Η ενέργεια είναι αυτή που κάνει δυνατή τη ζωή όχι μόνο στον πλανήτη μας, αλλά και στο Σύμπαν. Ωστόσο, μπορεί να είναι πολύ διαφορετικό. Έτσι, η θερμότητα, ο ήχος, το φως, ο ηλεκτρισμός, τα μικροκύματα, οι θερμίδες είναι διαφορετικοί τύποι ενέργειας. Για όλες τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα γύρω μας, αυτή η ουσία είναι απαραίτητη. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που υπάρχει στη Γη λαμβάνει από τον Ήλιο, αλλά υπάρχουν και άλλες πηγές της. Ο ήλιος το μεταφέρει στον πλανήτη μας όσο 100 εκατομμύρια από τα πιο ισχυρά εργοστάσια παραγωγής ενέργειας θα παρήγαγαν ταυτόχρονα.
Τι είναι ενέργεια;
Η θεωρία που προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν μελετά τη σχέση μεταξύ ύλης και ενέργειας. Αυτός ο σπουδαίος επιστήμονας μπόρεσε να αποδείξει την ικανότητα μιας ουσίας να μετατρέπεται σε άλλη. Ταυτόχρονα, αποδείχθηκε ότι η ενέργεια είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για την ύπαρξη των σωμάτων και η ύλη είναι δευτερεύουσα.
Ενέργεια είναι, σε γενικές γραμμές, η ικανότητα να κάνεις κάποια δουλειά. Είναι αυτή που πρεσβεύειη έννοια μιας δύναμης ικανής να κινήσει ένα σώμα ή να του δώσει νέες ιδιότητες. Τι σημαίνει ο όρος «ενέργεια»; Η φυσική είναι μια θεμελιώδης επιστήμη στην οποία αφιέρωσαν τη ζωή τους πολλοί επιστήμονες από διαφορετικές εποχές και χώρες. Ακόμη και ο Αριστοτέλης χρησιμοποίησε τη λέξη «ενέργεια» για να αναφερθεί στην ανθρώπινη δραστηριότητα. Μετάφραση από την ελληνική γλώσσα, η «ενέργεια» είναι «δραστηριότητα», «δύναμη», «δράση», «δύναμη». Την πρώτη φορά που αυτή η λέξη εμφανίστηκε σε μια πραγματεία ενός Έλληνα επιστήμονα που ονομάζεται "Φυσική".
Με την πλέον γενικά αποδεκτή έννοια, αυτός ο όρος επινοήθηκε από τον Άγγλο φυσικό Thomas Young. Αυτό το σημαντικό γεγονός έλαβε χώρα το 1807. Στη δεκαετία του '50 του XIX αιώνα. ο Άγγλος μηχανικός William Thomson ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε την έννοια της «κινητικής ενέργειας» και το 1853 ο Σκωτσέζος φυσικός William Rankin εισήγαγε τον όρο «δυνητική ενέργεια».
Σήμερα αυτή η κλιμακωτή ποσότητα είναι παρούσα σε όλους τους κλάδους της φυσικής. Είναι ένα ενιαίο μέτρο των διαφόρων μορφών κίνησης και αλληλεπίδρασης της ύλης. Με άλλα λόγια, είναι ένα μέτρο της μετατροπής μιας μορφής σε άλλη.
Μετρήσεις και χαρακτηρισμοί
Η ποσότητα ενέργειας μετριέται σε τζάουλ (J). Αυτή η ειδική μονάδα, ανάλογα με τον τύπο ενέργειας, μπορεί να έχει διαφορετικές ονομασίες, για παράδειγμα:
- W είναι η συνολική ενέργεια του συστήματος.
- Q - θερμικό.
- U – δυναμικό.
Τύποι ενέργειας
Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι ενέργειας στη φύση. Τα κυριότερα είναι:
- μηχανικό;
- ηλεκτρομαγνητικό;
- ηλεκτρικό;
- χημικό;
- θερμικό;
- πυρηνική (ατομική).
