Сообщение виды энергии в природе взаимные превращения энергии
Обновлено: 27.06.2024
Слово "энергеа" при переводе с греческого означает "деятельность".
Ученые первоначально называли энергией способность различных предметов совершать работу: например, молот, падая, плющит металл.
После того как было непреложно доказано, что движение материи может превращать один вид энергии в другой можно сказать - энергия выражает общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей.
Стало возможным измерять различные по внешним признакам движения - одним общим "масштабом". Нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие - закон сохранения и превращения энергии. Иначе говоря, окружающий нас мир есть "вечно" движущаяся и развивающаяся материя. Всеобщей мерой движения материи во всех ее формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается в науке законом сохранения энергии.
Наиболее общие формы движения материи называются физическими. К ним относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи.
Однако, чтобы эта энергия стала нужной человеку, он должен был научиться "обращаться" с ней - преобразовать одни виды энергии в другие.
Преобразование любых энергий (тепловой, механической, молекулярной, ядерной и т.д.) в электрическую энергию и обратно называется энергетикой.
Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса - это история изобретения и создания этих устройств и машин. Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.
1. История развития энергии
Современную жизнь невозможно представить без электричества и тепла. Материальный комфорт, который окружает нас сегодня, как и дальнейшее развитие человеческой мысли накрепко связаны с изобретением электричества и использованием энергии.
С древних времен люди нуждались в силе, точнее в двигателях, которые давали бы им силу большую человеческой, для того, чтобы строить дома, заниматься земледелием, осваивать новые территории.
Описав удивительные свойства янтаря в поэтических легендах, древние греки так и не продолжили его изучение. Следующего прорыва в деле покорения свободной энергии человечеству пришлось ждать много веков. Зато когда он все-таки был совершен, мир в буквальном смысле слова преобразился. Еще в 3 тысячелетии до н.э. люди использовали паруса для лодок, но только в VII в. н.э. изобрели ветряную мельницу с крыльями. Началась история ветряных двигателей. Водяные колеса использовали на Ниле, Эфрате, Янцзы для подъема воды, вращали их рабы. Водяные колеса и ветряные мельницы вплоть до ХVII века являлись основными типами двигателей.
2. Энергия и её виды
Энергия – всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией (греческое – действие, деятельность ) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую .
Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.
Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической ; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.
Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной ; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.
Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.
Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.
К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.
Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.
Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).
Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).
Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).
Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.
Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.
Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).
Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.
Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую, энергию атомных взаимодействий – химическую, энергию излучения – электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную. Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.
В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят
1 Дж эквивалентен
1 ньютон метр (Нм).
Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной . В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию.
2.1. Классификация первичной энергии
При классификации первичной энергии выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.
К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).
Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).
Преимущества электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.
Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть – в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет
Электрическая энергия – более универсальный вид энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Насчитывается свыше четырехсот наименований электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д.
Электрификация – основа технического прогресса любой отрасли народного хозяйства. Она позволяет заменить неудобные для использования энергетические ресурсы универсальным видом энергии – электрической энергией, которую можно передавать на любое расстояние, превращать в другие виды энергии, например, в механическую или тепловую, делить ее между потребителями. Электричество – очень удобный для применения и экономичный вид энергии.
2.2. Динамика потребления электрической энергии
Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека:
1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.
2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.
3. В процессе производства и передачи электрической энергии, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любое количество электрической энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.
3. Закон сохранения энергии
При любых обсуждениях вопросов, связанных с использованием энергии, необходимо отличать энергию упорядоченного движения, известную в технике под названием свободной энергии (механическая, химическая, электрическая, электромагнитная, ядерная) и энергию хаотического движения, т.е. теплоту.
Любая из форм свободной энергии может быть практически полностью использована. В то же время хаотическая энергия тепла при превращении в механическую энергию снова теряется в виде тепла. Мы не в силах полностью упорядочить случайное движение молекул, превратив его энергию в свободную. Более того, в настоящее время практически нет способа непосредственного превращения химической и ядерной энергии в электрическую и механическую, как наиболее используемые. Приходится внутреннюю энергию веществ превращать в тепловую, а затем в механическую или электрическую с большими неизбежными теплопотерями.
