Czym jest energia?

Zasada zachowania energii jest jednym z podstawowych praw obowiązujących w przyrodzie. Według tej zasady całkowita energia ciała, czyli suma energii wewnętrznej, potencjalnej i kinetycznej ma stałą wartość. Energia nie może powstawać, ani być niszczona. Może tylko przechodzić z jednej formy w drugą.

Układy zawsze dążą do osiągnięcia minimum energetycznego.

Z zachowaniem energii związany jest podział sił na zachowawcze i niezachowawcze. Siła jest zachowawcza wtedy gdy praca przez nią wykonana nad punktem materialnym poruszającym się po drodze zamkniętej jest równa zero. Albo inaczej jeśli praca wykonana przez nią nad punktem materialnym poruszającym się między dwoma punktami zależy tylko od położenia punktów natomiast nie od drogi ruchu.

W pozostałych przypadkach siły będą siłami niezachowawczymi.

Energia jest wielkością skalarną, służącą do opisywania stanu danego układu. W tych opisach mogą występować różne formy energii: energia potencjalna, energia kinetyczna, energia mechaniczna, energia cieplna, energia elektryczna i inne. Jednostką każdej energii jest jeden dżul [J].

Jedną z form energii jest energia potencjalna. Energia potencjalna jest energią , którą posiada każde ciało z powodu przebywania w danym polu sił np. w polu grawitacyjnym czy polu elektrycznym. Energia potencjalna zależy od położenia tego ciała w polu.

Energię potencjalną można traktować jako energię zmagazynowaną w ciele. Charakterystyczne jest to, że może być ona odzyskana i przekształcona w inną bardziej użyteczną w danej chwili formę energii. Może ulec przekształceniu np. w energię kinetyczną czyli formę energii związaną z ruchem. Ciepło również jest miarą energii kinetycznej atomów i cząsteczek.

Za przykład energii potencjalnej może posłużyć energia potencjalna grawitacji. Jeżeli w polu grawitacyjnym znajdzie się ciało o masie m to jego energię potencjalną można obliczyć z zależności:

 

Zerową energię potencjalną przypisuje się takiemu położeniu ciała m, w którym siła przyciągania przez Ziemię jest równa zeru. Taka sytuacja ma miejsce w nieskończonej odległości od Ziemi o masie M. Jest to bardzo niepraktyczne, ponieważ zazwyczaj rozpatruje się energię potencjalną przedmiotów niewielkich w porównaniu z Ziemią i znajdujących się od niej w niewielkiej odległości w porównaniu z jej promieniem. Dlatego wygodniej jest powiązać zerową energię potencjalną grawitacji z powierzchnią Ziemi.

Oddziaływania grawitacyjne są przykładem sił zachowawczych. Jak już wcześniej zostało wspomniane siła jest zachowawcza wtedy kiedy praca przez nią wykonana nad punktem materialnym, który porusza się po drodze zamkniętej nie zależy od toru ruchu i jest równa zero. Można więc powiedzieć, że w przypadku sił zachowawczych praca wykonana przy przejściu ciała z jednego stanu do drugiego równa jest zmianie energii potencjalnej tego ciała.

Potencjał pola grawitacyjnego można zdefiniować jako stosunek energii potencjalnej ciała do masy tego ciała.

 

wszystkie punkty mające ten sam potencjał tworzą tzw. powierzchnie ekwipotencjalną.

Z polem grawitacyjnym związana jest również wielkość wektorowa, zwana natężeniem pola grawitacyjnego. Zależy ono od źródła siły i charakteryzuje przestrzeń wokół niego.

Istnieje pewna prędkość zwana prędkością ucieczki, którą należy nadać ciału, aby oddaliło się od Ziemi w nieskończoność i nigdy nie powróciło. Jest to tzw. druga prędkość kosmiczna.

Drugą formą energii jest energia związana z ruchem ciała. Jest to energia kinetyczna.

Energia kinetyczna ciała jest wprost proporcjonalna do masy ciała i kwadratu prędkości tego ciała:

 

Energia kinetyczna ciała jest równa pracy, jaką to ciało może wykonać do momentu zatrzymania się. Zmiana energii kinetycznej jest równa pracy wykonanej przez wypadkową siłę przy przemieszczaniu punktu materialnego.

Podczas ruchu punktu materialnego wielkość zwana całkowitą energią mechaniczną pozostaje stała. Jest ona równa sumie energii potencjalnej i energii kinetycznej ciała.

 

Jest to zasada zachowania energii mechanicznej.

Przekazywanie energii między ciałami może odbywać się na sposób ciepła. Tak dzieje się, gdy zostaną zetknięte ciała o różnych temperaturach. W momencie, gdy zostaną one odizolowane od otoczenia to po pewnym czasie dojdzie do wyrównania ich temperatur. Będą wtedy w równowadze termicznej.