Υπάρχουν και άλλοι τύποι ενέργειας: φως, ήχος, μαγνητική. Τα τελευταία χρόνια, ένας αυξανόμενος αριθμός φυσικών τείνει στην υπόθεση της ύπαρξης της λεγόμενης «σκοτεινής» ενέργειας. Κάθε ένας από τους προαναφερθέντες τύπους αυτής της ουσίας έχει τα δικά του χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, η ηχητική ενέργεια μπορεί να μεταδοθεί χρησιμοποιώντας κύματα. Συμβάλλουν στη δόνηση των τυμπάνων στο αυτί των ανθρώπων και των ζώων, χάρη στην οποία ακούγονται ήχοι. Κατά τη διάρκεια διαφόρων χημικών αντιδράσεων, απελευθερώνεται η απαραίτητη ενέργεια για τη ζωή όλων των οργανισμών. Οποιοδήποτε καύσιμο, τροφή, συσσωρευτές, μπαταρίες είναι η αποθήκευση αυτής της ενέργειας.
Το αστέρι μας δίνει στη Γη ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Μόνο έτσι μπορεί να ξεπεράσει τις εκτάσεις του Κόσμου. Χάρη στη σύγχρονη τεχνολογία, όπως τα ηλιακά πάνελ, μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε στο μέγιστο αποτέλεσμα. Η υπερβολική αχρησιμοποίητη ενέργεια συσσωρεύεται σε ειδικές εγκαταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας. Μαζί με τους παραπάνω τύπους ενέργειας, ιαματικές πηγές, ποτάμια, άμπωτες και ροές ωκεανών, χρησιμοποιούνται συχνά βιοκαύσιμα.
Μηχανική Ενέργεια
Αυτό το είδος ενέργειας μελετάται στον κλάδο της φυσικής που ονομάζεται "Μηχανική". Συμβολίζεται με το γράμμα Ε. Μετριέται σε τζάουλ (J). Τι είναι αυτή η ενέργεια; Η φυσική της μηχανικής μελετά την κίνηση των σωμάτων και την αλληλεπίδρασή τους μεταξύ τους ή με εξωτερικά πεδία. Στην περίπτωση αυτή ονομάζεται η ενέργεια που οφείλεται στην κίνηση των σωμάτωνκινητική (δηλώνεται με Ek), και η ενέργεια που οφείλεται στην αλληλεπίδραση σωμάτων ή εξωτερικών πεδίων ονομάζεται δυναμικό (Ep). Το άθροισμα της κίνησης και της αλληλεπίδρασης είναι η συνολική μηχανική ενέργεια του συστήματος.
Υπάρχει ένας γενικός κανόνας για τον υπολογισμό και των δύο τύπων. Για τον προσδιορισμό της ποσότητας ενέργειας, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί το έργο που απαιτείται για τη μεταφορά του σώματος από τη μηδενική κατάσταση σε αυτήν την κατάσταση. Επιπλέον, όσο περισσότερη δουλειά, τόσο περισσότερη ενέργεια θα έχει το σώμα σε αυτή την κατάσταση.
Διαχωρισμός ειδών σύμφωνα με διαφορετικά κριτήρια
Υπάρχουν πολλά είδη κοινής χρήσης ενέργειας. Σύμφωνα με διάφορα κριτήρια χωρίζεται σε: εξωτερικό (κινητικό και δυναμικό) και εσωτερικό (μηχανικό, θερμικό, ηλεκτρομαγνητικό, πυρηνικό, βαρυτικό). Η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, με τη σειρά της, χωρίζεται σε μαγνητική και ηλεκτρική, και η πυρηνική ενέργεια χωρίζεται σε ενέργεια αδύναμων και ισχυρών αλληλεπιδράσεων.
Kinetic
Οποιαδήποτε κινούμενα σώματα διακρίνονται από την παρουσία κινητικής ενέργειας. Συχνά ονομάζεται έτσι - οδήγηση. Η ενέργεια ενός σώματος που κινείται χάνεται όταν επιβραδύνει. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα, τόσο μεγαλύτερη είναι η κινητική ενέργεια.
Όταν ένα κινούμενο σώμα έρχεται σε επαφή με ένα ακίνητο αντικείμενο, ένα μέρος του κινητικού μεταφέρεται στο τελευταίο, θέτοντας το σε κίνηση. Ο τύπος της κινητικής ενέργειας έχει ως εξής:
Με λέξεις, αυτός ο τύπος μπορεί να εκφραστεί ως εξής: η κινητική ενέργεια ενός αντικειμένου είναιτο μισό γινόμενο της μάζας του επί το τετράγωνο της ταχύτητάς του.
