Energia (fizyka)

Uderzeniepiorunajest przykładem przemian energii

Wyładowanie elektrycznewkuli plazmowej

Energia(gr.ενεργειαenergeia odἔργονergon „praca” ) –skalarnawielkość fizycznacharakteryzującastanukładu fizycznego(materii)jako jego zdolność do wykonaniapracy.

Energia występuje w różnych postaciach np.:energia kinetyczna,energia potencjalna,energia sprężystości,energia cieplna,energia jądrowa.

Energia może zmieniać swoją postać, jednak nie może być tworzona ani niszczona (zasada zachowania energii).Np.produkcja energiiw elektrowni węglowej oznacza tylko przekształcenie energii chemicznej w elektryczną.

Z punktu widzeniatermodynamikiniektóre formy energii sąfunkcjami stanuipotencjałami termodynamicznymi.Energia i jej zmiany opisują stan i wzajemneoddziaływaniaobiektów fizycznych(ciał,pól,cząstek,układów fizycznych),przemiany fizyczneichemiczneoraz wszelkiego rodzajuprocesywystępujące w przyrodzie.W termodynamice, energię która może zostać zamieniona na pracę w określonych warunkach nazywa sięenergią swobodną.

Energia jest wielkościąaddytywną.

Energię we wzorach fizycznych zapisuje się najczęściej za pomocą symboluE.

Gęstość energii

Stanośrodka ciągłegolub pola fizycznego charakteryzujegęstość energii– skalarna wielkość fizyczna równa energiizawartejw jednostceobjętościorazstrumień energii–wektorowawielkość fizyczna równailoczynowigęstości energii iprędkościprzemieszczania się jej w danym ośrodku.

Stan układu

Energia charakteryzuje stan równowagi układu i odchylenia od tego stanu. Układy fizyczne w stanach stacjonarnych lub podstawowych charakteryzowane są energią, której wartość jest minimalna.W związku z rozpraszaniem się (dyssypacją) energii obserwuje sięsamorzutneprzechodzenie układów ze stanów o dużej energii do stanów o najmniejszej energii zwanych podstawowymi.

Energia a praca

Jeśli dany układ fizyczny ma w pewnym stanie energię mechaniczną większą o pewną wartość od energii w innym stanie, oznacza to, że jest on w stanie wykonać pracę nad innymi ciałami. Wartość tej pracy równa jest różnicy energii między tymi stanami, jeżeli energia wewnętrzna pozostaje stała.

Energia jest miarą zdolności układu fizycznego (materii) do wykonaniapracylub spowodowania przepływuciepła.W procesach, w których jeden rodzaj energii zamienia się w inny (np. w procesie grzania grzejnikiem energia ładunków elektrycznych w spirali może zamienić się w energię wewnętrzną otaczającego spiralę powietrza i energię wewnętrzną samego grzejnika), związanych zawsze z jakiegoś rodzaju oddziaływaniami (w przywołanym przykładzie jest to oddziaływanie elektronów z siecią krystaliczną spirali) praca sił opisujących te oddziaływania jest równa ilości przemienianej energii.

Przepływ energii

Zgodnie z przyjętym sposobem opisu procesów fizycznych energia może być w tych procesach przekazywana (przenoszona) z jednego obiektu (układu) fizycznego do drugiego, a różnym procesom fizycznym odpowiadają różne postacie (formy) energii, które mogą w tych procesach zmieniać się (przekształcać) w inne.

Energiaukładu odosobnionego(izolowanego) jest stała, choć mogą zmieniać się jej formy i może być przekazywana z jednej części układu do innej (zasada zachowania energii).Zgodnie ztwierdzeniem Noetherzasada zachowania energii wynika z symetrii translacji czasowej (co można interpretować jako taką właściwość świata, zgodnie z którą prawa fizyki dzisiaj są takie same jak były wczoraj).

Ze względu na zasadę zachowania energii i związek tej zasady z symetrią translacji czasowej, energia jest jedną z podstawowych wielkości fizycznych.

Energia w teorii względności

Wszczególnej teorii względnościcałkowita energia relatywistyczna danego obiektu fizycznego jest składową czasowączteropędutego obiektu.

Zgodnie z wynikającą ze szczególnej teorii względnościzasadą równoważności masy i energiimasa spoczynkowadanego obiektu fizycznego jest jegoenergią spoczynkową(energią wukładzie odniesieniazwiązanym z obiektem, nazywanym układem spoczynkowym tego obiektu), określoną wzorem$E_{0}=m_{0}c^{2}$i w pewnych warunkach może być przekształcona wenergię kinetyczną(oraz energia kinetyczna w spoczynkową), zaś całkowite energie relatywistyczne poszczególnych części układu (mierzone wukładzie odniesienia środka pęduukładu) są składnikami energii (masy) spoczynkowej układu.

Wedługogólnej teorii względnościrozkład energii ipędujest źródłem zakrzywieniaczasoprzestrzeni,które to zakrzywienie opisujegrawitację.

Przykłady form energii

• energia mechaniczna
  • energia kinetyczna
  • energia potencjalna
• energia elektryczna
• energia magnetyczna(jednostką jest J/m³)
• energia chemiczna
• energia jądrowa
• energiapotencjałów termodynamicznych

Jednostki energii

Jednostką energii wukładzie SIjestdżul[J].

Inne jednostki:

• kilogramometr[kGm]
• kilowatogodzina[kWh]
• kaloria[cal]
• elektronowolt[eV]
• erg[erg]

Metody uzyskiwania energii

Grzyb atomowynadNagasakiw1945roku – skutek wybuchubomby jądrowej

Najbardziej wydajną metodą uzyskiwania energii, z jednostki masy nośnika, leżącą w zasięgu możliwości technicznych ludzkości jest reakcja syntezy jądrowej. Kilkadziesiąt razy mniejszą wydajność teoretycznie można uzyskać w wyniku rozpadu jąder atomowych. Największą praktyczną wydajność osiągają już istniejące elektrownie atomowe, w których z jednostki masy uzyskuje się mniej niż jeden procent energii rozpadu jąder izotopu uranu235
U,co odpowiada około 1/30000 energii odpowiadającej masie paliwa. Ilość utraconej przez układ określadefekt masy:

$E=\Delta mc^{2}=\mathrm {1\ kg\cdot \left(3\cdot 10^{8}{\frac {m}{s}}\right)^{2}=9\cdot 10^{16}\ J}$

Zobacz też

• ciepło
• kwant energii
• praca
• termodynamika

Linki zewnętrzne

• Andrzej Staruszkiewicz,Krótka historia pojęcia energii,„Foton”,nr 114, 2011.

Nagrania naYouTube[dostęp 2023-05-22]:

• Sabine Hossenfelder,What is Energy? Is Energy conserved?(ang.),kanał autorski, 31 października 2020;
• Don Lincoln,What is energy?(ang.),kanałFermilabu,27 maja 2022.