Энергия - бұл біздің планетада ғана емес, сонымен қатар Ғаламда өмір сүруге мүмкіндік беретін нәрсе. Дегенмен, бұл өте әртүрлі болуы мүмкін. Сонымен, жылу, дыбыс, жарық, электр энергиясы, микротолқынды пештер, калориялар энергияның әртүрлі түрлері болып табылады. Біздің айналамызда болып жатқан барлық процестер үшін бұл зат қажет. Жердегі энергияның көп бөлігі Күннен алынады, бірақ оның басқа көздері бар. Күн оны біздің планетамызға жібереді, 100 миллионға жуық ең қуатты электр станциялары бір уақытта өндіреді.
Энергия дегеніміз не?
Альберт Эйнштейн ұсынған теория материя мен энергия арасындағы байланысты зерттейді. Бұл ұлы ғалым бір заттың екінші затқа айналу қабілетін дәлелдей алды. Сонымен бірге денелердің өмір сүруінің ең маңызды факторы энергия екені, ал материяның екінші кезектегі екендігі анықталды.
Энергия дегеніміз, жалпы алғанда, кейбір жұмыстарды орындау қабілеті. Ол жақтаушыденені жылжытуға немесе оған жаңа қасиеттер беруге қабілетті күш туралы түсінік. «Энергия» термині нені білдіреді? Физика – әртүрлі дәуірлер мен елдердің көптеген ғалымдары өмірлерін арнаған іргелі ғылым. Тіпті Аристотель «энергия» сөзін адам әрекетіне қатысты қолданған. Грек тілінен аударғанда «энергия» «белсенділік», «күш», «әрекет», «күш» дегенді білдіреді. Бұл сөз алғаш рет грек ғалымының «Физика» деп аталатын трактатында кездеседі.
Қазір жалпы қабылданған мағынада бұл терминді ағылшын физигі Томас Янг енгізген. Бұл маңызды оқиға сонау 1807 жылы болды. XIX ғасырдың 50-жылдарында. «Кинетикалық энергия» ұғымын алғаш рет ағылшын механик Уильям Томсон қолданды, ал 1853 жылы шотланд физигі Уильям Ранкин «потенциалды энергия» терминін енгізді.
Бүгінде бұл скаляр шама физиканың барлық салаларында бар. Бұл материяның әртүрлі қозғалысы мен өзара әрекеттесу формаларының біртұтас өлшемі. Басқаша айтқанда, бұл бір пішіннің екіншісіне айналуының өлшемі.
Өлшемдер мен белгілеулер
Энергия мөлшері джоульмен (Дж) өлшенеді. Бұл арнайы құрылғының энергия түріне байланысты әртүрлі белгілеулері болуы мүмкін, мысалы:
- W – жүйенің жалпы энергиясы.
- Q - термиялық.
- U – потенциал.
Энергия түрлері
Табиғатта энергияның сан алуан түрлері бар. Негізгілері:
- механикалық;
- электромагниттік;
- электр;
- химиялық;
- жылу;
- ядролық (атомдық).
Энергияның басқа да түрлері бар: жарық, дыбыс, магнит. Соңғы жылдары «қараңғы» энергияның бар екендігі туралы гипотезаға бейім физиктер саны артып келеді. Бұл заттың бұрын аталған түрлерінің әрқайсысының өзіндік сипаттамалары бар. Мысалы, дыбыс энергиясын толқындар арқылы беруге болады. Олар адамдар мен жануарлардың құлағындағы құлақ қалқандарының діріліне ықпал етеді, соның арқасында дыбыстар естілуі мүмкін. Әртүрлі химиялық реакциялар барысында барлық организмдердің тіршілігіне қажетті энергия бөлінеді. Кез келген отын, тамақ, аккумуляторлар, батареялар бұл энергияның қоймасы болып табылады.
Біздің жұлдыз Жерге электромагниттік толқындар түрінде энергия береді. Тек осылай ғана ол Ғарыш кеңістігін жеңе алады. Күн батареялары сияқты заманауи технологияның арқасында біз оны барынша тиімді пайдалана аламыз. Артық пайдаланылмаған энергия арнайы энергия сақтау орындарында жинақталады. Жоғарыда аталған энергия түрлерімен, термиялық бұлақтармен, өзендермен, мұхиттардың құйылуы мен ағындарымен қатар биоотын жиі пайдаланылады.
