Energia teeb elu võimalikuks mitte ainult meie planeedil, vaid ka universumis. Samas võib see olla väga erinev. Seega on soojus, heli, valgus, elekter, mikrolained, kalorid erinevat tüüpi energiad. Kõikide meie ümber toimuvate protsesside jaoks on see aine vajalik. Suurem osa Maal eksisteerivast energiast saab Päikeselt, kuid selle allikaid on ka teisi. Päike kannab seda meie planeedile üle sama palju kui 100 miljonit kõige võimsamat elektrijaama samal ajal.
Mis on energia?
Albert Einsteini esitatud teooria uurib mateeria ja energia suhet. See suur teadlane suutis tõestada ühe aine võimet muutuda teiseks. Samas selgus, et energia on kehade olemasolu kõige olulisem tegur ja aine on teisejärguline.
Energia on üldiselt võime teha tööd. Tema on see, kes selle eest seisabkeha liigutamiseks või sellele uusi omadusi andva jõu mõiste. Mida tähendab mõiste "energia"? Füüsika on fundamentaalne teadus, millele pühendasid oma elu paljud teadlased erinevatest ajastutest ja riikidest. Isegi Aristoteles kasutas inimtegevuse tähistamiseks sõna "energia". Kreeka keelest tõlgituna on "energia" "tegevus", "jõud", "tegevus", "jõud". Esimest korda ilmus see sõna Kreeka teadlase traktaadis "Füüsika".
Nüüdseks üldtunnustatud tähenduses võttis selle termini kasutusele inglise füüsik Thomas Young. See oluline sündmus leidis aset 1807. aastal. XIX sajandi 50ndatel. inglise mehaanik William Thomson võttis esimesena kasutusele mõiste "kineetiline energia" ja 1853. aastal võttis šoti füüsik William Rankin kasutusele termini "potentsiaalne energia".
Tänapäeval on see skalaarsuurus olemas kõigis füüsikaharudes. See on mateeria erinevate liikumisvormide ja vastastikmõju üks mõõt. Teisisõnu, see on ühe vormi teisenemise mõõt.
Mõõdud ja tähistused
Energiahulka mõõdetakse džaulides (J). Sellel eriüksusel võib olenev alt energia tüübist olla erinevad tähised, näiteks:
- W on süsteemi koguenergia.
- Q – termiline.
- U – potentsiaalne.
Energialiigid
Looduses on palju erinevaid energialiike. Peamised on:
- mehaaniline;
- elektromagnetiline;
- elekter;
- keemiline;
- termiline;
- tuuma (aatomi).
On ka teist tüüpi energiat: valgus, heli, magnet. Viimastel aastatel on üha rohkem füüsikuid kaldunud hüpoteesile niinimetatud "tumeda" energia olemasolu kohta. Igal selle aine varem loetletud tüübil on oma omadused. Näiteks helienergiat saab edastada lainete abil. Need aitavad kaasa inimeste ja loomade kõrvas olevate kuulmekilede vibratsioonile, tänu millele on kuulda helisid. Erinevate keemiliste reaktsioonide käigus vabaneb kõigi organismide eluks vajalik energia. Seda energiat salvestavad kõik kütus, toit, akud, patareid.
Meie täht annab Maale energiat elektromagnetlainete kujul. Ainult nii saab ta jagu Kosmose avarustest. Tänu kaasaegsele tehnoloogiale, näiteks päikesepaneelidele, saame seda kasutada maksimaalselt. Liigne kasutamata energia koguneb spetsiaalsetesse energiasalvestitesse. Eespool nimetatud energialiikide, termiliste allikate, jõgede, ookeani mõõnade ja voolude kõrval kasutatakse sageli ka biokütuseid.
