Перетворення енергії — види, основні закони, приклади

Одним з найважливіших постулатів у фізиці є закон збереження енергії. Згідно з ним, енергія існує в певній кількості, при цьому її значення незмінне.

При виконанні роботи відбувається перетворення енергії з одного виду в інший. При цьому вона може також передаватися між тілами, наприклад, пружина з вантажем. Це явище використовується в безлічі сучасних технологій. Причому правила перетворення справедливі як для мікро-, так і для макросвіту.

Фундаментальні принципи

Слово “енергія” має безліч застосувань в повсякденному житті, в областях, що не мають ніякого відношення до фізики. Наприклад, людини що рухається можуть назвати енергійною. Але в науці є суворе визначення поняття “енергія”. Щоб виконати будь-яку дію, потрібно зробити роботу. Але для цього щось потрібно. Наприклад:

• людину – погодувати;
• найпростіший механізм – завести;
• якийсь предмет – підняти і опустити.

Таким чином, про тіла або їх системи говорять, що якщо вони здатні зробити роботу, то вони мають енергію. Іншими словами, такі тіла характеризуються фізичною величиною, що описує здатність здійснювати дію.

Позначати енергію прийнято латинською літерою E, а вимірювати в джоулях [Дж]. В системі ж СГС (сантиметр-грам-секунда) за кількісну одиницю приймають [Ерг] або [г * см²/с²].

Вперше слово “енергія” згадав у своїх роботах Аристотель. Під ним він розумів дію. Лейбніц використовував термін “жива сила”, який визначав, як добуток маси тіла на квадрат швидкості. Він висловив припущення, що втрачена при здійсненні роботи сила не зникає, а переходить до інших атомів. Але лише в 1807 році Томас Юнг не тільки ввів в ужиток слово «енергія», а й передбачив існування двох її видів.

У вченому світі довго велися суперечки, що ж, по суті, являє собою енергія — субстанцію або тільки величину. В результаті більша частина фізиків схилилася до того, що це просто фізичне значення, що характеризує рух або його зміну.

Сьогодні вважається, що енергія – це скалярна величина, яка використовується як міра різних форм роботи і взаємодії матерій, а також перетворення субстанції з однієї форми в іншу.

Мабуть, одним з найважливіших принципів в природі є закон збереження енергії. Встановлений він був дослідним шляхом. Його сенс полягає в тому, що при будь-якій роботі в замкнутій системі відбувається взаємоперетворення енергії з однієї форми в іншу. Тобто вона нізвідки не береться і нікуди не зникає, а лише може перетворюватися.

Річард Фейнман в 1961 році заявив, що винятків з цього закону не існує, і він був абсолютно правий. По суті, це математичний принцип, згідно з яким є деяка чисельна величина, яка постійна за будь-яких обставин.

Це – не опис механізму, а сутність природного явища.

Види енергії

У природі взаємні перетворення енергії визначаються здатністю тіл виконувати той чи інший вид роботи. Оскільки це просто кількісна міра, то її можна виміряти лише при будь-якій зміні. Викликати ж останнє можуть будь-які процеси, що належать до різних галузей науки.

На відміну від матерії, про яку можна стверджувати, що вона існує, енергія — плід людського припущення.

Залежно від природи перетворення, розрізняють такі її види:

• Механічна – виникає при переміщенні фізичних тіл або частинок, а також при їх взаємодії. Наприклад, обертання, деформування при згинанні, стиснення, розтягнення. Такий вид енергії проявляється при роботі механічних і технологічних машин, ГЕС.
• Теплова – з’являється через хаотичний рух елементарних носіїв або коливань атомів кристалічної решітки. Наприклад, при спалюванні, плавленні, сушінні, випаровуванні та інших численних технологічних процесах.
• Електрична – проявляється при протіканні електричного струму в ланцюзі. Відрізняється від інших видів здатністю легко передаватися на великі відстані з величезною швидкістю. Використовується у двигунах, радіоелектронних пристроях. Сьогодні способи використання електричних перетворень визначають рівень технічного прогресу.
• Хімічна – вивільняється при протіканні реакцій через руйнування міжатомних зв’язків. Найчастіше є побічним продуктом.
• Магнітна – тісно пов’язана з електричною. Вона обумовлена природними властивостями постійних магнітів і існуванням електромагнітного поля. По суті – це енергія, що проявляється у вигляді випромінювання.
• Ядерна – вивільняється при розпаді ізотопів, діленні важких або синтезі легких ядер. У природі виділяється в зірках. Використовується для створення зброї та в енергетиці. Цей тип міститься у великих кількостях в атомах.
• Гравітаційна – обумовлений взаємним тяжінням масивних тіл. Характерна для космічного простору. Наприклад, гравітаційна енергія – це енергія тіла, піднятого на певну висоту над поверхнею Землі.