Механикалық энергия
Энергияның бұл түрі физиканың «Механика» деп аталатын бөлімінде зерттеледі. Ол E әрпімен белгіленеді. Ол джоульмен (Дж) өлшенеді. Бұл не энергия? Механика физикасы денелердің қозғалысын және олардың бір-бірімен немесе сыртқы өрістермен әрекеттесуін зерттейді. Бұл жағдайда денелердің қозғалысына байланысты энергия деп аталадыкинетикалық (Ek деп белгіленеді), ал денелердің немесе сыртқы өрістердің әрекеттесуінен болатын энергия потенциал (Эп) деп аталады. Қозғалыс пен өзара әрекеттесу қосындысы жүйенің жалпы механикалық энергиясы болып табылады.
Екі түрді де есептеудің жалпы ережесі бар. Энергия мөлшерін анықтау үшін денені нөлдік күйден осы күйге көшіруге қажетті жұмысты есептеу керек. Оның үстіне, жұмыс неғұрлым көп болса, дене осы күйде соғұрлым көп энергияға ие болады.
Түрлерді әртүрлі критерийлер бойынша бөлу
Энергияны бөлісудің бірнеше түрі бар. Әртүрлі критерийлер бойынша: сыртқы (кинетикалық және потенциалдық) және ішкі (механикалық, жылулық, электромагниттік, ядролық, гравитациялық) болып бөлінеді. Электромагниттік энергия өз кезегінде магниттік және электрлік болып, ал ядролық энергия әлсіз және күшті әсерлесу энергиясы болып бөлінеді.
Кинетикалық
Кез келген қозғалыстағы денелер кинетикалық энергиясының болуымен ерекшеленеді. Көбінесе бұл көлік жүргізу деп аталады. Қозғалыстағы дененің энергиясы баяулағанда жоғалады. Осылайша, жылдамдық неғұрлым жоғары болса, кинетикалық энергия соғұрлым жоғары болады.
Қозғалыстағы дене қозғалмайтын затпен жанасқанда кинетикалық бөлігі соңғысына ауысып, оны қозғалысқа келтіреді. Кинетикалық энергия формуласы келесідей:
Сөзбен айтқанда, бұл формуланы келесідей көрсетуге болады: объектінің кинетикалық энергиясыоның массасының жартысы оның жылдамдығының квадратына көбейтінді.
Әлеуетті
Энергияның бұл түріне қандай да бір күш өрісіндегі денелер ие. Сонымен, магниттік объект магнит өрісінің әсерінен болған кезде пайда болады. Жердегі барлық денелердің потенциалдық гравитациялық энергиясы бар.
Зерттелетін объектілердің қасиеттеріне байланысты оларда потенциалдық энергияның әртүрлі түрлері болуы мүмкін. Сонымен, созуға қабілетті серпімді және серпімді денелер серпімділік немесе кернеудің потенциалдық энергиясына ие. Бұрын қозғалыссыз болған кез келген құлап жатқан дене потенциалын жоғалтады және кинетикаға ие болады. Бұл жағдайда осы екі түрдің мәні эквивалентті болады. Біздің планетамыздың гравитациялық өрісінде потенциалдық энергия формуласы келесідей болады:
- Ep = mhg, мұндағы m - дене салмағы; h – дененің масса центрінің нөлдік деңгейден жоғары биіктігі; g – еркін түсу үдеуі.
Сөзбен айтқанда, бұл формуланы былай көрсетуге болады: Жермен әрекеттесетін объектінің потенциалдық энергиясы оның массасының, ауырлық күшінің үдеуінің және оның орналасқан биіктігінің көбейтіндісіне тең.
Бұл скалярлық мән потенциалдық күш өрісінде орналасқан және өріс күштерінің жұмысына байланысты кинетикалық энергияны алу үшін қолданылатын материалдық нүктенің (дененің) энергия қорының сипаттамасы болып табылады. Кейде оны координаталық функция деп те атайды, бұл жүйенің лангранжындағы термин (динамикалық жүйенің Лагранж функциясы). Бұл жүйе олардың өзара әрекеттесуін сипаттайды.
Потенциалды энергия үшін нөлге теңестіріледікеңістікте орналасқан денелердің белгілі бір конфигурациясы. Конфигурацияны таңдау әрі қарайғы есептеулердің ыңғайлылығымен анықталады және «потенциалды энергияны қалыпқа келтіру» деп аталады.
