Превращение энергии - виды, основные законы и примеры

Фундаментальные принципы

Слово «энергия» имеет множество применений в повседневной жизни, в областях, не имеющих никакого отношения к физике. Например, подвижного человека могут назвать энергичным. Но в науке есть строгое определение понятию. Чтобы выполнить какое-либо действие, нужно совершить работу. Но для этого что-то нужно.

Человека — покормить, простейший механизм —завести, какой-то предмет — поднять и опустить.

Таким образом, о телах или их системах говорят, что если они способны совершить работу, то имеют энергию. Другими словами, характеризуются физической величиной, описывающей способность совершать действие. Обозначать энергию принято латинской буквой E, а измерять в джоулях [Дж]. В системе же СГС (сантиметр-грамм-секунда) за количественную единицу принимают [эрг] или [г * см² / с²].

Впервые слово «энергия» упомянул в своих работах Аристотель. Под ним он понимал действие. Лейбниц использовал термин «живая сила», который определял, как произведение массы тела на квадрат скорости. Он высказал предположение, что утраченная при совершении работы сила не исчезает, а переходит к другим атомам. Например, при трении. Но лишь в 1807 году Томас Юнг не только ввёл в обиход слово «энергия», но и предсказал существование двух её видов.

В учёном мире долго велись споры, что же, по сути, представляет собой параметр — субстанцию или только величину. В результате большая часть физиков склонилась к тому, что это просто физическое значение, характеризующее движение или его изменение. Сегодня считается, что энергия — скалярная величина, используемая в качестве меры различных форм работы и взаимодействия материй, а также преобразования субстанции из одной формы в другую.

Пожалуй, важным принципом в природе является закон сохранения энергии. Установлен он был опытным путём. Его смысл заключается в том, что при любой работе в замкнутой системе, происходит взаимопревращение энергии из одной формы в другую. То есть она ниоткуда не берётся и никуда не исчезает, а лишь может преобразовываться.

Ричард Фейнман в 1961 году заявил, что исключений из этого закона не существует, и он абсолютно точен. По существу, это математический принцип, согласно которому есть некоторая численная величина, которая постоянна при любых обстоятельствах.

Это — не описание механизма, а сущность природного явления.

Виды энергии

В природе взаимные превращения энергии определяются способностью тел выполнять тот или иной вид работы. Так как это просто количественная мера, её можно измерить лишь при каком-либо изменении. Вызвать же последнее могут любые процессы, относящиеся к различным отраслям науки. В отличие от материи, о которой можно утверждать, что она существует, энергия — плод человеческого предположения.

В зависимости от природы превращения, различают следующие её виды:

1. Механический — возникает при перемещении физических тел или частиц, а также при их взаимодействии. Например, вращение, деформирование при сгибании, сжатие, растяжение. Такой вид энергии проявляется при работе механических и технологических машин, ГЭС.
2. Тепловой — появляется из-за хаотичного движения элементарных носителей или колебаний атомов кристаллической решётки. Например, при сжигании, плавлении, сушки, выпаривании и других многочисленных технологических процессах.
3. Электрический— проявляется при протекании электрического тока в цепи. Отличается от других видов способностью легко передаваться на большие расстояния с огромной скоростью. Используется в двигателях, радиоэлектронных устройствах. Сегодня способы использования электрических преобразований определяют уровень технического прогресса.
4. Химический — высвобождается при протекании реакций из-за разрушения межатомных связей. Чаще всего является побочным продуктом.
5. Магнитный — тесно связан с электрическим. Обусловлен природными свойствами постоянных магнитов и существованием электромагнитного поля. По сути — энергия, проявляющаяся в виде излучения.
6. Ядерный — высвобождается при распаде изотопов, делении тяжёлых или синтезе лёгких ядер. В природе выделяется в звёздах. Используется для создания оружия и в энергетике. Этот тип содержится в больших количествах в атомах.
7. Гравитационный — обусловлен взаимным тяготением массивных тел. Характерен для космического пространства. Например, эта энергия тела, поднятого на определённую высоту над поверхностью Земли.

Учёные не исключают возможность существования и других типов. При этом переход энергии из одного вида в другой может происходить как последовательно, так и параллельно.

Например, превращение световой в химическую, механической — в электрическую и тепловую.