Таким образом, все виды энергии после выполнения ими полезной работы превращаются в теплоту с более низкой температурой, которая практически непригодна для дальнейшего использования.
Развитие естествознания на протяжении жизни человечества неопровержимо доказало, какие бы новые виды энергии ни открывались, вскоре обнаруживалось одно великое правило. Сумма всех видов энергии оставалась постоянной, что, в конечном счете, привело к утверждению: энергия никогда не создается из ничего и не уничтожается бесследно, она только переходит из одного вида в другой.
В современной науке и практике эта схема настолько полезна, что способна предсказывать появление новых видов энергии.
Роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации очень велика. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы – прямо или косвенно – больше энергии, чем ее могут дать мускулы человека. Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В процессе развития цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные не потому, что старый источник был исчерпан, а потому что данную необходимость диктовало время.
Самым мощным источником энергии является ядерный – лидер энергетики. Запасы урана, если сравнивать их с запасами угля, не столь уж и велики. Но зато на единицу веса он содержит в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь.
Сейчас, в начале 21 века, начинается новый, значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика "щадящая", альтернативная, не загрязняющая уже сильно поврежденную биосферу.
В будущем при интенсивном развитии энергетики возникнут рассредоточенные источники энергии не слишком большой мощности, но зато с высоким КПД, экологически чистые, удобные в обращении.
Энергетика очень быстро аккумулирует, ассимилирует, вбирает в себя все самые новейшие идей, изобретения, достижения науки. Это и понятно: энергетика связана буквально со всем, всё зависит от нее.
В заключении можно сделать вывод, что альтернативные формы использования энергии неисчислимы при условии, что нужно разработать для этого эффективные и экономичные методы. Главное – проводить развитие энергетики в правильном направлении.
Список использованной литературы
1. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Энергетическая техника и ее развитие.-М.: Высшая школа, 1976.-304с.
2. Давыдова Л.Г., Буряк А.А. Энергетика: пути развития и перспективы .-М.: Наука, 1981.-120с.
Энергия — это способность выполнять работу, и как таковая, она проявляется по-разному. В этом смысле существует два основных типа энергии: энергия положения или состояния, также называемая потенциальной энергией, а другая — это энергия в действии или движении и называемая кинетической энергией.
Оба типа энергии могут преобразовывать друг друга и являются частью других форм энергии. В зависимости от источника, откуда они берутся, мы можем говорить об электрической, ядерной, химической, излучающей или магнитной энергии.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия шара для боулинга опрокидывает кегли.
Кинетическая энергия — это энергия в действии, энергия движения. Зависит от количества массы тела, а также от скорости. Таким образом, шар для боулинга выбьет больше кеглей, потому что он имеет большую массу. Более быстрый шар для боулинга будет более эффективным, чем медленный.
Человек может использовать в своих интересах кинетическую энергию многих природных ресурсов. Например, ветер движется воздухом, и ветрогенераторы используют это для производства электроэнергии.
Потенциальная энергия
Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.
Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.
Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.
Потенциальная и кинетическая энергия
Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.
Гравитационная потенциальная энергия
В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.
Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.
Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.
Упругая потенциальная энергия
Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.
Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.
Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.
Механическая энергия
Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.
Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.
Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.
Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.
Химическая энергия
Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.
Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.
Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.
Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.
Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез — это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.
Тепловая энергия
Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.
Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.
Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.
Электрическая мощность
Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.
Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.
Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.
Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.
В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.
Ядерная энергетика
Когда ядро атома разбивается, ядерная энергия высвобождается.
Ядерная энергия — это форма потенциальной энергии, которая накапливается в ядре атома и происходит от сил, удерживающих субатомные частицы вместе. Ядерная реакция похожа на химическую реакцию, в которой реагенты превращаются в продукты. Они отличаются тем, что в ядерной реакции один атом превращается в другой.
Существует три типа ядерной реакции: радиоактивный распад, слияние и деление. При радиоактивном распаде ядро радиоактивного атома самопроизвольно выделяет энергию. При делении ядра ядро бомбардируется нейтроном, что приводит к образованию двух новых атомов. При ядерном синтезе легкие ядра объединяются в тяжелые ядра.
Использование ядерной энергии
Реакции ядерного деления используются в ядерных реакторах, где ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Энергия, исходящая от Солнца, является продуктом ядерного синтеза.