Mehaaniline energia
Seda tüüpi energiat uuritakse füüsika harus nimega "Mehaanika". Seda tähistatakse tähega E. Seda mõõdetakse džaulides (J). Mis see energia on? Mehaanika füüsika uurib kehade liikumist ja nende vastastikmõju üksteise või väliste väljadega. Sel juhul nimetatakse kehade liikumisest tingitud energiatkineetiline (tähistatakse Ek-ga) ning kehade või välisväljade vastasmõjust tulenevat energiat nimetatakse potentsiaaliks (Ep). Liikumise ja vastasmõju summa on süsteemi mehaaniline koguenergia.
Mõlema tüübi arvutamiseks kehtib üldreegel. Energiahulga määramiseks on vaja välja arvutada töö, mis on vajalik keha nullseisundist sellesse olekusse viimiseks. Veelgi enam, mida rohkem tööd, seda rohkem energiat kehal selles olekus on.
Liikide eraldamine erinevate kriteeriumide järgi
Energia jagamist on mitut tüüpi. Erinevate kriteeriumide järgi jaguneb see: väliseks (kineetiline ja potentsiaalne) ja sisemiseks (mehaaniline, termiline, elektromagnetiline, tuuma-, gravitatsiooniline). Elektromagnetenergia jaguneb omakorda magnet- ja elektrienergiaks ning tuumaenergia nõrga ja tugeva vastastikmõju energiaks.
Kineetiline
Kõik liikuvad kehad eristuvad kineetilise energia olemasolu poolest. Tihti kutsutakse seda nii – sõitmine. Liikuva keha energia kaob, kui see aeglustub. Seega, mida suurem on kiirus, seda suurem on kineetiline energia.
Kui liikuv keha puutub kokku paigalseisva objektiga, kandub osa kineetilisest viimasele, pannes selle liikuma. Kineetilise energia valem on järgmine:
Sõnades saab seda valemit väljendada järgmiselt: objekti kineetiline energia onpool selle massi korrutis selle kiiruse ruuduga.
Potentsiaalne
Seda tüüpi energiat omavad kehad, mis on mingis jõuväljas. Niisiis, magnet tekib siis, kui objekt on magnetvälja mõju all. Kõigil maakera kehadel on potentsiaalne gravitatsioonienergia.
Sõltuv alt uuritavate objektide omadustest võib neil olla erinevat tüüpi potentsiaalset energiat. Seega on elastsetel ja elastsetel kehadel, mis on võimelised venima, potentsiaalne elastsuse või pinge energia. Iga langev keha, mis oli varem liikumatu, kaotab potentsiaali ja omandab kineetilise. Sel juhul on nende kahe tüübi väärtus samaväärne. Meie planeedi gravitatsiooniväljas näeb potentsiaalse energia valem välja järgmine:
Sõnades võib seda valemit väljendada järgmiselt: Maaga interakteeruva objekti potentsiaalne energia võrdub selle massi, gravitatsioonikiirenduse ja selle asukoha kõrguse korrutisega.
See skalaarväärtus on potentsiaalses jõuväljas paikneva materiaalse punkti (keha) energiavaru tunnus, mida kasutatakse väljajõudude töö tõttu kineetilise energia omandamiseks. Mõnikord nimetatakse seda koordinaatfunktsiooniks, mis on termin süsteemi Langrangi keeles (dünaamilise süsteemi Lagrange'i funktsioon). See süsteem kirjeldab nende suhtlust.
Potentsiaalne energia on võrdsustatud nulligaruumis paiknevate kehade teatud konfiguratsioon. Konfiguratsiooni valiku määrab edasiste arvutuste mugavus ja seda nimetatakse "potentsiaalse energia normaliseerimiseks".
Energia jäävuse seadus
Üks füüsika põhilisemaid postulaate on energia jäävuse seadus. Tema sõnul ei teki energiat kuskilt ega kao kuhugi. See muutub pidev alt ühest vormist teise. Teisisõnu, toimub ainult energia muutus. Nii muundatakse näiteks taskulambi patarei keemiline energia elektrienergiaks ning sellest valguseks ja soojuseks. Erinevad kodumasinad muudavad elektrienergia valguseks, soojuseks või heliks. Kõige sagedamini on muutuse lõpptulemuseks soojus ja valgus. Pärast seda läheb energia ümbritsevasse ruumi.
