1.6: Czym jest energia?

Wszechświat składa się z materii w różnych formach, z których każda zawiera energię. Różne formy energii na Ziemi pochodzą ze Słońca – podstawowego źródła energii. Rośliny wychwytują energię świetlną ze Słońca i w procesie fotosyntezy przekształcają ją w energię chemiczną. Energię zmagazynowaną w roślinach można wykorzystać na wiele sposobów. Na przykład spożywanie produktów roślinnych jako pożywienia dostarcza energii do funkcjonowania naszego organizmu, a spalanie drewna lub węgla (skamieniałych roślin) generuje ciepło. Ponieważ wszystkie zmiany materii pociągają za sobą zmiany energii, istotne jest zrozumienie, w jaki sposób energia przepływa z jednej formy do drugiej.

Energię definiuje się jako zdolność do wykonania pracy. Praca jest wykonywana, gdy siła przyłożona do obiektu powoduje, że obiekt porusza się wbrew sile przeciwnej. Na przykład praca jest wykonywana, gdy stół jest przesuwany po pokoju wbrew oporowi podłogi.

Energię można podzielić na dwa główne typy – energię potencjalną i energię kinetyczną. Energia potencjalna to energia związana ze względnym położeniem, składem lub stanem obiektu. Energia kinetyczna to energia związana z ruchem obiektu. Na przykład woda utrzymywana za tamą posiada energię potencjalną ze względu na jej położenie nad ziemią. Kiedy przepływa w dół przez generatory, zyskuje energię kinetyczną, którą można wykorzystać do wytworzenia energii elektrycznej w elektrowni wodnej.

Energia potencjalna

Energia potencjalna jest również nazywana energią zmagazynowaną. Powszechne rodzaje energii potencjalnej obejmują energię potencjalną grawitacji zmagazynowaną w jabłku zawieszonym na drzewie, energię potencjalną elektryczną zmagazynowaną w obiekcie w wyniku przyciągania lub odpychania ładunków elektrycznych, lub energię potencjalną chemiczną zmagazynowaną w wiązaniach między atomami i cząsteczkami. Dodatkowo energia jądrowa zmagazynowana w jądrze atomowym oraz energia sprężystości zmagazynowana w rozciągniętej sprężynie ze względu na jej odkształcenie są rodzajami energii potencjalnej.

Zwykle obiekty lub systemy o wysokiej energii potencjalnej są mniej stabilne i dlatego w celu osiągnięcia stabilności zmierzają w stronę niższych poziomów energii. Na przykład pierwiastek radioaktywny uran-235 (U235) ma niestabilne jądro. Aby uzyskać stabilność, rozpada się na mniejsze, ale stabilne elementy i uwalnia zmagazynowaną energię jądrową. Uwolnioną energię można następnie wykorzystać do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych.

Energia kinetyczna

Ilość energii kinetycznej obiektu zależy od jego masy i prędkości. Rozważmy dwie kulki o różnych masach toczące się po pochyłej płaszczyźnie z tą samą prędkością. Cięższa kula będzie miała większą energię kinetyczną. Podobnie, gdy dwie kule o tej samej masie toczą się po pochyłej płaszczyźnie z różnymi prędkościami, kula poruszająca się szybciej ma większą energię kinetyczną.

Istnieją również różne formy energii kinetycznej, w tym energia mechaniczna, elektryczna, radiacyjna, dźwiękowa i cieplna. Energia mechaniczna jest związana z ruchem obiektu. Im szybciej obiekt się porusza, tym większą ma energię mechaniczną. Na przykład kula wystrzelona z pistoletu lub woda spływająca po tamie są przykładami energii mechanicznej. Energia elektryczna wynika z przepływu ładunków elektrycznych, co obserwuje się w przypadku uderzeń pioruna podczas burzy lub w zwykłych obwodach i urządzeniach elektrycznych. Energia promieniowania jest formą energii kinetycznej, która rozchodzi się w postaci fal elektromagnetycznych i może być odbierana w postaci światła i ciepła. Światło słoneczne jest przykładem energii promieniowania.

Energia cieplna jest związana z przypadkowym ruchem atomów i cząsteczek. Kiedy atomy i cząsteczki obiektu poruszają się lub szybko wibrują, mają wyższą średnią energię kinetyczną (EK) i mówi się, że obiekt jest „gorący”. Kiedy atomy i cząsteczki poruszają się powoli, mają niższą średnią EK, obiekt określa się jako „zimny”. Zatem energię cieplną można zaobserwować poprzez zmiany temperatury obiektu. Zakładając, że nie zachodzi żadna reakcja chemiczna ani przemiana fazowa (taka jak topienie lub odparowanie), zwiększenie ilości energii cieplnej w próbce materii spowoduje wzrost jej temperatury. Podobnie, zakładając, że nie zachodzi żadna reakcja chemiczna ani przemiana fazowa (taka jak kondensacja lub zamrożenie), zmniejszenie ilości energii cieplnej w próbce materii spowoduje spadek jej temperatury.