Δυνατότητα
Αυτό το είδος ενέργειας κατέχεται από σώματα που βρίσκονται σε κάποιο είδος πεδίου δύναμης. Έτσι, η μαγνητική εμφανίζεται όταν ένα αντικείμενο βρίσκεται υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Όλα τα σώματα στη γη έχουν δυνητική βαρυτική ενέργεια.
Ανάλογα με τις ιδιότητες των αντικειμένων μελέτης, μπορεί να έχουν διαφορετικούς τύπους δυναμικής ενέργειας. Έτσι, ελαστικά και ελαστικά σώματα που είναι ικανά να τεντώνονται, έχουν τη δυναμική ενέργεια ελαστικότητας ή τάσης. Κάθε πτωτικό σώμα που ήταν προηγουμένως ακίνητο χάνει τη δυνατότητα και αποκτά κινητική. Σε αυτήν την περίπτωση, η τιμή αυτών των δύο τύπων θα είναι ισοδύναμη. Στο βαρυτικό πεδίο του πλανήτη μας, ο τύπος δυναμικής ενέργειας θα μοιάζει με αυτό:
Με λόγια, αυτός ο τύπος μπορεί να εκφραστεί ως εξής: η δυναμική ενέργεια ενός αντικειμένου που αλληλεπιδρά με τη Γη είναι ίση με το γινόμενο της μάζας του, της επιτάχυνσης της βαρύτητας και του ύψους στο οποίο βρίσκεται.
Αυτή η κλιμακωτή τιμή είναι χαρακτηριστικό του ενεργειακού αποθέματος ενός υλικού σημείου (σώματος) που βρίσκεται σε ένα δυναμικό πεδίο και χρησιμοποιείται για την απόκτηση κινητικής ενέργειας λόγω του έργου των δυνάμεων του πεδίου. Μερικές φορές ονομάζεται συνάρτηση συντεταγμένων, η οποία είναι ένας όρος στο Langrangian του συστήματος (η συνάρτηση Lagrange ενός δυναμικού συστήματος). Αυτό το σύστημα περιγράφει την αλληλεπίδρασή τους.
Η δυναμική ενέργεια ισοδυναμεί με μηδέν γιαμια ορισμένη διαμόρφωση σωμάτων που βρίσκονται στο διάστημα. Η επιλογή της διαμόρφωσης καθορίζεται από την ευκολία περαιτέρω υπολογισμών και ονομάζεται "κανονικοποίηση της δυνητικής ενέργειας".
Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας
Ένα από τα πιο βασικά αξιώματα της φυσικής είναι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Σύμφωνα με τον ίδιο, η ενέργεια δεν εμφανίζεται από πουθενά και δεν εξαφανίζεται πουθενά. Αλλάζει συνεχώς από τη μια μορφή στην άλλη. Με άλλα λόγια, υπάρχει μόνο μια αλλαγή στην ενέργεια. Έτσι, για παράδειγμα, η χημική ενέργεια μιας μπαταρίας φακού μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και από αυτήν σε φως και θερμότητα. Διάφορες οικιακές συσκευές μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε φως, θερμότητα ή ήχο. Τις περισσότερες φορές, το τελικό αποτέλεσμα της αλλαγής είναι η θερμότητα και το φως. Μετά από αυτό, η ενέργεια πηγαίνει στον περιβάλλοντα χώρο.
Ο νόμος της ενέργειας μπορεί να εξηγήσει πολλά φυσικά φαινόμενα. Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι ο συνολικός όγκος του στο σύμπαν παραμένει συνεχώς αμετάβλητος. Κανείς δεν μπορεί να δημιουργήσει εκ νέου ενέργεια ή να την καταστρέψει. Αναπτύσσοντας έναν από τους τύπους του, οι άνθρωποι χρησιμοποιούν την ενέργεια του καυσίμου, του νερού που πέφτει, ενός ατόμου. Ταυτόχρονα, μια από τις μορφές της μετατρέπεται σε μια άλλη.
Το 1918, οι επιστήμονες μπόρεσαν να αποδείξουν ότι ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας είναι μια μαθηματική συνέπεια της μεταφραστικής συμμετρίας του χρόνου - της τιμής της συζυγούς ενέργειας. Με άλλα λόγια, η ενέργεια διατηρείται λόγω του γεγονότος ότι οι νόμοι της φυσικής δεν διαφέρουν σε διαφορετικούς χρόνους.
