינטית היא כדלקמן:
במילים, ניתן לבטא את הנוסחה הזו באופן הבא: האנרגיה הקינטית של עצם היאמחצית מכפלת המסה שלו כפול ריבוע מהירותו.
פוטנציאל
סוג זה של אנרגיה מוחזק על ידי גופים שנמצאים בשדה כוח כלשהו. אז, מגנטי מתרחש כאשר עצם נמצא תחת השפעת שדה מגנטי. לכל הגופים על פני כדור הארץ יש אנרגיית כבידה פוטנציאלית.
בהתאם למאפיינים של אובייקטי המחקר, הם יכולים להיות בעלי סוגים שונים של אנרגיה פוטנציאלית. אז, לגופים אלסטיים ואלסטיים המסוגלים להימתח, יש אנרגיה פוטנציאלית של גמישות או מתח. כל גוף נופל שבעבר היה ללא תנועה מאבד פוטנציאל ורוכש קינטיקה. במקרה זה, הערך של שני הסוגים הללו יהיה שווה ערך. בשדה הכבידה של הפלנטה שלנו, נוסחת האנרגיה הפוטנציאלית תיראה כך:
במילים, ניתן לבטא את הנוסחה הזו באופן הבא: האנרגיה הפוטנציאלית של עצם באינטראקציה עם כדור הארץ שווה למכפלת המסה שלו, תאוצת הכבידה והגובה שבו הוא נמצא.
ערך סקלרי זה הוא מאפיין של מאגר האנרגיה של נקודה חומרית (גוף) הממוקמת בשדה כוח פוטנציאלי ומשמשת לרכישת אנרגיה קינטית עקב עבודת כוחות השדה. לפעמים היא נקראת פונקציית הקואורדינטות, שהיא מונח בלנגראנג'ית של המערכת (פונקציית לגראנז' של מערכת דינמית). מערכת זו מתארת את האינטראקציה שלהם.
אנרגיה פוטנציאלית שווה לאפס עבורתצורה מסוימת של גופים הממוקמים בחלל. בחירת התצורה נקבעת על פי הנוחות של חישובים נוספים והיא נקראת "נורמליזציה של אנרגיה פוטנציאלית".
חוק שימור האנרגיה
אחת ההנחות הבסיסיות ביותר של הפיזיקה היא חוק שימור האנרגיה. לדבריו, אנרגיה לא מופיעה משום מקום ולא נעלמת לשום מקום. זה כל הזמן משתנה מצורה אחת לאחרת. במילים אחרות, יש רק שינוי באנרגיה. כך, למשל, האנרגיה הכימית של סוללת פנס מומרת לאנרגיה חשמלית, וממנה לאור וחום. מכשירי חשמל ביתיים שונים הופכים אנרגיה חשמלית לאור, חום או קול. לרוב, התוצאה הסופית של השינוי היא חום ואור. לאחר מכן, האנרגיה נכנסת לחלל שמסביב.
חוק האנרגיה יכול להסביר תופעות פיזיקליות רבות. מדענים טוענים שהנפח הכולל שלו ביקום נשאר ללא שינוי. אף אחד לא יכול ליצור אנרגיה מחדש או להרוס אותה. בפיתוח אחד מסוגיו, אנשים משתמשים באנרגיה של דלק, מים נופלים, אטום. במקביל, אחת מצורותיה הופכת לאחרת.
בשנת 1918, מדענים הצליחו להוכיח שחוק שימור האנרגיה הוא תוצאה מתמטית של סימטריית התרגום של הזמן - ערכה של אנרגיה מצומדת. במילים אחרות, אנרגיה נשמרת בשל העובדה שחוקי הפיזיקה אינם שונים בזמנים שונים.
תכונות אנרגיה
אנרגיה היא היכולת של גוף לבצע עבודה. בסגורמערכות פיזיקליות, הוא נשמר לאורך כל הזמן (כל עוד המערכת סגורה) והוא אחד משלושת האינטגרלים התוספים של התנועה המשמרים את הערך במהלך התנועה. אלה כוללים: אנרגיה, מומנטום זוויתי, מומנטום. הכנסת המושג "אנרגיה" מתאימה כאשר המערכת הפיזית הומוגנית בזמן.
אנרגיה פנימית של גופים
זהו סכום האנרגיות של אינטראקציות מולקולריות והתנועות התרמיות של המולקולות המרכיבות אותו. לא ניתן למדוד אותו ישירות מכיוון שהוא פונקציה חד משמעית של מצב המערכת. בכל פעם שמערכת מוצאת את עצמה במצב נתון, לאנרגיה הפנימית שלה יש ערך אינהרנטי, ללא קשר להיסטוריה של קיומה של המערכת. השינוי באנרגיה הפנימית במהלך המעבר ממצב פיזיקלי אחד למשנהו שווה תמיד להפרש בין ערכיו במצב הסופי וההתחלתי.
אנרגיה פנימית של גז
בנוסף למוצקים, לגזים יש גם אנרגיה. הוא מייצג את האנרגיה הקינטית של התנועה התרמית (כאוטי) של חלקיקי המערכת, הכוללים אטומים, מולקולות, אלקטרונים, גרעינים. האנרגיה הפנימית של גז אידיאלי (מודל מתמטי של גז) היא סכום האנרגיות הקינטיות של חלקיקיו. זה לוקח בחשבון את מספר דרגות החופש, שהוא מספר המשתנים הבלתי תלויים הקובעים את מיקום המולקולה במרחב.
שימוש באנרגיה
כל שנה האנושות צורכת יותר ויותר משאבי אנרגיה. לרוב לאנרגיה,הנחוצים לתאורה ולחימום הבתים שלנו, הפעלת כלי רכב ומנגנונים שונים, נעשה שימוש בפחמימנים מאובנים כמו פחם, נפט וגז. הם משאבים שאינם ניתנים לחידוש.
למרבה הצער, רק חלק זעיר מהאנרגיה של הפלנטה שלנו מגיע ממשאבים מתחדשים כמו מים, רוח ושמש. נכון להיום חלקם במשק האנרגיה הוא 5% בלבד. עוד 3% אנשים מקבלים בצורה של אנרגיה גרעינית המיוצרת בתחנות כוח גרעיניות.
למשאבים שאינם מתחדשים יש את הרזרבות הבאות (בג'אול):
- אנרגיה גרעינית - 2 x 1024;
- אנרגיה של גז ונפט – 2 x 10 23;
- חום פנימי של כדור הארץ - 5 x 1020.
הערך השנתי של המשאבים המתחדשים של כדור הארץ:
- אנרגיה סולארית - 2 x 1024;
- רוח - 6 x 1021;
- נהרות - 6, 5 x 1019;
- גאות הים - 2.5 x 1023.
רק עם מעבר בזמן משימוש ברזרבות אנרגיה בלתי מתחדשות של כדור הארץ לאלו מתחדשות, לאנושות יש סיכוי לקיום ארוך ומאושר על הפלנטה שלנו. כדי ליישם פיתוחים חדישים, מדענים ברחבי העולם ממשיכים לחקור בקפידה את התכונות השונות של האנרגיה.