Магнитная энергия
Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.
Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.
Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.
Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.
Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.
Звуковая энергия
Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.
Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.
Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.
Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.
Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.
В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.
Лучистая энергия
Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.
Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.
Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.
Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.
Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.
Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.
Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.
Солнечная энергия
Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.
Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.
Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.
Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.
Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.
Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии
Такие ресурсы, как солнце и ветер, являются возобновляемыми источниками энергии.
Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, может только быть преобразована. Это означает, что при подсчете количества энергии в системе это количество всегда будет одинаковым, хотя и по-разному.
Когда мы говорим о возобновляемых или невозобновляемых энергоресурсах, мы действительно имеем в виду источники или ресурсы, из которых люди извлекают энергию.
Уголь и нефть являются ископаемым топливом, в котором химическая энергия сохраняется в связях между атомами углерода. Ископаемое топливо не возобновимо, потому что оно было сформировано миллионы лет назад из доисторических организмов. Эти источники энергии, помимо ограниченного существования, наносят серьезный ущерб окружающей среде.
Наша цель должна заключаться в том, чтобы воспользоваться другими источниками энергии, такими как солнце, ветер, внутреннее земное тепло и океанские волны, которые являются возобновляемыми и не загрязняющими окружающую среду. Вода может использоваться снова и снова благодаря естественному процессу круговорота воды.
Другой аспект, который мы должны принять во внимание, это не тратить энергию. Электрическая энергия вашего дома имеет свою стоимость. Если у вас долгое время открыт холодильник или вы оставили лампы в своей комнате, особенно если вас там нет, вы увеличиваете потребление электроэнергии в своем доме, и это будет оплачиваться вашими родителями. Экономия энергии — это разумное и осознанное использование.
Один из важнейших постулатов в физике является закон сохранения энергии. Согласно ему, она существует в определённом количестве, при этом её значение неизменное. При выполнении работы происходит превращение энергии из одного вида в другой. При этом она может также передаваться между телами, например, пружина с грузом. Это явление используется во множестве современных технологий. Причём правила преобразования справедливы как для микро, так и макромира.
Фундаментальные принципы
Человека — покормить, простейший механизм —завести, какой-то предмет — поднять и опустить.
Таким образом, о телах или их системах говорят, что если они способны совершить работу, то имеют энергию. Другими словами, характеризуются физической величиной, описывающей способность совершать действие. Обозначать энергию принято латинской буквой E, а измерять в джоулях [Дж]. В системе же СГС (сантиметр-грамм-секунда) за количественную единицу принимают [эрг] или [г * см 2 / с 2 ].
В учёном мире долго велись споры, что же, по сути, представляет собой параметр — субстанцию или только величину. В результате большая часть физиков склонилась к тому, что это просто физическое значение, характеризующее движение или его изменение. Сегодня считается, что энергия — скалярная величина, используемая в качестве меры различных форм работы и взаимодействия материй, а также преобразования субстанции из одной формы в другую.
Пожалуй, важным принципом в природе является закон сохранения энергии. Установлен он был опытным путём. Его смысл заключается в том, что при любой работе в замкнутой системе, происходит взаимопревращение энергии из одной формы в другую. То есть она ниоткуда не берётся и никуда не исчезает, а лишь может преобразовываться.
Ричард Фейнман в 1961 году заявил, что исключений из этого закона не существует, и он абсолютно точен. По существу, это математический принцип, согласно которому есть некоторая численная величина, которая постоянна при любых обстоятельствах.
Это — не описание механизма, а сущность природного явления.
Виды энергии
В природе взаимные превращения энергии определяются способностью тел выполнять тот или иной вид работы. Так как это просто количественная мера, её можно измерить лишь при каком-либо изменении. Вызвать же последнее могут любые процессы, относящиеся к различным отраслям науки. В отличие от материи, о которой можно утверждать, что она существует, энергия — плод человеческого предположения.
В зависимости от природы превращения, различают следующие её виды:
- Механический — возникает при перемещении физических тел или частиц, а также при их взаимодействии. Например, вращение, деформирование при сгибании, сжатие, растяжение. Такой вид энергии проявляется при работе механических и технологических машин, ГЭС.
