Sisältö
Yksi maailmankaikkeuden peruslakeista on, että energiaa ei luoda eikä tuhota - se muuttaa vain muotoja. Tämän seurauksena on olemassa monia energiakaavoja. Ymmärtääksesi kuinka nämä kaavat ovat saman asian ilmaisuja, on tärkeää ensin ymmärtää, mitä fyysikot tarkoittavat puhuttaessaan energiasta. Sen käsitys juontui klassisen fysiikan käsitteisiin sellaisena kuin Sir Isaac Newton selvitti.
Liikkeen energian kaava on KE = .5 × m × v2 missä KE on kineettinen energia jouleissa, m on massa kilogrammoina ja v on nopeus metreinä sekunnissa.
Voimaa ja työtä
Newtonin kolme liikelakia muodostavat perustan klassiselle fysiikalle. Ensimmäinen laki määrittelee voiman sillä, joka aiheuttaa liikettä, ja toinen laki yhdistää esineeseen vaikuttavan voiman siihen kohdistuvaan kiihtyvyyteen. Jos voima (F) kiihdyttää vartaloa etäisyyden (d) kautta, se tekee työmäärän (W), joka on yhtä suuri kuin voima kerrottuna etäisyyksillä kertoimella, joka vastaa niiden välistä kulmaa (θ, kreikkalainen teetakirjain ). Matemaattisena ilmaisuna tämä tarkoittaa W = F × d × (cos (θ)). Voiman metriset yksiköt ovat newtonia, etäisyyden mitat ovat metrejä ja työssä käytettävät yksiköt ovat newton-metriä tai jouleina. Energia on kyky tehdä työtä, ja se ilmaistaan myös jouleina.
Kineettinen ja potentiaalinen energia
Liikkeellä olevalla esineellä on liikkumisen energia, joka vastaa työtä, jota vaaditaan sen lepäämiseen. Tätä kutsutaan sen kineettiseksi energiaksi, ja se riippuu esineiden nopeuden neliöstä (v) sekä puolesta massastaan (m). Matemaattisesti tämä ilmaistaan E (k) = (.5) × m × v2. Maan gravitaatiokentällä lepäävällä esineellä on potentiaalista energiaa korkeudensa takia; jos se putoaisi vapaasti, se saisi kineettisen energian, joka on yhtä suuri kuin tämä potentiaalinen energia. Potentiaalienergia riippuu esineiden massasta, sen korkeudesta (h) ja painovoimasta johtuvasta kiihtyvyydestä (g). Matemaattisesti tämä on E (p) = m • h • g.
Sähköenergia
Sähköjärjestelmien energian laskenta riippuu johtimen (I) läpi virtaavan virran määrästä ampeereina, samoin kuin virran johtavasta sähköpotentiaalista tai jännitteestä (V) volteissa. Näiden kahden parametrin kertominen antaa sähkön tehon (P) watteina ja kertomalla P ajan, jonka aikana sähkö virtaa (t) sekunteina, saadaan järjestelmän sähköenergian määrä jouleina. Sähköä johtavan piirin matemaattinen lauseke on E (e) = P × t = V × I × t. Tämän suhteen mukaan 100 watin hehkulampun jättäminen minuutiksi kuluttaa 6000 joulea energiaa. Tämä vastaa kineettisen energian määrää, joka yhden kilogramman kiven olisi, jos pudottaisit sen 612 metrin korkeudesta (ilman kitkaa huomioimatta).
Jotkut muut energian muodot
Näkemämme valo on sähkömagneettinen ilmiö, jolla on energiaa fotoniksi kutsuttujen aaltopakettien värähtelyjen takia. Saksalainen fyysikko Max Planck totesi fotonin energian olevan verrannollinen taajuuteen (f), jolla se värähtelee, ja laski suhteellisuusvakion (h), jota kutsutaan hänen kunniakseen Plancksin vakiona. Fotonin energian lauseke on siis E (p) = h × f. Albert Einsteinsin suhteellisuusteorian mukaan jokaisella ainehiukkasella on luontainen potentiaalienergia suhteessa hiukkasten massaan ja valon nopeuden neliöön (c). Asiaankuuluva lauseke on E (m) = m × c2. Einsteiinien laskelmat vahvistuivat atomipommin kehityksellä.