Energiaseadus võib seletada paljusid füüsilisi nähtusi. Teadlased väidavad, et selle kogumaht universumis jääb pidev alt muutumatuks. Keegi ei saa energiat uuesti luua ega hävitada. Ühte selle tüüpi arendades kasutavad inimesed kütuse, langeva vee, aatomi energiat. Samal ajal muutub üks selle vorme teiseks.
Aastal 1918 suutsid teadlased tõestada, et energia jäävuse seadus on aja translatsioonilise sümmeetria – konjugeeritud energia väärtuse – matemaatiline tagajärg. Teisisõnu, energiat säästetakse tänu sellele, et füüsikaseadused ei erine erinevatel aegadel.
Energiaomadused
Energia on keha võime teha tööd. Suletudfüüsikalistes süsteemides, see säilib kogu aja (seni kuni süsteem on suletud) ja on üks kolmest liikumisintegraalist, mis säilitavad väärtuse liikumise ajal. Nende hulka kuuluvad: energia, nurkimment, impulss. Mõiste "energia" kasutuselevõtt on asjakohane, kui füüsiline süsteem on ajas homogeenne.
Kehade siseenergia
See on molekulaarsete vastastikmõjude energiate ja selle moodustavate molekulide soojusliikumiste summa. Seda ei saa otseselt mõõta, sest see on süsteemi oleku ühemõtteline funktsioon. Iga kord, kui süsteem satub teatud seisundisse, on selle siseenergial oma olemuslik väärtus, olenemata süsteemi olemasolu ajaloost. Siseenergia muutus ühest füüsikalisest olekust teise üleminekul on alati võrdne selle väärtuste erinevusega lõpp- ja algolekus.
Gaasi siseenergia
Lisaks tahketele ainetele on gaasidel ka energiat. See esindab süsteemi osakeste, mis hõlmavad aatomeid, molekule, elektrone, tuumasid, termilise (kaootilise) liikumise kineetilist energiat. Ideaalse gaasi siseenergia (gaasi matemaatiline mudel) on selle osakeste kineetiliste energiate summa. See võtab arvesse vabadusastmete arvu, mis on sõltumatute muutujate arv, mis määravad molekuli asukoha ruumis.
Energiakasutus
Igal aastal tarbib inimkond üha rohkem energiaressursse. Enamasti energia saamiseks,vajalik meie kodude valgustamiseks ja kütmiseks, sõidukite ja erinevate mehhanismide tööks, kasutatakse fossiilseid süsivesinikke nagu kivisüsi, nafta ja gaas. Need on taastumatud ressursid.
Kahjuks pärineb vaid väike osa meie planeedi energiast taastuvatest ressurssidest, nagu vesi, tuul ja päike. Praeguseks on nende osakaal energiasektoris vaid 5%. Veel 3% inimestest saavad tuumaelektrijaamades toodetud tuumaenergiat.
Taastumatutel ressurssidel on järgmised varud (džaulides):
- tuumaenergia - 2 x 1024;
- gaasi- ja naftaenergia – 2 x 10 23;
- planeedi sisesoojus - 5 x 1020.
Maa taastuvate ressursside aastane väärtus:
- päikeseenergia - 2 x 1024;
- tuul – 6 x 1021;
- jõed - 6, 5 x 1019;
- mere looded – 2,5 x 1023.
Ainult õigeaegse üleminekuga Maa taastumatute energiavarude kasutamiselt taastuvatele energiavarudele on inimkonnal võimalus meie planeedil olla pikk ja õnnelik. Tipptasemel arenduste rakendamiseks jätkavad teadlased üle maailma energia erinevate omaduste hoolikat uurimist.