Вчені не виключають можливість існування і інших типів. При цьому перехід енергії з одного виду в інший може відбуватися як послідовно, так і паралельно. Наприклад, перетворення світлової енергії в хімічну, механічної — в електричну і теплову.

Потенційний і кінетичний тип енергії

Найчастіше у фізиці перетворення енергії розглядають як залежність між запасеним її значенням для роботи і тим, що набирається при русі. Оскільки величина — це здатність здійснювати тілом дію, класифікувати її можна не тільки за формою, але і з огляду на зміну положення.

Залежно від цього вона може бути двох видів:

• потенційна;
• кінетична.

Для розуміння відмінності одного виду від іншого найкраще розглянути приклад. Нехай є годинник з маятником і гирею. Коли остання опускається, внаслідок роботи сили тяжіння, приводиться в дію механізм годинника. Значить, піднята гиря володіє енергією. Якщо цей годинник розмістити в космосі, йти вони не будуть. Річ у тому, що там вантаж не має ваги, оскільки відсутня сила, з якою Земля діє на гирю. Отже, запасеної енергії у тіла не буде. Значить, для прикладу характерна взаємодія.

Схожі дії відбуваються при скручуванні пружини, коли виникає сила пружності при деформації. Енергія, обумовлена взаємодією тіл або частин однієї речовини, має назву потенційної. Її обчислення залежить від обраної системи. Значення для тіла, піднятого над землею, можна визначити, як

Ep = m * g* h

де:

• m – маса;
• g – прискорення вільного падіння;
• h – висота.

Наприклад, коли тіло підіймають по похилій площині, йому повідомляють потенціал. Фактично – це корисна робота. Слід зазначити, що Ep залежить, від того, з якого рівня ведеться відлік висоти. Але при цьому слід враховувати, що робота дорівнює зміні енергії.

Інша ситуація. Нехай потрібно забити цвях в стіну. Щоб це зробити, потрібно відвести інструмент в сторону, а після нанести удар. Іншими словами, розігнати молоток. Перед тим, як торкнутися капелюшки цвяха, інструмент набере швидкість, яка і дозволяє зробити роботу по забиванню.

Виходить, що будь-яке рухоме тіло володіє енергією. Називається вона кінетичною. Її значення залежить від маси тіла і швидкості. Знаходиться вона за формулою:

Ek = m * v²/2

де:

• m – вага тіла;
• v – швидкість руху.

Ці 2 види енергії тісно пов’язані між собою. При цьому дуже часто при різних діях відбувається перетворення одного типу в інший. У навколишньому світі можна самостійно спостерігати, як перетворюється енергія. Наприклад, при русі будь-якого тіла вниз.

Приклади перетворення

Піднята гиря над землею володіє якимось потенційним значенням. Якщо тіло відпустити, вона буде зменшуватися. При цьому швидкість гирі, в міру руху вниз, почне збільшуватися. Значить, можна стверджувати, що кінетична енергія буде зростати. Виходить, що зменшення значення першого виду енергії супроводжується приростом другого.

Правда, для цього повинні виконуватися деякі умови. Наприклад, цю гирю можна спустити з похилої площини. В цьому випадку буде присутнє тертя. В результаті рух може бути рівномірним. Оскільки тіло опускається, його потенційна величина знижується, але через те, що немає розгону, кінетичне значення не змінюється, тому в цьому випадку енергія перетворюватися не буде.

Якщо тіло підкинути, йому потрібно повідомити Ek внаслідок роботи того, хто його підкидає. Але в якийсь момент кінетичне значення, яким володіє тіло, стане рівним нулю, і воно зупиниться.

Зате в цей момент потенційна робота досягне найбільшої величини.

Таким чином, можна стверджувати, що якщо в системі відсутнє тертя, енергія буде перетворюватися з одного виду в інший симетрично: наскільки зменшується одна енергія тіла, на стільки ж збільшується інша. Значить, їх сума буде постійною величиною. Називається вона внутрішньою енергією.

Наочно побачити, як перетворюється енергія, можна на пристрої, який називається нитяним (нитковим) маятник. Складається він з кронштейна, на якому підвішена куля. Якщо тіло відводити в сторону, для цього потрібно прикладати силу, тобто здійснювати роботу. Вона йде на повідомлення потенціалу. У той момент, коли куля відпускається, вона, під дією сили тяжіння, прагне опуститися.

Висота стає менше, і потенціал зменшується. У найнижчій точці він буде дорівнювати нулю. Зате Ek набере своє максимальне значення. Але тіла мають властивість інерції, тому куля почне знову підійматися.

Опір повітря – це мізерно мала величина, тому тіло підійметься на ту ж саму висоту, але з протилежного боку. Його потенціал знову виросте, тому можна сказати, що які перетворення енергії б не проходили, мірою перетворення буде робота.

Як яскравий приклад переходу можна описати роботу побутового нагрівача. Електрична енергія надходить на спіраль, яка чинить опір струму. В результаті відбувається перетворення електрики у світло і тепло.