Energija

Transformacija energije: tokom udara groma, 500 megadžula električne potencijalne energije se pretvara u ekvivalentnu veličinu energije svetla, energije zvuka i toplotne energije

U fizici, energija (grč. ἐνέργεια - delanje, rad, živahnost) je sposobnost vršenja rada, odnosno svojstvo koje mora biti preneto na objekat da bi izvršio rad, ili se zagrejao. Energija se ne može stvoriti ni uništiti, već samo promijeniti oblik.

U svemiru ne postoje tijela i sustavi koji ne posjeduju energiju. Energiju se ne može uništiti, ona prelazi iz jednog oblika u drugi, s jednog tijela na drugo i uvijek u skladu sa zakonom očuvanja energije. Na primer, baterija pretvara hemijsku energiju u električnu, koja se potom može pretvoriti u toplotu ili svetlost.

U fizici je energija tesno povezana sa pojmom entropije. Istraživanjima primjene energije u svakodnevnom životu, energetskim izvorima, i utjecajima na okoliš bavi se energetika. Izračunavanje energije je jedan od bitnijih zadataka u tehnici.

Znanja o načinima pretvaranja raznih oblika energije u mehnički rad temelj su tehnološkog napretka i ljudske civilizacije.

Istorija

Klasična mehanika

$\mathbf {F} ={\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}(m\mathbf {v} )$ drugi Newtonov zakon

povijest klasične mehanike kronologija klasične mehanike Grane statika • dinamika/kinetika • kinematika • primjenjena mehanika • nebeska mehanika • mehanika kontinuuma • statistička mehanika Formulacije Newtonova mehanika (vektorska mehanika) analitička mehanika: Lagrangeova mehanika Hamiltonova mehanika Osnovni koncepti prostor • vrijeme • brzina • masa • ubrzanje • gravitacija • sila • impuls sile • spreg sila/moment sile • količina gibanja • kutna količina gibanja • tromost • moment tromosti • referentni okvir • energija • kinetička energija • potencijalna energija • rad • virtualni rad • D'Alembertovo načelo Ključne teme kruto tijelo • dinamika krutog tijela • Eulerove jednadžbe gibanja • gibanje • Newtonovi zakoni gibanja • Newtonov zakon gravitacije • jednadžbe gibanja • inercijski referentni okvir • neinercijski referentni okvir • rotirajući referentni okvir • fiktivna sila • mehanika ravninskog gibanja krutog tijela • pomak (vektor) • relativna brzina • trenje • jednostavno harmonijsko gibanje • harmonijski oscilator • vibracije • prigušenje • koeficijent prigušenja • Rotacijsko gibanje • Kružno gibanje • jednoliko kružno gibanje • nejednoliko kružno gibanje • centripetalna sila • centrifugalna sila • centrifugalna sila (rotacijski referentni okvir) • reaktivna centrifugalna sila • Coriolisov učinak • fizičko njihalo • rotacijska brzina • kutno ubrzanje • kutna brzina • kutna frekvencija • kutni pomak Znanstvenici Isaac Newton • Jeremiah Horrocks • Leonhard Euler • Jean le Rond d'Alembert • Alexis Clairaut • Joseph Louis Lagrange • Pierre-Simon Laplace • William Rowan Hamilton • Siméon-Denis Poisson

Izraz energija (grč. ένέργεια) u značenju živahan, se prvi put najverovatnije pojavila u radu Aristotela u 4. veku pre nove ere.

Izučavanje potencijalne i kinetičke energije u mehaniku su uveli Galilei, Newton i Leibniz, a formulacije zakona očuvanja energije dugujemo Lagrangeu i von Helmholtzu.

Tomas Jang je prvi 1807. godine koristio termin energija umesto do tadašnjeg termina vis viva (živa sila), u modernom značenju. Gaspar Gistav Koriolis je opisao kinetičku energiju 1829, a 1853, je Vilijam Rankin definisao termin potencijalna energija.

Razvoj parne mašine je zahtevao od inženjera da razviju pojmove i formule koji su im omogućili da opišu mehaničku i toplotnu efikasnost njihovih sistema. Mehaničku narav topline u 19. stoljeću dokazali su Joule i Mayer. Priroda energije je i dalje bila neuhvatljiva i godinama je izazivala rasprave.

Viljem Tomson (Lord Kelvin) je spojio sve prethodne zakone u svoj zakon termodinamike, što je pomoglo ubrzanom razvoju energetskom pristupu opisa hemijskih reakcija Rudolfa Klausijusa, Vilarda Gibsa i Voltera Nernsta. Dodatno, ovo je omogućilo Ludvigu Bolcmanu da opiše entropiju matematičkim pojmovima i da zajedno sa Jožefom Štefanom razmatra zakon o energiji zračenja.