Потенциальный и кинетический тип

Чаще всего в физике превращение энергии рассматривают как зависимость между запасённым её значением для работы и набираемой при движении. Так как величина — это способность совершать телом действие, классифицировать её можно не только по форме, но и учитывая изменение положения. В зависимости от этого она может быть двух видов:

• потенциальная;
• кинетическая.

Для понимания отличия одного вида от другого лучше всего рассмотреть пример. Пусть есть часы с маятником и гирей. Когда последняя опускается, за счёт работы силы тяжести приводится в действие механизм часов. Значит, поднятая гиря обладает энергией. Если эти часы разместить в космосе, идти они не будут. Всё дело в том, что там груз не имеет веса, так как отсутствует сила, с которой Земля действует на гирю. Следовательно, запасённой энергии у тела не будет. Значит, для примера характерно взаимодействие.

Похожие действия происходят при скручивании пружины, возникновение силы упругости при деформации. Энергия, обусловленная взаимодействием тел или частей одного вещества, носит название потенциальной. Её вычисление зависит от выбранной системы. Значение для тела, поднятого над Землёй, можно определить, как Ep = m*g*h, где:

• m — масса;
• g — ускорение свободного падения;
• h — высота.

Например, когда тело поднимают по наклонной плоскости, ему сообщают потенциал. Фактически это полезная работа. Следует отметить, что Ep зависит, от какого уровня ведётся отсчёт высоты. Но при этом следует учитывать, что работа равна изменению.

Другая ситуация. Пусть нужно забить гвоздь в стену. Чтобы это сделать, нужно отвести инструмент в сторону, а после нанести удар. Другими словами, разогнать молоток. Перед тем как коснуться шляпки гвоздя, инструмент наберёт скорость, которая и позволяет совершить работу по забиванию. Получается, что любое движущееся тело обладает энергией. Называется она кинетической. Её значение зависит от массы тела и скорости. Находится она по формуле: Ek = m * v² / 2, где:

• m — вес тела;
• v — скорость движения.

Эти 2 вида тесно связаны между собой. При этом очень часто при различных действиях происходит преобразование одного типа в другой. В окружающем мире можно самостоятельно наблюдать, как преобразовывается энергия. Например, при движении любого тела вниз.

Примеры превращения

Поднятая гиря над Землёй обладает каким-то потенциальным значением. Если тело отпустить, она будет уменьшаться. При этом скорость гири по мере движения вниз начнёт увеличиваться. Значит, можно утверждать, что кинетическая энергия будет возрастать. Получается, что уменьшение значения первой сопровождается приростом величины второй.

Правда, для этого должны выполняться некоторые условия. Например, эту гирю можно спустить с наклонной плоскости. В этом случае будет присутствовать трение. В результате движение может быть равномерным. Так как тело опускается, его потенциальная величина снижается, но из-за того, что нет разгона, кинетическое значение не изменяется, поэтому в этом случае энергия преобразовываться не будет.

Если тело захотеть подбросить, ему нужно сообщить Ek за счёт работы бросающего. Но в какой-то момент кинетическое значение, которым обладает тело, станет равным нулю, и оно остановится.

Зато в этот момент потенциальная работа достигнет наибольшей величины.

Таким образом, можно утверждать, что если в системе отсутствует трение, превращаться энергия из одного вида в другой будет симметрично: насколько уменьшается одна, на столько же произойдёт приращение другой. Значит, их сумма будет постоянной величиной. Называется она внутренней энергией.

Наглядно увидеть, как преобразуется энергия, можно на устройстве, которое называется нитяной маятник. Состоит они из кронштейна, на котором подвешен шар. Если тело отводить в сторону, для этого нужно прикладывать силу, то есть совершать работу. Она идёт на сообщение потенциала. В тот момент, когда шар отпускается, он под действием силы тяжести стремится опуститься.

Высота становится меньше, и потенциал уменьшается. В самой нижней точке он будет равняться нулю. Зато Ek наберёт своё максимальное значение. Но тела обладают свойством инерции, и шар начнёт снова подниматься. Сопротивление воздуха — ничтожно малая величина, поэтому тело займёт ту же самую высоту, но с противоположной стороны. Его потенциал опять вырастет, поэтому можно сказать, что какие превращения энергии бы не проходили, мерой преобразования будет работа.

В качестве яркого примера перехода можно описать работу бытового нагревателя. Электрическая энергия поступает на спираль, которая оказывает сопротивление току. В результате происходит превращение электричества в свет и тепло.