Энергия. Какие существуют виды энергии

Любое изменение во Вселенной, от дуновения легкого ветерка до взрыва сверхновой звезды, сопряжено с расходом или переносам энергии. Сама Вселенная образовалась в результате гигантского выброса энергии - Большого взрыва, и спустя 15 млрд, лет ее активность поддерживается этой энергией. В физике энергия есть способность совершать работу.

Типы энергии. Энергия существует во множестве различных форм, и любое физическое изменение обусловлено превращением одной формы в другую. Процесс взлета самолета может служить иллюстрацией практически всех известных форм энергии. Энергия никогда не возникает и не уничтожается, она только изменяет свою форму. Это положение известно как принцип сохранения энергии.

Ядерная энергия. Ядерная энергия выделяется при делении ядер (начинающемся при бомбардировании их нейтронами) и используется для совершения полезной работы. Она выделяется в виде тепловой и электромагнитной энергии при ядерных реакциях, например, на Солнце, в ядерных реакторах или при ядерном взрыве. В этих реакциях происходит аннигиляция массы и ее превращение в энергию.

Химическая энергия. Эта энергия хранится в структурах химических соединений, таких, как топливо в баках самолета. При взлете химическая энергия превращается в тепловую путем сжигания топлива, а эта энергия в свою очередь превращается в кинетическую энергию движения потенциальную энергию высоты, а также звуковую.

Электрическая энергия. Электричество есть движение мельчайших заряженных частиц - электронов. Когда по проводу течет электрический ток, электроны «перепрыгивают» от одного атома к другому. Электричество - одна из наиболее полезных форм энергии, поскольку она легко транспортируется и превращается в другие формы.

Световая энергия. Свет - наиболее известная форма электромагнитной энергии, которая включает также инфракрасное излучение (например, от нагретого объекта). На Земле первичным источником света является Солнце, другие источники световой энергии включают электричество и горение (превращение химической энергии в тепловую и световую).

Потенциальная энергия. Это энергия, запасенная объектом благодаря его положению или форме. Самолет приобретает потенциальную энергию, когда он взлетает, преодолевая силы гравитации; когда он пикирует, эта потенциальная энергия высвобождается, превращаясь в кинетическую. Подобным образом сжатый мяч или натянутая тетива также обладают потенциальной энергией, которая высвобождается, когда их отпускают.

Кинетическая энергия. Это энергия движения. Движущийся самолет, подобно любому движущемуся телу, обладает кинетической энергией, которая падает до нуля, когда он останавливается. Важная формула устанавливает отношение E=mv², где Е - кинетическая энергия движущегося тела, m - его масса, a v - скорость. Таким образом, при одинаковой скорости энергия пропорциональна массе, а удвоение скорости учетверяет кинетическую энергию.

Тепловая анергия. Этой энергией обладает каждый объект во Вселенной за счет колебаний или движения атомов и молекул, из которых он состоит. Чем быстрее движутся эти частицы, тем больше тепловой энергии содержится в объекте и тем он горячее. Тепло вырабатывается реактивным двигателем при сгорании топлива, заставляя газы расширяться и выбрасываться из сопла двигателя, разгоняя самолет.

Звуковая энергия. Звуковая энергия принимает форму волн давления, проходящих через воздух. Они образуются при вибрациях источника звука, например газов, вырывающихся из двигателя самолета. Когда эти звуковые волны достигают уха, они превращаются специальным сенсором в электрические импульсы, которые передаются в мозг, где они «слышатся» как звуки

Сохранение энергии и массы. Основной закон классической механики есть закон сохранения энергии. Он утверждает, что энергия не создается из ничего и не уничтожается, но лишь изменяет форму. Подобным образом при физических и химических превращениях сохраняется и масса.

Но теория относительности показала, что масса и энергия эквивалентны и соединены уравнением Е = mc². В обычных механических системах изменения массы, сопровождающие процесс переноса энергии, неизмеримо малы, но они становятся значительными при ядерных реакциях. Новая формулировка закона сохранения массы-энергии гласит, что масса и энергия вместе никогда не создаются и не уничтожаются.

Энергия, работа и мощность. Энергия в простом определении - способность совершать работу. Она измеряется в джоулях (Дж) или килоджоулях (кДж, тысячи джоулей); кДж часто используют вместо калорий для подсчета энергетической ценности продуктов питания. В счетах за газ или электричество обычно фигурируют киловатт-часы (кВт.ч); 1 кВт.ч = 3,6 млн. джоулей.

