Природа энергии

Что такое энергия? Ее нельзя увидеть, потрогать или понюхать, как какое-нибудь вещество; она представляет для нас более абстрактное понятие. Поэтому следует дать правильное определение энергии и рассмотреть это понятие с общих позиций, прежде чем углубляться в дальнейшее обсуждение. Энергия – это способность к выполнению работы или к переносу тепла. Работа () определяется как произведение результирующей силы () и расстояния (), на котором действует эта сила (этим же произведением измеряется работа):

(1.1)

Другими словами, работа связана с перемещением тела против действия некоторой силы, а энергия – это «нечто», требуемое для выполнения работы. Например, поднимая книгу, мы совершаем работу, преодолевая силу тяжести, а для выполнения этой работы требуется энергия. Для отделения положительно заряженного иона от отрицательно заряженного также требуется энергия, так как при этом выполняется работа по преодолению силы притяжения между ними. Материя – это то, что наполняет Вселенную, а энергия-то, что движет материю.

ФОРМЫ ЭНЕРГИИ

Энергия существует во множестве форм, например в виде тепловой энергии (теплоты), световой энергии (энергии излучения), химической энергии, механической энергии или электрической энергии. Механическая энергия, в свою очередь, бывает двух видов - кинетическая и потенциальная. Кинетическая энергия - это энергия движения. Величина кинетической энергии тела зависит от его массы () и скорости ()и определяется уравнением

(1.2)

Это уравнение говорит о том, что, возможно, уже известно нам из личного опыта: чем больше масса движущегося тела и чем больше его скорость, тем большую работу оно способно выполнить. В системе СИ единицей измерения энергии является джоуль (Дж). 1 Дж = 1 кг∙м²/с². Джоуль – это кинетическая энергия тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м в секунду:

×(2 кг)(1 м/с)² = 1 кг∙м²/с² = 1 Дж

Потенциальная энергия - это энергия, запасенная телом и зависящая от его положения или состава. Например, при забивании свай бабу копра поднимают вверх, преодолевая силу тяжести. Поднятая баба обладает потенциальной энергией, позволяющей ей совершать работу; чтобы выполнить эту работу, надо освободить бабу и дать ей свободно падать вниз. Точно так же обладают потенциальной энергией две противоположно заряженные частицы, которые разъединены в результате преодоления силы их электростатического притяжения.

Вернемся снова к примеру с забиванием свай при помощи бабы. Для подъема бабы требуется выполнить работу. Энергия, необходимая для выполнения этой работы, может быть получена за счет физических усилий человека. В современном обществе на многих подобных операциях людей заменили машины, и для подъема бабы можно приспособить простое устройство. В данном случае энергия, запасенная в угле, используемом в качестве горючего, превращается в теплоту, которая передается цилиндру. При нагревании газ внутри цилиндра расширяется и перемещает поршень. Поршень приводит в движение колесо, которое поднимает бабу. Таким образом, энергия угля передается бабе. Опыт, накопленный при наблюдении множества подобных процессов, свидетельствует о том, что, хотя энергия может передаваться от одного тела к другому, а также переходить изодной формы в другую, она никогда не создается из ничего и не исчезает. Подобные наблюдения, подтвержденные количественными измерениями теплоты и работы, лежат в основе первого закона термодинамики.

Если при любом химическом или физическом процессе энергия сохраняется, то может возникнуть вопрос, почему мы так озабочены проблемой истощения источников энергии и откуда взялся распространенный в последнее время термин «энергетический кризис». Ситуация с энергией во многом напоминает ситуацию с веществом. При обсуждении закона сохранения массы мы говорили об истощении природных запасов веществ в том смысле, что они превращаются в формы, которые становятся все менее пригодными для использования. Речь идет о том, что запасы полезных веществ становятся все более рассеянными или что их извлечение требует все больших затрат энергии. В сущности, то же самое справедливо и в отношении энергии: при любом превращении энергии некоторая ее часть всегда превращается в теплоту, которая рассеивается в окружающую среду и, следовательно, не может быть использована для выполнения работы. Например, в обычном автомобиле лишь около 10 % химической энергии бензина превращается в механическую энергию перемещения автомобиля; остальная часть рассеивается в форме теплоты в окружающую среду. На практике большая часть энергии, запасенной в угле или бензине, превращается в теплоту. Когда избыточное количество этой теплоты сосредоточивается в небольшой части окружающей среды, возникает тепловое загрязнение. Так, например, происходит, когда отходящее тепло электростанции нагревает воды озера.