Primul lucru pe care trebuie să-l facem este să ne definim termenii. Forța, energia și puterea sunt toate legate între ele în moduri foarte specifice. Amintindu-ne că accelerația este definită ca rata de schimbare a vitezei, sau a = v/t, ne oferă următorul tabel:

energia radiantă

Cantitate Definiție Unități Nume unitate Abreviere
forta = ma kg m/s 2 Newton N
energie = Fd kg m 2/s 2 joule .
putere = E/t kg m 2/s 3 watt W

Sau exprimat în cuvinte, energia este forța care acționează la distanță, iar puterea este energia consumată pe secundă. Un joule este cantitatea de energie necesară pentru a exercita o forță de un newton printr-un metru. De exemplu, dacă ridicați o greutate de un kilogram cu un metru, atunci energia pe care trebuie să o cheltuiți este:

E = Fd = (ma) d = mgd = (1 kg) (9.8m/s 2) (1 m) = 9.8 kg m/s 2 = 9.8 jouli .

O definiție alternativă a energiei, caloria, este definită ca cantitatea de energie termică necesară pentru creșterea temperaturii de 1 gm de apă cu 1 ° C. (A fost un moment în care oamenii nu și-au dat seama că energia termică și energia mecanică sunt într-adevăr una și aceeași, așa că au creat definiții separate pentru ei.) Măsurătorile termodinamice ne spun că o singură calorie = 4.186 joule.

În loc să folosească jouli, „kilowatt-ora” este utilizat în mod obișnuit de industria electrică ca unitate de energie. (Kw-hr NU este o unitate de putere. În ciuda faptului că are termenul de putere „watt” în numele său, kw-hr este o unitate de energie. Deoarece puterea = energie/timp, este de asemenea adevărat că energia = putere X timp.) Un kw-oră este o cantitate convenabilă în industria electrică, deoarece este echivalentul energetic al funcționării unui aparat de un kilowat timp de o oră. Conversia unui kilowatt-oră în jouli este doar:

kilowatt-oră = (1000 J/s) X (60 min/oră) (60 sec/min) = 3.600.000 J



Formă misterioasă de energie extraterestră?


Forme de energie

Energia este un concept misterios, nu în ultimul rând pentru că vine în multe chipuri. Iată o listă a formelor comune:

energia cinetică - energia corpurilor în mișcare. Formula pentru energia cinetică este:

unde K = constanta arcului (unități de N/m), x 0 = poziția de echilibru a arcului și x = distanța arcului a fost întins sau comprimat.

unde m = masa moleculei de gaz (presupunem că gazul conține un singur tip de moleculă), v = viteza medie a moleculelor, k B = constanta lui Boltzmann = și T = temperatura în K °.

unde dQ = modificarea căldurii, c este capacitatea specifică de căldură în cal/gm K ° și dT = schimbarea temperaturii (fie în C °, fie în K °).

energie chimică - energia asociată cu ruperea sau realizarea legăturilor atomice, adică cu transformările chimice.

căldură latentă - energia necesară topirii solidelor sau fierberii lichidelor. Această energie este oarecum similară cu energia chimică, deoarece este energia asociată cu ruperea sau realizarea legăturilor moleculare, mai degrabă decât legăturile atomice. Energia totală (căldura) necesară pentru a topi un solid sau a fierbe un lichid este doar Q = mL, unde m este masa lichidului sau solidului și L este factorul de căldură latent (dat fie în J, fie în cal pe kg) de topirea sau fierberea.

energie potențială gravitațională - energia dobândită sau pierdută de corpuri pe măsură ce sunt deplasate într-un câmp gravitațional. Pentru obiectele foarte apropiate de Pământ, energia potențială gravitațională este dată de E = mgh, unde m este masa obiectului, g este accelerația gravitației (9,8 m/s 2) și h este înălțimea la care se află obiectul ridicat.

energie electromagnetică - energia conținută în câmpurile electromagnetice. Exemple obișnuite includ electricitatea casnică, câmpul din jurul unui magnet și electricitatea statică. Pentru electricitatea de uz casnic, energia disipată de un circuit este E = IVt, unde I este curentul (în amperi), V este tensiunea și t este timpul (în secunde) pe care curge curentul.

energie radiantă - energia undelor radio, a microundelor, a luminii în infraroșu, a luminii vizibile, a razelor UV, a razelor X și a razelor gamma. Totul degajă energie radiantă, într-o oarecare măsură. Cantitatea totală de energie dată ca energie radiantă de orice obiect este de aproximativ:

unde S = constanta Stefan-Boltzmann = 5,67 X 10 -8 W/m 2 ° K 4
A = suprafața obiectului
T = temperatura absolută a obiectului
T 0 = temperatura absolută a împrejurimilor obiectului

Formula de mai sus funcționează numai dacă T este mai mare decât T 0; în caz contrar, obiectul va absorbi energia radiantă din împrejurimile sale, deoarece căldura curge întotdeauna de la cald la rece.

energie nucleară - energia asociată cu radioactivitatea și interacțiunile nucleare. Acest lucru este cuantificat prin formula simplă, dar profundă E = mc 2, care ne spune că masa însăși este doar o altă formă de energie.


Din punct de vedere istoric, abia la mijlocul anilor 1800 fizicienii au realizat că toate formele de energie ar putea fi transmutate între ele. Se credea că energia termică este un fel de fluid, numit „caloric”, care curgea dintr-un loc în altul ca apa. Energia cinetică a fost privită ca un lucru complet separat (și a fost adesea confundată cu impulsul liniar). Ușoară. Ei bine, oamenii nu erau prea siguri nici măcar ce era lumina, nu contează cum se încadrează în chestiunea energiei.