Работа - это то, что совершает энергия; она является конечным результатом превращения энергии из одной формы в другую. Подобно энергии, работа измеряется в джоулях.

В случае движения работа совершается, когда сила действует на объект, передвигая его в направлении своего действия. Например, автопогрузчик при подъеме груза против силы тяжести совершает работу, превращая химическую энергию (топлива) в потенциальную (подъем). Если груз имеет массу 300 кг, он весит 2940 ньютонов (Н). Предположим, его поднимают вертикально на 2 м. Затраченная работа (Дж) = сила (Н) х расстояние перемещения (м) = 2940 Н х 2 м = 5880 Дж (или 5,88 кДж).

Мощность показывает, насколько быстро совершается работа. Ее измеряют в ваттах (Вт); 1 Вт эквивалентен превращению 1 Дж в 1 секунду. Предположим, что этот же погрузчик поднимает груз за 6 сек. Мощность (Вт) = работа (Дж) : время (сек) = 5880 Дж : 6 сек = 980 Вт.

Мощность электроаппаратуры показывает, как быстро она «поглощает» электричество. Утюг мощностью 1000 Вт превращает электричество в тепло со скоростью 1000 Дж/сек; за час он потребляет 1 кВт. Ч. электроэнергии.

Тепло. Тепло - это кинетическая энергия постоянно движущихся атомов и молекул того или иного объекта. Если что- либо нагревается, молекулы в твердых телах начинают быстрее колебаться, а молекулы газа - быстрее двигаться. Можно почти вплотную приблизиться к абсолютному нулю (-273,15°С), температуре, при которой все атомы и молекулы прекращают движения, но в действительности невозможно достичь этой точки.

Температура, измеряемая термометром, не то же самое, что тепло. Разным материалам требуется различное количество тепловой энергии, чтобы в одинаковой степени увеличить их температуру. Количество тепла, необходимого для увеличения температуры 1 г вещества на ГС, называют удельной теплоемкостью.

Тепло переносится тремя способами. Теплопроводность - это перенос тепла через вещество, когда более «горячие» молекулы соударяются с соседними, заставляя их двигаться быстрее. Конвекция - перенос тепла в движущемся потоке жидкости или газа. Когда часть жидкости или газа нагревается, молекулы устремляются в разные стороны, и эта часть становится менее плотной и более легкой. В результате она поднимается, создавая круговые токи, переносящие энергию. Излучение - это перенос тепла от одного объекта к другому в форме инфракрасных лучей.

Важное значение имеет форма переноса тепла при плавлении твердых тел или испарении жидкости: тепловая энергия, называемая «скрытой теплотой», поглощается без изменения температуры тела. И наоборот, когда газ конденсируется, а жидкость затвердевает, скрытая теплота выделяется.

Свет. Свет, подобно другим формам электромагнитного излучения, проходит через пустоту со скоростью 299 792 458 м/с - самой большой, с которой что-либо может двигаться. Он движется медленнее в других прозрачных средах: три четверти максимальной скорости в воде и две трети в стекле.

Световые лучи распространяются по прямой, но «отскакивают» от большинства поверхностей, что называется отражением. Светлые поверхности отражают сильнее темных. Свет отражается от полированной поверхности под тем же углом, под каким он падает на нее, но шероховатые поверхности рассеивают свет.

Когда свет попадает под углом в воду из воздуха, замедление его движения заставляет пучок отклониться к вертикали. Это явление называется рефракцией. По такому принципу действует призма, а преломление света линзами фокусирует изображение объекта.

Звук. Звуковые волны состоят из участков повышенного (сжатие) и пониженного (разрежение) давления, следующих друг за другом от источника звука. Громкость звука зависит от расстояния между участками сжатия и разрежения. Высота звука (высокий или низкий) определяется тем, насколько быстро одна волна сменяет другую, т.е. частотой. Она измеряется в герцах (Гц), или количеством волн в секунду. Люди с хорошим слухом могут различать звуки от низких тонов около 20 Гц до высоких около 20 000 Гц (20 кГц).

Звук в отличие от света не может проходить через вакуум. Его скорость определяется природой среды распространения. Звук движется со скоростью примерно 340,29 м/с в воздухе на уровне моря, медленнее на больших высотах; в воде он распространяется в 5 раз быстрее, чем в воздухе.