Энергияның сақталу заңы
Физиканың ең негізгі постулаттарының бірі – энергияның сақталу заңы. Оның айтуынша, энергия еш жерден пайда болмайды және еш жерде жоғалмайды. Ол үнемі бір формадан екіншісіне ауысып отырады. Басқаша айтқанда, тек энергияның өзгеруі бар. Мәселен, мысалы, фонарь батареясының химиялық энергиясы электр энергиясына, ал одан жарық пен жылуға айналады. Түрлі тұрмыстық техника электр энергиясын жарыққа, жылуға немесе дыбысқа айналдырады. Көбінесе өзгерістердің соңғы нәтижесі жылу мен жарық болып табылады. Осыдан кейін энергия қоршаған кеңістікке түседі.
Энергия заңы көптеген физикалық құбылыстарды түсіндіре алады. Ғалымдар оның ғаламдағы жалпы көлемі үнемі өзгеріссіз қалатынын айтады. Ешкім энергияны жаңадан жасай алмайды немесе оны жоя алмайды. Оның бір түрін дамыта отырып, адамдар отынның, судың, атомның энергиясын пайдаланады. Сонымен бірге оның бір пішіні екіншісіне айналады.
1918 жылы ғалымдар энергияның сақталу заңы уақыттың трансляциялық симметриясының математикалық салдары – конъюгат энергиясының мәні екенін дәлелдей алды. Басқаша айтқанда, физика заңдары әр уақытта әр түрлі болмайтындықтан, энергия сақталады.
Энергия мүмкіндіктері
Энергия – дененің жұмыс істеу қабілеті. Жабықфизикалық жүйелерде ол бүкіл уақыт бойы сақталады (жүйе жабық болғанша) және қозғалыс кезінде мәнді сақтайтын қозғалыстың үш аддитивтік интегралының бірі болып табылады. Оларға мыналар жатады: энергия, бұрыштық импульс, импульс. Физикалық жүйе уақыт бойынша біртекті болған кезде «энергия» түсінігін енгізу орынды.
Денелердің ішкі энергиясы
Бұл молекулалық өзара әрекеттесу энергияларының және оны құрайтын молекулалардың жылулық қозғалыстарының қосындысы. Оны тікелей өлшеу мүмкін емес, өйткені ол жүйе күйінің бір мәнді функциясы болып табылады. Жүйе өзін белгілі бір күйде тапқан сайын, оның ішкі энергиясы жүйенің өмір сүру тарихына қарамастан, өзіне тән құндылыққа ие болады. Бір физикалық күйден екіншісіне өту кезінде ішкі энергияның өзгеруі әрқашан оның соңғы және бастапқы күйлеріндегі мәндерінің айырмашылығына тең болады.
Газдың ішкі энергиясы
Қатты заттардан басқа газдардың да энергиясы болады. Ол атомдар, молекулалар, электрондар, ядролар кіретін жүйе бөлшектерінің жылулық (хаотикалық) қозғалысының кинетикалық энергиясын білдіреді. Идеал газдың ішкі энергиясы (газдың математикалық моделі) оның бөлшектерінің кинетикалық энергияларының қосындысы болып табылады. Бұл молекуланың кеңістіктегі орнын анықтайтын тәуелсіз айнымалылар саны болып табылатын еркіндік дәрежелерінің санын ескереді.
Энергияны пайдалану
Адамзат жыл сайын энергия ресурстарын көбірек тұтынады. Көбінесе энергия үшін,үйлерімізді жарықтандыру мен жылытуға, көліктер мен әртүрлі механизмдердің жұмысына қажетті көмір, мұнай және газ сияқты қазба көмірсутектер пайдаланылады. Олар қалпына келмейтін ресурстар.
Өкінішке орай, планетамыздағы энергияның аз ғана бөлігі су, жел және күн сияқты жаңартылатын ресурстардан алынады. Бүгінгі күні олардың энергетика саласындағы үлесі небәрі 5 пайызды құрайды. Тағы 3% адам атом электр станцияларында өндірілетін атом энергиясы түрінде алады.
Жаңартылмайтын ресурстардың мынадай қорлары бар (джоульмен):
- ядролық энергия - 2 x 1024;
- газ және мұнай энергиясы – 2 x 10 23;
- планетаның ішкі жылуы - 5 x 1020.
Жердің жаңартылатын ресурстарының жылдық құны:
- күн энергиясы - 2 x 1024;
- жел - 6 x 1021;
- өзендер - 6, 5 x 1019;
- теңіз толқыны - 2,5 x 1023.
Жердің жаңартылмайтын энергия қорын пайдаланудан жаңартылатынға уақтылы көшу арқылы ғана адамзат біздің планетада ұзақ және бақытты өмір сүруге мүмкіндік алады. Ең озық әзірлемелерді енгізу үшін дүние жүзіндегі ғалымдар энергияның әртүрлі қасиеттерін мұқият зерттеуді жалғастыруда.