- Тепловой — появляется из-за хаотичного движения элементарных носителей или колебаний атомов кристаллической решётки. Например, при сжигании, плавлении, сушки, выпаривании и других многочисленных технологических процессах.
- Электрический— проявляется при протекании электрического тока в цепи. Отличается от других видов способностью легко передаваться на большие расстояния с огромной скоростью. Используется в двигателях, радиоэлектронных устройствах. Сегодня способы использования электрических преобразований определяют уровень технического прогресса.
- Химический — высвобождается при протекании реакций из-за разрушения межатомных связей. Чаще всего является побочным продуктом.
- Магнитный — тесно связан с электрическим. Обусловлен природными свойствами постоянных магнитов и существованием электромагнитного поля. По сути — энергия, проявляющаяся в виде излучения.
- Ядерный — высвобождается при распаде изотопов, делении тяжёлых или синтезе лёгких ядер. В природе выделяется в звёздах. Используется для создания оружия и в энергетике. Этот тип содержится в больших количествах в атомах.
- Гравитационный — обусловлен взаимным тяготением массивных тел. Характерен для космического пространства. Например, эта энергия тела, поднятого на определённую высоту над поверхностью Земли.
Учёные не исключают возможность существования и других типов. При этом переход энергии из одного вида в другой может происходить как последовательно, так и параллельно.
Например, превращение световой в химическую, механической — в электрическую и тепловую.
Потенциальный и кинетический тип
Чаще всего в физике превращение энергии рассматривают как зависимость между запасённым её значением для работы и набираемой при движении. Так как величина — это способность совершать телом действие, классифицировать её можно не только по форме, но и учитывая изменение положения. В зависимости от этого она может быть двух видов:
Для понимания отличия одного вида от другого лучше всего рассмотреть пример. Пусть есть часы с маятником и гирей. Когда последняя опускается, за счёт работы силы тяжести приводится в действие механизм часов. Значит, поднятая гиря обладает энергией. Если эти часы разместить в космосе, идти они не будут. Всё дело в том, что там груз не имеет веса, так как отсутствует сила, с которой Земля действует на гирю. Следовательно, запасённой энергии у тела не будет. Значит, для примера характерно взаимодействие.
Похожие действия происходят при скручивании пружины, возникновение силы упругости при деформации. Энергия, обусловленная взаимодействием тел или частей одного вещества, носит название потенциальной. Её вычисление зависит от выбранной системы. Значение для тела, поднятого над Землёй, можно определить, как Ep = m*g*h, где:
- m — масса;
- g — ускорение свободного падения;
- h — высота.
Например, когда тело поднимают по наклонной плоскости, ему сообщают потенциал. Фактически это полезная работа. Следует отметить, что Ep зависит, от какого уровня ведётся отсчёт высоты. Но при этом следует учитывать, что работа равна изменению.
Другая ситуация. Пусть нужно забить гвоздь в стену. Чтобы это сделать, нужно отвести инструмент в сторону, а после нанести удар. Другими словами, разогнать молоток. Перед тем как коснуться шляпки гвоздя, инструмент наберёт скорость, которая и позволяет совершить работу по забиванию. Получается, что любое движущееся тело обладает энергией. Называется она кинетической. Её значение зависит от массы тела и скорости. Находится она по формуле: Ek = m * v 2 / 2, где:
Эти 2 вида тесно связаны между собой. При этом очень часто при различных действиях происходит преобразование одного типа в другой. В окружающем мире можно самостоятельно наблюдать, как преобразовывается энергия. Например, при движении любого тела вниз.
Примеры превращения
Поднятая гиря над Землёй обладает каким-то потенциальным значением. Если тело отпустить, она будет уменьшаться. При этом скорость гири по мере движения вниз начнёт увеличиваться. Значит, можно утверждать, что кинетическая энергия будет возрастать. Получается, что уменьшение значения первой сопровождается приростом величины второй.
Правда, для этого должны выполняться некоторые условия. Например, эту гирю можно спустить с наклонной плоскости. В этом случае будет присутствовать трение. В результате движение может быть равномерным. Так как тело опускается, его потенциальная величина снижается, но из-за того, что нет разгона, кинетическое значение не изменяется, поэтому в этом случае энергия преобразовываться не будет.
