Энергия - это что такое? Определение, виды

Энергия - это способность что-то изменить: например, температуру тел, их расположение или магнитные свойства. То есть с технической точки зрения – способность выполнять работу. Энергия (значение слова по-гречески (energeia) – "деятельность") определяет все, что происходит в мире.

Энергия как работа

Например, если требуется закипятить воду, то необходимо применить энергию тепла. Вода нагревается, так как приложенная тепловая энергия ускоряет движение молекул. Точно так же человек использует энергию при поднятии любого предмета, только здесь изменяется положение предмета, а затраченная энергия преобладает над силой тяжести и инерцией. Древние люди использовали только собственные силы в виде источников энергии или силы домашних животных. Очень простой пример тепловой энергии можно увидеть, если потереть ладони друг о друга. С приложением небольших физических усилий выделяется ощутимое тепло между ладонями – это энергия тепла.

Понятие "энергия" в философии означает все родственное силе, способное на какое-либо достижение, согласно терминологии Аристотеля. Первым источником энергии извне, которым воспользовался человек, был огонь. Древний человек использовал огонь для обогрева своего жилища и приготовления еды.

У современных людей пребывают на службе мощнейшие источники энергии, которые превышают человеческую силу в миллион раз. Еду современный человек готовит не только с помощью огня, а предметы, весящие тонны, поднимает с помощью механизмов, строит новые города и покоряет космос.

Солнце как источник энергии

Все виды энергии, которые так необходимы человечеству, животным и растениям для жизни на Земле, испокон веков происходят от Солнца. Солнце можно сравнить с наимощнейшей электростанцией, постоянно производящей энергию.

Интересно, что за одну секунду оно создает столько энергии, сколько смогут выработать все атомные электростанции США на протяжении 10 миллионов лет. Все источники энергии Земли, вспыхнув одновременно, не смогли бы затмить Солнце. И еще один пример: кусочек внешней оболочки Солнца величиной со спичечный коробок светит ярче, чем 10 миллионов свечей. Во внутренней оболочке Солнца постоянно происходят атомные реакции, которые и являются основой работы этой мощнейшей электростанции. Источник этой энергии практически неисчерпаем, но ученые мира заявляют, что через 2 миллиарда лет Солнце сожжет все свое горючее и поэтому все живое на планете Земля исчезнет. А пока звезда по имени Солнце будет выбрасывать в космос свои неисчерпаемые потоки энергии, наименьшую частицу которой получает планета Земля в виде света и тепла. Этой минимальной частицы целиком хватает для существования всего живого на Земле.

Ископаемые источники энергии

Планете понадобились миллионы лет, чтобы накопить в земной коре источники, которые можно превратить в энергию, в виде угля, торфа, нефти и природного газа. Человечество бездумно тратит эти запасы, не задумываясь о потомках, и это правда. Залежи нефти и газа, производимые Землей на протяжении одного миллиона лет, человечество тратит за год. Эти источники энергии относятся к невозобновляемым, так как, сгорев однажды, они исчезают. И следующего образования угля, нефти и газа можно ожидать только через несколько сотен миллионов лет. Из-за этого нарушается энергетический баланс энергии на Земле, так как соотношение получаемой энергии и той, которая отдается в космос, должно быть уравновешено.

В результате такого быстрого уничтожения запасов образуются газы, которые препятствуют возврату в космос избытка солнечной энергии. Поэтому наша планета становится все теплее, то есть создается парниковый эффект. Он настолько может изменить мировой климат, что произойдет увеличение площади пустынь, разразятся опустошающие ураганы, растает лед на полюсах и, как следствие, поднимется уровень моря и множество побережий окажутся под водой.

Определение энергии

Если вас попросят: "Дайте определение энергии", - можно смело отвечать, что энергия - это субстанция, которая никуда не исчезает, может лишь накапливаться и трансформироваться, переходя из одного вида в другой. Например, растения требуют света, они превращают солнечную энергию и накапливают ее. Эту энергию они отдают людям и животным в виде съедобных продуктов. Люди и животные, получив энергию от растений, превращают ее в другие виды энергии, например в мышечную силу. С другой стороны, все добытые из коры земли энергетические запасы созданы из останков животных и растений, которые жили много миллионов лет назад, под действием давления и высокой температуры в коре Земли. При сгорании их также освобождается энергия, которая происходит от Солнца.

Единицы измерения энергии

Энергия – это величина, измеряемая в джоулях, единицах, названных в честь английского физика Джеймса Джоуля. Джоуль – очень маленькая частица энергии, например, энергия, которую выделяет при охлаждении чашка кофе, равняется 100 000 джоулей. Поэтому для удобства количество энергии выражают в килоджоулях и мегаджоулях. Чтобы узнать, сколько энергии вырабатывается в конкретную единицу времени, используется еще она единица измерения – ватт, называемая единицей измерения мощности. Для примера можно взять человеческий организм. Интересно, что во время нормальной жизнедеятельности человека его мощность равняется мощности электрической лампочки (примерно 100 ватт). Сердце обычно работает с мощностью 3 ватта, что отвечает мощности карманного фонарика. Прогресс не стоит на месте, и сегодня машины во много раз увеличили возможности человеческой силы. Один маленький трактор мощностью 50 киловатта делает работы больше, чем 100 сильных спортсменов, а мощность реактивного самолета достигает 6 мегаватт.