Zasada zachowania energii

Energię można przekształcić z jednej formy w drugą, ale całkowita energia obecna przed zmianą zawsze pozostaje, nawet po zmianie. Obserwację tę wyraża zasada zachowania energii. Zasada zachowania energii stanowi, że energia nie jest wytwarzana ani niszczona, chociaż można zmienić jej formę. Zatem całkowita energia układu pozostaje stała. Na przykład energia chemiczna (rodzaj energii potencjalnej) jest magazynowana w cząsteczkach tworzących benzynę. Kiedy benzyna spala się w cylindrach silnika samochodu, szybko rozprężające się gazowe produkty tej reakcji chemicznej wytwarzają energię mechaniczną (rodzaj energii kinetycznej), gdy poruszają tłokami cylindra.

Energia jest definiowana jako zdolność do wykonywania pracy. Praca jest definiowana jako odległość pokonana przez obiekt w odpowiedzi na przyłożoną siłę. Na przykład, gdy książka jest podnoszona z ziemi i kładziona  na stole, praca jest wykonywana wbrew sile grawitacji. 

Energia dzieli się na dwa główne typy - potencjalną i kinetyczną.

Energia potencjalna to energia związana z położeniem, składem lub stanem obiektu. Jest również znana jako energia w spoczynku lub energia zmagazynowana. Dla przykładu – książka trzymana nad ziemią na stole posiada energię potencjalną ze względu na swoją wysokość. Ta energia potencjalna pozostaje przechowywana w książce tak długo, jak długo jest ona utrzymywana w tej pozycji.

Różne formy energii potencjalnej obejmują grawitacyjną energię potencjalną, elektryczną energię potencjalną, chemiczną energię potencjalną, energię jądrową i energię sprężystą.

Grawitacyjna energia potencjalna jest najbardziej widoczną formą energii potencjalnej i zależy od względnego położenia obiektu pod wpływem pola grawitacyjnego. Dla przykładu, książka trzymana nad stołem ma w sobie zmagazynowaną grawitacyjną energię potencjalną. 

Potencjalna energia elektryczna pochodzi z przyciągania lub odpychania ładunków elektrycznych, takich jak energia zmagazynowana wewnątrz kondensatora w obwodzie elektrycznym ma postać potencjalnej energii elektrycznej.

Chemiczna energia potencjalna to energia zmagazynowana w cząsteczkach. Na przykład suche drewno przechowuje chemiczną energię potencjalną, która jest uwalniana i przekształcana w inne formy energii podczas spalania drewna. 

Energia jądrowa pochodzi z jądra atomowego... A energia sprężysta to energia zmagazynowana w obiekcie ze względu na jego konfigurację, taką jak rozciągnięta proca.

Energia kinetyczna to ta, która jest związana z ruchem obiektu. Na przykład, gdy książka spada ze stołu, jej energia potencjalna zostaje zamieniona na energię kinetyczną w wyniku jej ruchu.

Sama energia kinetyczna również występuje w różnych formach – a mianowicie energii mechanicznej, elektrycznej, cieplnej i promienistej.

Podczas gdy energia mechaniczna jest spowodowana mechanicznym ruchem obiektu, takiego jak poruszający się samochód, energia elektryczna jest tworzona przez przepływ ładunków elektrycznych, co widać w uderzeniach piorunów. Kiedy energia kinetyczna ma postać fal elektromagnetycznych, takich jak energia światła słonecznego, staje się energią promieniowania. 

Energia cieplna to energia kinetyczna związana z ruchem atomów i cząsteczek w obiekcie.  Gdy atomy i cząsteczki w obiekcie poruszają się lub wibrują szybko i częściej zderzają się ze sobą, temperatura obiektu wzrasta. Ciepło z palącego się płomienia jest przykładem energii cieplnej.

Odwrotnie dzieje się, gdy wibracje lub ruchy tych atomów i cząsteczek zwalniają. Mówi się wtedy, że obiekt jest zimny i ma niską energię cieplną - jak wtedy, gdy woda zamarza.

Wszystkie te różne formy ułatwiają przepływ energii z jednego rodzaju do drugiego lub z jednego obiektu do drugiego, aby wykonać pracę.

Prawo zachowania energii mówi, że energia nie jest ani tworzona, ani niszczona – tylko przekształca się z jednego rodzaju w drugi. Całkowita energia systemu pozostaje zatem zachowana. 

Na przykład podczas łucznictwa strzała trzymana w rozciągniętym łuku zawiera elastyczną energię potencjalną. Kiedy łuk jest zwalniany, ta potencjalna energia zostaje zamieniona na energię kinetyczną strzały, a strzała jest napędzana, aby trafić w cel. Ponownie, całkowita energia pozostaje zachowana.