Co to jest energia?

Wszechświat składa się z materii w różnych formach, a wszystkie formy materii zawierają energię.  Różne formy energii na Ziemi pochodzą ze Słońca – ostatecznego źródła energii. Rośliny wychwytują energię świetlną ze Słońca i w procesie fotosyntezy przekształcają ją w energię chemiczną. Tę zmagazynowaną energię z roślin można wykorzystać na wiele sposobów. Na przykład spożywanie produktów roślinnych jako pożywienia dostarcza energii do funkcjonowania naszego organizmu, a spalanie drewna lub węgla (skamieniałe rośliny) generuje ciepło i energię elektryczną. Dlatego, ponieważ wszystkie zmiany materii pociągają za sobą zmiany energii, ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób energia przepływa z jednej formy do drugiej. 

Energia jest definiowana jako zdolność do wykonywania pracy. Praca jest wykonywana, gdy siła przyłożona do obiektu powoduje, że obiekt porusza się przeciwko przeciwnej sile. Na przykład praca jest wykonywana, gdy stół jest przesuwany w poprzek pomieszczenia 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 zaporą posiada energię potencjalną ze względu na swoje 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 znana jako energia spoczynkowa lub energia zmagazynowana. Typowe rodzaje energii potencjalnej obejmują grawitacyjną energię potencjalną zmagazynowaną w jabłku zwisającym z drzewa,  potencjalną energię elektryczną zmagazynowaną w obiekcie w wyniku przyciągania lub odpychania ładunków elektrycznych lub potencjalną energię chemiczną zmagazynowaną w wiązaniach między atomami i cząsteczkami. Dodatkowo energia jądrowa zmagazynowana w jądrze atomowym i energia sprężysta zmagazynowana w rozciągniętej sprężynie ze względu na jej konfigurację są rodzajami energii potencjalnej.

Zazwyczaj obiekty lub systemy o wysokiej energii potencjalnej są zwykle mniej stabilne, a zatem przesuwają się w kierunku niższych poziomów energii, aby osiągnąć stabilność. Na przykład radioaktywny pierwiastek uran-235 (U²³⁵) ma niestabilne jądro. Aby uzyskać stabilność, rozpada się na mniejsze, ale stabilne elementy i uwalnia zmagazynowaną energię jądrową. Ta uwolniona energia może być następnie wykorzystana do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych. 

Energia kinetyczna

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

Istnieją również różne formy energii kinetycznej, w tym energia mechaniczna, elektryczna, promieniująca, dźwiękowa i cieplna. Energia mechaniczna jest związana z ruchem obiektu. Im szybciej porusza się obiekt, tym więcej ma energii mechanicznej.  Przykładowo, kula wystrzelona z pistoletu czy woda spływająca po tamie są przykładami energii mechanicznej. Energia elektryczna jest przypisywana przepływowi ładunków elektrycznych, co obserwuje się w przypadku uderzeń piorunów podczas burzy lub codziennych obwodów i urządzeń elektrycznych. Energia promieniowania to forma energii kinetycznej, która przemieszcza się w postaci fal elektromagnetycznych i może być doświadczana w postaci światła i ciepła. Światło słoneczne jest przykładem energii promieniowania.

Energia cieplna jest związana z losowym ruchem atomów i molekuł. Kiedy atomy i cząsteczki w obiekcie poruszają się lub wibrują szybko, mają wyższą średnią energię kinetyczną (KE) i mówi się, że obiekt jest “gorący”. Kiedy atomy i cząsteczki poruszają się powoli, mają niższą średnią KE, a obiekt jest określany jako “zimny”. W ten sposób energię cieplną można zaobserwować poprzez zmiany temperatury obiektu. Zakładając, że nie zachodzi żadna reakcja chemiczna ani zmiana fazy (taka jak topnienie lub parowanie), zwiększenie ilości energii cieplnej w próbce materii spowoduje wzrost jej temperatury. Podobnie, zakładając, że nie zachodzi żadna reakcja chemiczna ani zmiana fazy (taka jak kondensacja lub zamarzanie), zmniejszenie ilości energii cieplnej w próbce materii spowoduje spadek jej temperatury.

Prawo zachowania energii

Energia może być przekształcana z jednej formy w drugą, ale całkowita energia obecna przed zmianą zawsze istnieje w jakiejś formie, nawet po zmianie. Obserwacja ta jest wyrażona jako prawo zachowania energii. Prawo zachowania energii mówi, że energia nie jest ani tworzona, ani niszczona, chociaż może być zmieniana w formie. W ten sposób całkowita energia systemu pozostaje stała. Na przykład energia chemiczna (rodzaj energii potencjalnej) jest przechowywana w cząsteczkach tworzących benzynę. Kiedy benzyna jest spalana w cylindrach silnika samochodu, szybko rozprężające się gazowe produkty tej reakcji chemicznej wytwarzają energię mechaniczną (rodzaj energii kinetycznej), gdy poruszają tłokami cylindra.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 5.1: Podstawy energii.