Энергия: определение, виды, на которые она подразделяется

Суть энергии состоит в свойстве накапливаться и переходить из одного состояния в другое, на этом основываются все человеческие изобретения и открытия.
Энергия подразделяется на потенциальную и кинетическую. Все вещества во Вселенной обладают своей энергией. Если держать камень в руке, он имеет свою потенциальную энергию, то есть энергию покоя, но как только камень отпустить, потенциальная энергия переходит в другой вид энергии - кинетическую, то есть в энергию движения. Можно рассмотреть пример превращения угля в свет. При сгорании некоторого количества угля потенциальная солнечная энергия, которая в нем накопилась, превращается в теплоту. Высокая температура, в свою очередь, заставляет воду испаряться. Кинетическая энергия движения паров передается на ротор турбины, приводя ее в движение. Эта энергия в генераторе превращается в электрическую, которая передается по электропроводам к лампочке. Дальше спираль лампочки нагревается и начинает накаляться, энергия превращается в тепловую. Часть накаленной спирали в вакууме излучает световую энергию, в лампочке загорается свет. Виды энергий могут постоянно меняться, трансформируясь друг в друга.

Вечный двигатель

С тех пор, как только люди начали познавать понятие энергии, они стремятся получить ее с наименьшими потерями. Изобретатели стремятся открыть такой механизм, который вырабатывал бы ее, то есть был бы вечным двигателем, постоянно двигаясь, но при этом не используя энергию. Теорий задумано огромное множество, но, к сожалению, такое изобретение невозможно. Энергию нельзя произвести, можно только освободить накопленную потенциальную и превратить ее в другую форму.

Существует множество форм различной энергии и все они взаимосвязаны друг с другом.

Формы энергии

Энергии бывают "твердыми", источниками которых служат:

• уголь;
• нефть;
• газ;
• атом.

Поскольку для их получения используют полезные ископаемые, они могут навредить окружающей среде.

А существуют еще "мягкие" энергии, например:

• энергия воды;
• энергия ветра;
• биоэнергия;
• солнечная энергия.

Трансформация энергии

Энергию движения можно превратить в электрическую , электрическую - в световую и тепловую, солнечную – в электрическую, химическую – в тепловую и т.д. Но общее количество энергии остается всегда неизменным. Например, при движении автомобиля часть энергии при сгорании бензина превращается в энергию движения, а часть - в тепловую, которая не исчезает, а выделяется в окружающую среду. Часть этой тепловой энергии можно использовать для обогрева салона с помощью радиатора печки. Когда в автомобиле заканчивается бензин, это значит, что у него закончились энергетические ресурсы. Но ученый бы выразился по-другому: он бы сказал, что энергия трансформировалась. Фундаментальное утверждение современной науки - это закон сохранения энергии. Энергию нельзя создать или уничтожить, она лишь изменяет свою форму. Это значит, что силы энергии, которые существуют во Вселенной, присутствуют в ней с самого начала и будут присутствовать, пока не исчезнет сама Вселенная. Не существует такой машины, которая бы выделяла больше энергии, чем использует, поэтому вечный двигатель невозможно изобрести. Превращение энергии происходит по тем же законам, что и течение реки: всегда только в одном направлении.

КПД энергии

Превращение энергии из одной формы в другую всегда сопровождается потерей теплоты, и чем меньше эти потери, тем лучше используется эта энергия, и тем экономнее сама машина. Например, велосипедист 95% своей физической силы превращает в физическую энергию и только 5% идет на тепловые остатки от работы велосипеда. Соотношение между потраченной энергией и полученной называется коэффициентом полезного действия. У велосипедиста он равен 95%, а у автомобиля он составит всего 25%, потому что только эта часть идет на приведение машины в движение, а остальная – тепловые излишки.

Энергия воды

Вода имеет огромную силу, она одолевает долины и горы, проделывает путь через самые немыслимые преграды. Недаром в народе говорят: «Вода камень точит». Чтобы добыть энергию из воды, ее необходимо приручить. В большинстве случаев для этого строят плотины и дамбы, которые преграждают путь в море потоку, накапливают воду, создавая искусственные водоемы. В таком виде вода имеет потенциальную энергию.

При падении с дамбы вода притягивается земной гравитацией и вырабатывается гравитационная энергия, когда вода падает с высоты вниз. На электростанциях эта вода имеет механическую энергию, когда приводит в движение турбины, которые превращают ее в электрическую. Ток по проводам устремляется к различным потребителям электроэнергии. Когда включается лампочка, она дает свет, то есть электромагнитную энергию и теплоту.