Если тело захотеть подбросить, ему нужно сообщить Ek за счёт работы бросающего. Но в какой-то момент кинетическое значение, которым обладает тело, станет равным нулю, и оно остановится.
Зато в этот момент потенциальная работа достигнет наибольшей величины.
Таким образом, можно утверждать, что если в системе отсутствует трение, превращаться энергия из одного вида в другой будет симметрично: насколько уменьшается одна, на столько же произойдёт приращение другой. Значит, их сумма будет постоянной величиной. Называется она внутренней энергией.
Высота становится меньше, и потенциал уменьшается. В самой нижней точке он будет равняться нулю. Зато Ek наберёт своё максимальное значение. Но тела обладают свойством инерции, и шар начнёт снова подниматься. Сопротивление воздуха — ничтожно малая величина, поэтому тело займёт ту же самую высоту, но с противоположной стороны. Его потенциал опять вырастет, поэтому можно сказать, что какие превращения энергии бы не проходили, мерой преобразования будет работа.
В качестве яркого примера перехода можно описать работу бытового нагревателя. Электрическая энергия поступает на спираль, которая оказывает сопротивление току. В результате происходит превращение электричества в свет и тепло.
Изучение законов дает наглядное представление о превращении энергии в природе. В физике за 7 класс ведется подробное изучение этого явления. В его основу заложен принцип сохранения энергии, которая никуда не исчезает, а переходит в другие формы существования. Например, меняет свой вид или передается от одного тела к другому. При этом ее количественный состав остается постоянным.
Теоретическая основа
Существующая в мире энергия никуда не исчезает. Она просто переходит в другое состояние. Это является законом природы, который постоянно подтверждается в разных разделах физики. При ударе по металлическому предмету последний нагревается. Происходит это потому, что энергия от падающего тела передается молекулам. При сильном соприкосновении камней высекается искра, которая тоже несет в себе тепло.
Чтобы понять суть этих явлений, нужно обратиться к внутреннему строению тел. Все они состоят из атомов, которые имеют ядро и вращающиеся вокруг него электроны. Эта мельчайшая структурная единица материи сохраняет свою целостность, благодаря наличию энергетических связей. При их распаде высвобождается энергия.
Виды энергии
Существует несколько видов энергии в природе. Взаимные превращения энергии постоянно наблюдаются в окружающем мире. При этом она делится на виды:
- Механическая. Проявляет себя при движении, вращении или соприкосновении тел. Находит широкое применение в машиностроении.
- Тепловая. Выделяется при взаимодействии молекул во время их хаотичного движения. Образуется в процессе сжигания топлива. Находит применение в отоплении.
- Электрическая. Формируется при движении по цепи положительно и отрицательно заряженных частиц. Она необходима для приведения в действие различных станков или электрических приборов. Очень широкое применение нашла в быту.
- Химическая. Первоначально она находится в атомах вещества. В дальнейшем ее высвобождение происходит при химических реакциях. Преобразовываться она может в электричество или тепло.
- Магнитная. Формируется вокруг обмоток, по которым проходит электрический ток. В этих местах образовываются электромагнитные поля. Выглядят они в виде световых волн — инфракрасных или ультрафиолетовых. Также существуют радиоволны и рентгеновские лучи.
- Ядерная. Заключена в ядрах атомов. Высвобождается при их делении. Еще большая сила возникает при синтезе легких ядер. Это называется термоядерной реакцией.
- Гравитационная. Это силы, которые возникают между всеми предметами. Ощутимы они только при взаимодействии массивных тел. В первую очередь это заметно в космическом пространстве. Кроме того, в земных условиях ее можно наблюдать при поднятии любого предмета. Он будет притягиваться обратно к земле.
Все эти виды энергии взаимодействуют между собой, обладая способностью преобразовываться и превращаться из одного типа в другой. Понимая, какие превращения энергии происходят в природе, есть возможность их использования на благо человечества.
Механические превращения
В механике существует такое понятие, как потенциальная и кинетическая энергия. При этом они могут преобразоваться одна в другую. Этот переход удобно описать на примерах:
- Колебания маятника. Если отвести нить с грузом на некоторый угол, а потом отпустить, то он сначала начнет медленно перемещаться вниз. На середине дистанции, не доходя крайней нижней точки, его скорость достигнет максимума. На этом ее приращение заканчивается, но груз по инерции поднимется на определенную высоту. Если рассмотреть этот процесс с физической точки зрения, то в первый момент потенциальная энергия груза будет иметь свой максимум. Двигаясь под действием силы тяжести, она постепенно превращается в кинетическую, с помощью которой, груз, переходя крайнюю нижнюю точку, продолжает движение вверх.