În 1798 contele Rumford a demonstrat că teoria calorică a căldurii trebuie să fie greșită. Rumford era însărcinat cu plictisirea tunurilor pentru armata prusiană și observase că apa necesară pentru răcirea tunurilor, pe măsură ce erau plictisite, continua să fie încălzită chiar și după ce vârfurile de foraj deveniseră atât de contondente, încât nu le tăiau. metalul mai. Teoria calorică spunea că găurirea metalului a scos fluidul caloric din așchii mici, motiv pentru care tunurile s-au încălzit - dar Rumford a realizat că această explicație era imposibilă. El a organizat o demonstrație publică în care tijele contondente au fost rotite împotriva metalului plat timp de ore în șir, creând în cele din urmă atât de multă căldură încât apa de răcire a început să fiarbă - dar nu au fost create așchii. Rumford a declarat că mișcarea singură era suficientă pentru a crea căldură, adică și-a dat seama că energia mecanică și energia termică trebuie să fie două aspecte ale aceluiași lucru.

James Joule a măsurat echivalența energiei mecanice și termice în 1843 (adică a determinat că un cal = 4,186 J) examinând cât a fost încălzită apa din calorimetrele foarte izolate, deoarece a fost agitată de palete antrenate de căderea greutăților. Ideea de bază a experimentului său este prezentată în dreapta. În 1847, din acest experiment și alte considerații, Hermann Helmholtz a enunțat principiul conservării energiei. Pentru a spune acest lucru succint:

Energia este conservată
Toate diferitele forme de energie (precum cele enumerate mai sus) pot fi transmutate între ele sau transferate dintr-un loc în altul, dar energia totală din Univers rămâne întotdeauna aceeași. Permiteți-mi să mă repet, deoarece acesta este unul dintre cele mai importante principii din fizică:

Energia totală a Universului este constantă.
Energia nu poate fi niciodată creată sau distrusă.
Energia poate fi mutată sau transformată numai.

Energia este echivalentul bani al Mamei Natura. Orice vrei să faci (să mergi prin cameră? Porniți stereo-ul? Aruncați un baseball? Aruncați în aer un seif?) Necesită bani de energie. Puteți să-l cheltuiți cum doriți, dar dacă îl cheltuiți, îl câștigă altceva. Nu există profituri în Mama Natură și nici pierderi. Spre deosebire de lucrurile de hârtie pe care le imprimă guvernul federal, banii din energie sunt indestructibili și nu pot fi contrafăcuți.

Cu toate acestea, este destul de ușor să treceți de la o monedă la alta. Uită-te doar la mașina ta. Mai întâi energia nucleară din Soare este transformată în energie electromagnetică radiantă, apoi plantele de pe Pământ convertesc energia radiantă în energie chimică (petrol), apoi porniți mașina și o convertiți în energie cinetică și, în cele din urmă, loviți frânele, care folosesc fricțiunea pentru a converti energia cinetică în căldură.

Ființele umane își obțin mai ales energia de la Soare. Lumina soarelui este absorbită de plante și transformată în molecule organice, adică transformă energia radiantă în energie chimică. Când auziți guru-urile de exerciții vorbind despre „arderea caloriilor”, este exact corect. Oamenii transformă energia chimică pe care o mănâncă în căldură corporală și energie cinetică arzând literalmente zaharuri, carbohidrați și grăsimi.

Amuzant deoparte - determină conținutul caloric al alimentelor plasându-le în cuptoare izolate și dând foc alimentelor. După ce mâncarea a fost arsă într-o grămadă de cenușă neagră fină, acestea măsoară temperatura totală a cuptorului. Deoarece știu exact câtă energie au introdus în cuptor pentru a arde alimentele, orice creștere suplimentară a temperaturii poate proveni doar din alimentele arse. Acesta este un mod perfect valabil de a face măsurarea, chiar dacă corpul uman (așa cum ați fi observat) nu își arde caloriile într-o singură conflagrație necontrolată. Mai degrabă, generează căldură prin milioane de mici „focuri” de dimensiuni moleculare răspândite în tot corpul.

În orice caz, eliberați aceeași cantitate de energie. Imaginați-vă că încălziți o sticlă de apă din interior, prin milioane de scântei mici care clipesc în interiorul apei și aveți o imagine destul de bună despre modul în care oamenii își mențin căldura corpului fără a-și arde alimentele într-un singur foc, așa cum fac în măsurătorile de conținut caloric.

Majoritatea nevoilor de energie ale societății noastre sunt asigurate de gaz, petrol și cărbune. Acestea sunt rămășițele puternic comprimate și fermentate chimic ale pădurilor care au crescut cu milioane de ani în urmă. (Gazul și petrolul sunt într-adevăr fosilizate lumina soarelui, când ajungeți la el.) Multe alte forme de energie, cum ar fi energia hidroelectrică și energia eoliană, provin și ele de la Soare, deoarece încălzirea solară este cea care conduce vremea și creează ploile. care umplu barajele hidroelectrice. De fapt, singurele tipuri de energie folosite pe Pământ care nu provin de la Soare sunt energia geotermală, energia nucleară și energia hidroelectrică care este generată de maree mai degrabă decât de precipitații. Toate acestea împreună alcătuiesc doar o bucată nesemnificativă din consumul total de energie al umanității.