Биологическая энергия

Биоэнергия – это энергия растений, относится к обновляемым видам энергии. Растения получают свою энергию непосредственно от Солнца и для всего живого на земле растения – самый важный источник энергии и продуктов питания. Под влиянием света растения вырабатывают из углекислого газа и воды, которые находятся в воздухе, богатый энергией водород. Животные и люди проходят более сложный путь, ведь они не могут, как растения, синтезировать еду самостоятельно. Они обходными путями все равно возвращаются к растениям, чтобы в виде продуктов питания получить от них накопленную энергию. Множество животных и большинство людей питаются не только растениями, но и мясом животных, которые тоже питались растениями. Живой организм может существовать только в том случае, если с пищей он получает больше энергии, чем тратит на ее приобретение.

Атомная энергия

Самая знаменитая научная формула изобретена немецким физиком Альбертом Эйнштейном. Ее содержание: энергия – это масса, умноженная на квадрат скорости света. Формула утверждает, что масса есть не что иное, как форма энергии. Из этого следует, что можно превратить энергию в материю и рассчитать, сколько энергии из этого превращения получится. Первым практическим результатом этого превращения стали атомные бомбы, которые в конце Второй мировой войны были испытаны над японскими городами. Крошечное количество материи урана трансформировали в огромное количество разрушающей энергии. И хотя только седьмая часть превратилась в энергию, разрушающее действие ее было ужасным. Ударная волна и тепловое излучение уничтожили города, сотни тысяч жителей умерли из-за радиоактивного излучения.

Силу атома пытаются сегодня приручить на атомных электростанциях. Здесь ядерная реакция происходит не в виде взрыва, а как постепенная отдача теплоты. При этом радиоактивное излучение стараются тщательно изолировать с помощью специальных защитных кожухов.

Полученное тепло превращает воду в пар, который движет турбину, и электрогенератор, и дальше работает схема, как на тепловых электростанциях, - разница только в используемом материале. Для того чтобы атомное ядро освободило энергию, его необходимо разрушить и расщепить. Ученые научились расщеплять ядро атома урана. Для этого на него воздействуют нейтронами, обладающими низкой энергией. Тогда оно распадается на два более легких ядра, которые вырабатывают энергию, в результате чего высвобождается несколько новых нейтронов. Они возобновляют реакцию с последующим расщеплением ядер, то есть превращают процесс в цепную реакцию, которая происходит с огромной скоростью и длится до тех пор, пока не закончится уран, подвергшийся расщеплению.

Откуда берется столько энергии при расщеплении атома? Дело в том, что суммарная масса двух новых атомов, которые возникли в процессе расщепления, намного меньше, чем изначального атома. Отсутствующий остаток материи превратился в энергию, количество которой огромно. Процесс расщепления ядра является основой для создания атомного оружия и атомных реакторов. Задача заключается в получении мирной энергии атома. Для этого необходимо откорректировать цепную реакцию его расщепления так, чтобы не состоялся взрыв. Для этого реакцию необходимо замедлить, в качестве таких замедлителей используют водород или воду. Они тормозят процесс проникновения потока нейтронов в ядерный реактор, вылавливают нейтроны, пропуская только необходимое для медленного распада количество.

Возникает множество споров по поводу использования атомных электростанций. С одной стороны, чтобы обеспечить развитие нашей цивилизации на высоком техническом уровне, необходимо использовать атомный источник энергии. С другой стороны, производство атомной энергии довольно опасно. Радиоактивное излучение – это побочная энергия, которая выделяется при расщеплении атома. Его нельзя ни увидеть, ни услышать, оно не имеет вкуса и запаха, но оно смертельно опасно для всего живого. Примером стал взрыв на Чернобыльской АЭС. В окружающую среду были выброшены огромные дозы радиации, тысячи людей погибли, получив лучевую болезнь, десятки тысяч болеют и умирают от рака, из района радиации переселены целые города. А за радиоактивные отходы атомных станций потомки могут расплачиваться на протяжении тысячи лет. Самые современные защитные разработки не могут гарантировать полной защиты атомных электростанций. Слишком много зависит от человека, а ему свойственно ошибаться.

Солнечные батареи

Единственной безопасной атомной электростанцией является Солнце, потому что оно находится от нас на расстоянии 150 миллионов километров. Можно ли превратить энергию Солнца непосредственно в электрическую? Да, такая возможность существует, и реализуется она с помощью солнечных батарей. Такая техника была создана всего несколько десятилетий назад, но уже успешно используется.

Солнечные батареи – это пластины с чрезвычайно тонкими слоями. Один слой сделан из кремния, а второй – из кремния и бора. Вместе с солнечным светом, попадающим на солнечную батарею, на ее внешний слой попадают фотоны – наименьшие частички света, излучаемые Солнцем. Они перемещают электроны во второй слой и создают электрическое напряжение. Перемещаемые электроны попадают в накопитель тока, а затем в электрическую цепь. С каждым годом солнечные батареи совершенствуются, возможно, в будущем они смогут обеспечить нашу планету электроэнергией. Возможно, электрическую и тепловую энергию будут добывать из возобновляемых источников, таких как ветер, солнце, вода и водород и растения. Они неисчерпаемы, по крайней мере, пока светит Солнце.