- Колебания пружины. Примерно такое же преобразование происходит во время колебания груза на пружине. При оттягивании упругого элемента вниз создается потенциальная энергия силы пружины. По мере продвижения груза вверх она переходит в кинетическую. В верхней точке пружина останавливается, но потенциальная энергия силы тяжести опять тянет груз вниз.
Несколько другой процесс происходит при торможении колес. Тормозные колодки, соприкасаясь с дисками, останавливают их. При этом кинетическая энергия вращающегося колеса превращается в тепловую, нагревая тормозные колодки.
Энергетические ресурсы
Существующие в природе энергетические ресурсы с успехом используются человечеством. Примеры носят следующий характер:
- Солнце. Поток солнечных лучей омывает нашу планету. Человечество научилось их использовать при помощи коллекторов. Эти аппараты поглощают солнечные лучи и образуют тепло.
- Уголь, древесина, газ, нефть. Все эти ресурсы образовались в результате гниения организмов. Происходили такие процессы на протяжении множества миллионов лет.
- ГЭС. Здесь идет преобразование механической силы падающей воды в электрическую энергию.
- Ветер. Выработка электричества возможна при помощи ветряных агрегатов. Для этого используется перемещение воздушных масс.
Эксплуатируя земляные недра и атмосферные явления, человечество добывает энергию, которую использует на свои нужды.
Биологические процессы
Множество биологических организмов в процессе дыхания для своей жизнедеятельности используют кислород. Различные бактерии и грибы потребляют вещества, которые являются отходами существования для других живых организмов. Так происходит круговорот в природе.
Основную роль в поддержании жизни на Земле играет фотосинтез. Это такой биологический процесс, благодаря которому из неорганических веществ формируются органические соединения. Существует множество вариантов фотосинтеза. В одном из них в качестве побочного продукта образуется кислород. Углекислый газ является основным элементом для проведения реакции фотосинтеза.
Все биологические циклы, существующие в природе, сформировались самостоятельно. В настоящее время эта цепь может быть нарушена. Причиной является человеческая деятельность. Сжигание большого количества топлива, приводит к выделению углекислого газа, который поднимается в верхние слои атмосферы. Как результат, создается парниковый эффект, что ведет к глобальному потеплению климата на планете.
Энергия определяется как способность выполнять работу и может превращается в различные формы: тепловую, световую, химическую, кинетическую (движения) и другие. Одна форма может быть преобразована в другую.
Превращение энергии и круговорот в природе необходимы для жизненно важных функций как рост и размножение любых организмов.
Материя определяется как все, что занимает пространство и имеет массу. Все материальные вещества, в том числе живые организмы сделаны из материи.
Откуда берется материя и какие превращения энергии происходят как необходимые составляющие для выживания живых организмов описано ниже.
Материя и энергия в земной системе
Некоторые типы материи были произведены при Большом взрыве, который сформировал Вселенную. Теория утверждает, что порядка 14 млрд лет назад произошедшая ядерная реакция сформировала ядра звезд различных типов. Земля и другие планеты, образованные из накопления тяжелых форм материи, начала дрейфовать в пространстве после Большого взрыва. Земля прошла через свой период накопления материи и энергии со времен начала нашей Солнечной системы, около 4,5 миллиарда лет назад.
Система Земли — включая ее живые и неживые компоненты вообще содержит небесконечное количества материи (за исключением небольшого количества входящей и выходящей из атмосферы Земли).
Как бесчисленные поколения живых организмов выживают на ограниченном количестве материи все эти 4,5 миллиарда лет?
Именно превращение энергии и круговорот из одной формы в другую позволяет жить на Земле живым существам.
Круговорот
Материя и энергия циклически осуществляют кругооборот через другие организмы, включая бактерии, животных и растения, поскольку жизнь возникла около 3,8 миллиарда лет назад.
