Природа энергии. Сущность потенциальной энергии

Энергия необходима для совершения механической работы при действии силы на каком-то отрезке пути. Энергия затрачивается, когда ударяют по мячу, поднимают гирю, сжимают пружину, когда взрывается бомба или по проводу движутся электроны, создающие электрический ток.

Для поддержания температуры любого вещества также требуются затраты энергии, а живые организмы нуждаются в ней для движения и роста. Зеленые растения получают энергию в виде солнечного света и преобразуют ее в процессе фотосинтеза. Животные используют химическую энергию, заключенную в растительной или животной пище, которую они потребляют. С научной точки зрения различают две формы энергии-потенциальную (скрытую или «запасенную») и кинетическую (энергию движения).

Плотина создает высокий напор воды. Когда вода низвергается вниз, ее потенциальная энергия превращается в кинетическую, а та в свою очередь может быть превращена в полезную электрическую энергию с помощью водяных турбин и генераторов. Электрическую энергию получают также путем преобразования кинетической энергии волн и морских приливов.

Сущность потенциальной энергии. Потенциальную энергию можно рассматривать как скрытую форму энергии. Потенциальная энергия, заключенная в пище или топливе, представляет собой химическую энергию, запасенную в этих веществах. Потенциальная энергия воды в водохранилище - это запасенная гравитационная энергия; Земля действует на поднятую массу воды с силой, пропорциональной этой массе,-с силой тяготения-и стремится «сбросить» ее вниз.

Потенциальная энергия пружины пропорциональна квадрату величины ее сжатия или растяжения. Заряженная медная сфера-при отсутствии утечки заряда - обладает электрической потенциальной энергией, которая определяется величиной статического электрического заряда и связанного с ним потенциала.

В гальванических элементах энергия, выделяемая в ходе химических реакций, превращается в электрическую энергию. Со временем химические вещества, используемые в элементе, теряют свою активность-элемент разряжается. Аккумуляторы можно перезаряжать, подключая к источнику напряжения.

Что такое внутренняя энергия. Полная энергия покоящейся системы называется также ее внутренней энергией. Эту энергию обычно нельзя измерить, и она не может быть полностью использована для выполнения работы. Нагретый предмет, например, совершает работу при охлаждении, но даже если его охладить почти до абсолютного нуля ( — 273°С), то его молекулы все равно будут обладать значительной долей их внутренней энергии. К потенциальной энергии системы относится только та часть внутренней энергии, которая способна совершать работу.

Когда какой-то материальный объект движется, говорят, что он обладает кинетической энергией. Молекулы газа всегда обладают кинетической энергией,

так как они непрерывно движутся. Температура газа служит мерой средней кинетической энергии движения молекул: чем быстрее они движутся, тем выше температура.

Давление газа также зависит от кинетической энергии молекул, поскольку оно определяется числом и энергией молекул газа, сталкивающихся в процессе движения со стенками резервуара, в котором находится газ.

В пневматических молотах и подъемниках давление газа совершает полезную работу. Кинетическая энергия молекулы газа, как и любого движущегося объекта, может быть выражена математически: , где m - масса объекта, v-его скорость.

В системе микрофон - громкоговоритель осуществляется двойное превращение энергии: в микрофоне энергия звука (механическая) преобразуется в электрическую, а в громкоговорителе – наоборот.

Сохранение энергии. Тепловую энергию можно рассматривать как энергию движения. Вернемся к нашему примеру. Газ обладает кинетической энергией, пропорциональной его абсолютной температуре (температуре, отсчитываемой от абсолютного нуля). Если этот газ использовать для нагревания какого-либо тела, то молекулы последнего также приобретут кинетическую энергию. Переход кинетической энергии от молекул газа к молекулам тела происходит с помощью потока тепла, идущего от нагретого газа к холодному телу.

Солнечные батареи преобразуют энергию излучения Солнца непосредственно в электрическую энергию. Поверхность солнечных батарей покрыта полупроводниковыми фотоэлементами. Под воздействием энергии падающего света в полупроводнике начинается движение электронов в одну сторону, а «дырок»-в другую. Каждая солнечная батарея в цепи создает напряжение около 0,5 В (вольт).

В обыденной жизни под полезной энергией обычно понимают тепло сгоревшего угля, свет, идущий от электрической лампочки, или механическую энергию, возникающую при сгорании бензина в автомобильном двигателе. Но в каждом из этих примеров энергия, прежде чем ее удается практически использовать, превращается из одной формы в другую. Химическая (потенциальная) энергия угля, выделяемая при его сгорании, превращается в тепло и энергию излучения; на тепловой электростанции через систему ВОДЯНЫХ КОТЛОВ, паровых турбин и электрогенераторов она совершает переход в полезную электрическую энергию. Химическая энергия автомобильного топлива при его сгорании преобразуется в кинетическую энергию молекул газа, которая переходит в полезную механическую энергию, движущую автомобиль.

Любое превращение энергии сопровождается ее частичной потерей: к.п.д. преобразования всегда ниже 100%. При сгорании угля только примерно 20% химической энергии превращается в полезное тепло. Электродвигатель преобразует в механическую энергию около 80% электрической энергии.

Закон сохранения энергии обычно звучит так: «Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно». Во всех системах, где происходит преобразование одного вида энергии в другой, исходная энергия больше полученной и пригодной для полезной работы. Однако общая энергия системы сохраняется - просто часть энергии растрачивается бесполезно. Например, не вся электрическая энергия, потребляемая электрической лампочкой, переходит в световую-большая часть ее теряется в виде тепла; но вместе тепловая и световая энергии эквивалентны исходной электрической энергии, так что в целом энергия сохраняется. Таким образом, после преобразования энергия, пригодная для выполнения полезной работы, уменьшается.

В нити электрической лампочки накаливания лишь малая доля электрической энергии превращается в энергию света, основная же ее часть растрачивается на тепловое излучение. В люминесцентных лампах преобразование электрической энергии в световую происходит с меньшими потерями на нагревание, и эффективность этих ламп выше. В электрической печи электрическая энергия превращается в основном в тепло.