Ενεργειακά χαρακτηριστικά
Ενέργεια είναι η ικανότητα ενός σώματος να κάνει δουλειά. Σε κλειστόφυσικά συστήματα, διατηρείται καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου (όσο το σύστημα είναι κλειστό) και είναι ένα από τα τρία προσθετικά ολοκληρώματα κίνησης που διατηρούν την τιμή κατά τη διάρκεια της κίνησης. Αυτά περιλαμβάνουν: ενέργεια, γωνιακή ορμή, ορμή. Η εισαγωγή της έννοιας της «ενέργειας» είναι κατάλληλη όταν το φυσικό σύστημα είναι ομοιογενές χρονικά.
Εσωτερική ενέργεια των σωμάτων
Είναι το άθροισμα των ενεργειών των μοριακών αλληλεπιδράσεων και των θερμικών κινήσεων των μορίων που το αποτελούν. Δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα γιατί είναι μια σαφής συνάρτηση της κατάστασης του συστήματος. Κάθε φορά που ένα σύστημα βρίσκεται σε μια δεδομένη κατάσταση, η εσωτερική του ενέργεια έχει την εγγενή του αξία, ανεξάρτητα από την ιστορία της ύπαρξης του συστήματος. Η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας κατά τη μετάβαση από τη μια φυσική κατάσταση στην άλλη είναι πάντα ίση με τη διαφορά μεταξύ των τιμών της στην τελική και αρχική κατάσταση.
Εσωτερική ενέργεια αερίου
Εκτός από τα στερεά, τα αέρια έχουν και ενέργεια. Αντιπροσωπεύει την κινητική ενέργεια της θερμικής (χαοτικής) κίνησης των σωματιδίων του συστήματος, τα οποία περιλαμβάνουν άτομα, μόρια, ηλεκτρόνια, πυρήνες. Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου (μαθηματικό μοντέλο αερίου) είναι το άθροισμα των κινητικών ενεργειών των σωματιδίων του. Αυτό λαμβάνει υπόψη τον αριθμό των βαθμών ελευθερίας, που είναι ο αριθμός των ανεξάρτητων μεταβλητών που καθορίζουν τη θέση του μορίου στο διάστημα.
Ενεργειακή χρήση
Κάθε χρόνο η ανθρωπότητα καταναλώνει όλο και περισσότερους ενεργειακούς πόρους. Τις περισσότερες φορές για ενέργεια,απαραίτητες για το φωτισμό και τη θέρμανση των σπιτιών μας, τη λειτουργία οχημάτων και διάφορων μηχανισμών, χρησιμοποιούνται ορυκτές υδρογονάνθρακες όπως άνθρακας, πετρέλαιο και φυσικό αέριο. Είναι μη ανανεώσιμοι πόροι.
Δυστυχώς, μόνο ένα μικρό κλάσμα της ενέργειας του πλανήτη μας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές όπως το νερό, ο άνεμος και ο ήλιος. Μέχρι σήμερα, το μερίδιό τους στον ενεργειακό τομέα είναι μόλις 5%. Ένα άλλο 3% των ανθρώπων λαμβάνει με τη μορφή πυρηνικής ενέργειας που παράγεται σε πυρηνικούς σταθμούς.
Οι μη ανανεώσιμοι πόροι έχουν τα ακόλουθα αποθέματα (σε joule):
- πυρηνική ενέργεια - 2 x 1024;
- ενέργεια φυσικού αερίου και πετρελαίου – 2 x 10 23;
- εσωτερική θερμότητα του πλανήτη - 5 x 1020.
Ετήσια αξία των ανανεώσιμων πηγών της Γης:
- ηλιακή ενέργεια - 2 x 1024;
- άνεμος - 6 x 1021;
- ποτάμια - 6, 5 x 1019;
- θαλάσσιες παλίρροιες - 2,5 x 1023.
Μόνο με την έγκαιρη μετάβαση από τη χρήση των μη ανανεώσιμων αποθεμάτων ενέργειας της Γης σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η ανθρωπότητα έχει μια ευκαιρία για μια μακρά και ευτυχισμένη ύπαρξη στον πλανήτη μας. Για την υλοποίηση εξελίξεων αιχμής, οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο συνεχίζουν να μελετούν προσεκτικά τις διάφορες ιδιότητες της ενέργειας.
