Что такое энергия?

Вселенная состоит из материи в различных формах, и все формы материи содержат энергию.  Различные формы энергии на Земле происходят от Солнца — конечного источника энергии. Растения улавливают энергию света от Солнца, и через процесс фотосинтеза преобразуют её в химическую энергию. Эту накопленную энергию можно использовать различными способами. Например, употребление в пищу растительных продуктов обеспечивает наше тело энергией для функционирования, а сжигание древесины или угля (которые представляет собой окаменелые растения) генерирует тепло и электричество. Поэтому, поскольку все изменения материи связаны с изменениями энергии, важно понимать, как энергия переходит из одной формы в другую.  

Энергия определяется как способность выполнять работу. Работа выполняется, когда сила, приложенная к объекту, заставляет объект двигаться против противоположно направленной силы. Например, работа выполняется, когда стол перемещается по комнате, преодолевая сопротивление пола.  

Энергия может быть сгруппирована в два основных типа－потенциальная энергия и кинетическая энергия. Потенциальная энергия — это энергия, связанная с относительным положением, составом или состоянием объекта. Кинетическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта. Например, вода, удерживаемая плотиной, обладает потенциальной энергией из-за ее положения над землей. Когда она течет вниз через генераторы, она приобретает кинетическую энергию, которую можно использовать для производства электроэнергии на гидроэлектростанции.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия также называется энергией в состоянии покоя или накопленной энергией. К общим типам потенциальной энергии относятся гравитационная потенциальная энергия, имеющаяся у яблока, висящего на дереве, энергия электрического потенциала, хранящаяся в объекте из-за притяжения или отталкивания электрических зарядов, или энергия химического потенциала, хранящаяся в связях между атомами и молекулами. Кроме того, ядерная энергия, хранящаяся в атомном ядре, и упругая энергия, хранящаяся в растянутой пружине из-за его конфигурации, являются типами потенциальной энергии.

Обычно объекты или системы с высокой потенциальной энергией имеют тенденцию быть менее стабильными и, таким образом, двигаться к более низким уровням энергии для достижения стабильности. Например, радиоактивный элемент уран-235 (U235) имеет нестабильное ядро. Чтобы добиться стабильности, оно разделяется на более мелкие, но стабильные элементы и высвобождает накопленную ядерную энергию. Затем эта выделенная энергия может быть использована для производства электроэнергии на атомных электростанциях.  

Кинетическая энергия

Уровень кинетической энергии объекта зависит от его массы и скорости. Рассмотрим два шарика разных масс, скатывающихся вниз по наклонной плоскости с одинаковой скоростью. Более тяжелый шарик будет обладать большей кинетической энергией. Точно так же, когда два шарика одной и той же массы скатятся вниз по наклонной плоскости на разных скоростях, мяч, который движется быстрее, обладает большей кинетической энергией.  

Существуют также различные формы кинетической энергии, включая механическую, электрическую, лучистую, звуковую, и тепловую энергию. Механическая энергия связана с движением объекта. Чем быстрее перемещается объект, тем больше механическая энергия.  Например, пуля, выстреливаемая из пушки, или вода, стекающая по плотине, являются примерами объектов с механической энергией. Электрическая энергия связана с потоком электрических зарядов, как в случае удара молнии во время грозы или обычных электрических цепях и устройствах. Лучистая энергия — это форма кинетической энергии, которая перемещается в виде электромагнитных волн и может быть ощущаться в виде света и тепла. Солнечный свет является примером лучистой энергии.

Тепловая энергия связана со случайным движением атомов и молекул. Когда атомы и молекулы объекта быстро перемещаются или колеблются, они обладают более высокой средней кинетической энергией (KЭ), и объект, как говорят, “горячий.” Когда атомы и молекулы движутся медленно, они имеют более низкую средний KЭ, а объект обозначается как “холодный.” Таким образом, тепловую энергию можно наблюдать через изменениея температуры объекта. Если предположить, что не происходит химической реакции или изменения фазы (например, таяние или испарение), увеличение количества тепловой энергии в образце вещества приведет к повышению температуры. Аналогичным образом, если предположить, что химическая реакция или изменение фазы (например, конденсация или замерзание) не происходит, уменьшение тепловой энергии в образце вещества приведет к снижению температуры.

Закон сохранения энергии

Энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но общая энергия, которая присутствует до изменения, всегда существует в какой-то форме даже после изменения. Это наблюдение выражено в Законе сохранения энергии. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не создается и не уничтожается, хотя можно изменить её по типу. Таким образом, общая энергия системы остается постоянной. Например, химическая энергия (тип потенциальной энергии) хранится в молекулах, из которых состоит бензин. Когда бензин сгорает в цилиндрах автомобильного’ двигателя, быстро расширяющиеся газообразные продукты этой химической реакции генерируют механическую энергию (тип кинетической энергии), перемещая поршни цилиндра.

Этот текст адаптирован к Openstax, Химия 2e, раздел 5.1: Основы энергии.