Konačnu formulaciju zakona očuvanja energije dao je Einstein (1905.): "Ako tijelo predaje energiju u obliku zračenja, masa mu se umanjuje za E/c²", što je slavna jednadžba ekvivalencije mase i energije:

$E=m\cdot c^{2}$

Oblici energija

Postoje mnogi oblici energije, među kojima su:

• potencijalna energija: postoji kao posledica položaja koji objekat ima u odnosu na druge objekte;
• kinetička energija: koja je posledica kretanja tela;
• hemijska energija: koja je posledica hemijskih veza među atomima supstance objekta;
• električna energija: koja je posledica naelektrisanja objekta;
• toplotna energija: postoji kao posledica zagrejanosti tela;
• nuklearna energija: koja postoji kao posledica nestabilnosti atomskih jezgara objekta
• elektromagnetna energija: je energija zračenja, što može biti svetlost, radio-talasi ili drugi pojavni oblik istog fenomena elektromagnetnog zračenja.

Svi oblici energije kao što su toplotna, hemijska, električna, zračenje, nuklearna itd. mogu biti posmatrani ili kao kinetička ili kao potencijalna energija. Na primer toplotna energija je suštinski kinetička energija atoma i molekula; hemijska energija može biti zamišljena kao potencijalna energija atoma unutar molekula; električna energija se može shvatiti kao potencijalna i kinetička energija elektrona; nuklearna energija se na sličan način može posmatrati kao potencijalna energija subatomskih čestica.

Kinetička energija

Kinetička energija je energija tijela u gibanju.

Kinetička energija (prema grč. ϰıνητıϰός: koji se giba, koji pokreće; oznaka E_k) je energija tijela u gibanju. Mjera joj je rad što ga tijelo može izvršiti, svladavajući vanjske sile, prije nego što dođe u stanje mirovanja. Ona je veća što se čestice brže gibaju i što imaju veću masu. Za tijelo mase m koje se giba brzinom v kinetička energija je:

$E_{k}={\frac {m\cdot v^{2}}{2}}$

Ovo vrijedi samo za brzine mnogo manje od brzine svjetlosti. Kinetička energija, kao i svi drugi oblici energije, ne može nastati niti nestati nijednim čovjeku poznatim načinom. Energija samo mijenja svoje stanje i prelazi iz jednog oblika u drugi, o čemu govori zakon očuvanja energije. Temperatura je mjera prosječne kinetičke energije čestica i unutarnje energije tijela.

Potencijalna energija

Potencijalna energija je energija koju posjeduje neko tijelo zbog svojega položaja u prostoru.

Potencijalna energija (oznaka E_p) je energija koju posjeduje neko tijelo zbog svojega položaja u prostoru ili zbog dobivenih elastičnih deformacija (na primjer rastegnuta ili stisnuta opruga, savijeni štap i slično). Prelaskom tijela u novi položaj ili oslobađanjem njegovih deformacija, potencijalna energija može prijeći u kinetičku energiju tijela ili izvršiti određeni rad. Tako na primjer kamen padajući gubi visinu, čime mu se smanjuje potencijalna energija, a povećava kinetička zbog rastuće brzine. Stisnuta ili rastegnuta opruga, oslobađajući deformacije, može nekomu tijelu davati kinetičku energiju ili svladavati neke otpore. Potencijalna energija vezana je za sile koje djeluju na tijelo. Tako je potencijalna funkcija tijela težine G = m ∙ g na visini h, mjereno od neke proizvoljno odabrane nulte razine,

$E_{p}=G\cdot h=m\cdot g\cdot h$,

a potencijalna funkcija opruge konstante krutosti c rastegnute za duljinu x:

$E_{p}=c\cdot {\frac {x^{2}}{2}}$

Sile su na ta dva tijela tada prve derivacije pripadnih potencijalnih energija po koordinati položaja h, odnosno x, usmjerene suprotno od pozitivnoga prirasta tih koordinata. Nekonzervativne sile (otpori, trenja) nemaju potencijalnu funkciju. Potencijalna energija relativna je veličina, a nulta se razina određuje proizvoljno.

Pojam potencijalne energije vezuje se i uz stlačene plinove, kemijsku i toplinsku energiju, električna potencijalna polja, energiju vezanu uz jezgre atoma i drugo.

Mjerne jedinice

Internacionalne mjerne jedinice energije jesu:

• džul (J), nazvana u čast Džejmsa Preskota Džula i njegovih eksperimenata kojima je dokazao ekvivalenciju mehaničke i toplotne energije. Jedan džul jednak je jednom njutn-metru, kao radu koji izvrši sila od jednog njutna pri pomeranju tela na putu od jednog metra.
• elektronvolt (eV ≈ 1,602 177 33 × 10⁻¹⁹ J), jedinica energije u nuklearnoj fizici, obzirom da su redovi veličina izrazito mali.
• te umnošci zakonitih jedinica snage i vremena, na primjer kilovatsat (1 kWh = 3,6 MJ).

Zastarjele su mjerne jedinice energije:

• erg (erg = 10⁻⁷ J)
• kilopondmetar (1 kpm = 9,8066 J)
• te za toplinu i energijsku vrijednost hrane kalorija (1 cal = 4,1868 J).

Povezano

Energija na Wikimedijinoj ostavi

• Ekvivalentnost mase i energije
• Zakon očuvanja energije
• Perpetuum mobile
• Entropija