Для большой части земной жизни организмы получают энергию прямо или косвенно от Солнца.
Как и все звезды, Солнце излучает электромагнитную энергию, которая включает свет в видимом, ультрафиолетом и ультракрасном спектрах также, как рентгеновские, микроволны, радио волны и гамма-излучение. Это излучение электромагнитного спектра используется для превращения энергии из одной формы в другую.
Получение энергии живыми организмами
Важной составляющей частью всех живых организмов являются органические молекулы. Органические молекулы представляют собой соединения, содержащие углерод и водород атомы, могут включаться и другие типы атомов. Для того чтобы сформировались органические молекулы в природе происходит превращение энергии.
Организмы которые участвуют в формировании органических молекул являются производителями.
Производители — растения, водоросли, некоторые простейшие и многие прокариоты (одноклеточные живые организмы) потребляют энергию необходимую для получения органических молекул из солнечного света.
- Органические-молекулы биологического происхождения в составе углерода, водорода, кислорода и т.п.
- Неорганические-молекулы не содержат углерод который является основой всех живых существ.
Атом углерода имеет четыре электрона во внешней оболочке, которая может образовывать связь с другим атомом. Так как углерод способен образовывать четыре связи, атомы углерода могут образовывать цепи и кольца. В органических молекулах углерод связаны по крайней мере с одним водородом. Они встречаются в живых организмах и часто содержат другие типы атомов, включая кислород, азот, серу или фосфор.
Реагент неорганических продуктов
углекислый газ + вода + энергия → органические вещества + кислород
- Углекислый газ, который не содержит водород, считается неорганическим соединением.
- В этой реакции, углекислый газ и вода — реактивы (вещества которые проходят реакции).
- Органические молекулы и кислород являются продуктами.
- Требуемая для превращения энергия считается реагентом.
Другие типы производителей могут приобретать ресурсы через неорганические химические реакции, процесс, называемый хемосинтезом. Однако, фотосинтез является основным источником органических молекул на Земле.
Фотосинтез, включая растения, осуществляет превращение энергии солнечного света в химическую. Много организмов, как животные и некоторые простейшие и бактерии, не могут превращать углекислый газ в органические молекулы, так как не могут приобрести ресурсы от солнечного света.
Живые организмы приобретают органическое вещество путём употребления в пищу продуктов, полученных от производителей или других потребителей.
Реагент органических продуктов
Органические молекулы имеют относительно высокое содержание ресурсов. Превращение энергии и её извлечение из органических молекул происходит посредством процесса, называемого клеточным дыханием.
Углекислый газ, вода и тепло отходы клетчатого дыхания.
Производители также могут использовать клеточное дыхание для извлечения энергии хранившейся в органических молекулах.
органические вещества + кислород → углекислый газ + вода + энергия
Разлагатели, в состав которых входят бактерии и грибы, потребляют органические вещества от отходов и некогда живых организмов, тем самым осуществляя круговорот веществ и энергии при переработке органического вещества в экосистеме.
Взаимодействие производителей, потребителей, редуцентов (останки живых существ) и неживой компоненты окружающей среды образуют экосистему. В экосистеме, потоки ресурсов для работы идут от производителей к потребителям и разлагателям. Однако, на каждом шаге только небольшое количество ресурсов передается, остальное теряется как тепло.
Обмен веществ и превращение энергии проходит через экосистему взаимно выгодно всем ее членам.
Кислород, который является отходом фотосинтеза, используется для клетчатого дыхания для большинства организмов.
Углекислый газ который представляет отходы клетчатого дыхания, используется для фотосинтеза.
Фотосинтетические производители используют энергию солнечного света для преобразования диоксида углерода и воды в органические молекулы. Потребители и редуценты используют клетчатое дыхание для того чтобы извлечь ресурсы от органических молекул, которые производят углекислый газ и воду.
Круговорот веществ между живыми и неживыми
Круговорот веществ и энергии между живыми и неживыми элементами Земли происходит путём биогеохимических циклов.
Биогеохимические циклы включают в себя перенос вещества через живые и неживые части экосистемы.
Биогеохимический цикл включает циклы различных элементов и молекул. Например, цикл углерода включает движение углерода от углекислого газа к органическому веществу и обратно в углекислый газ.
Биогеохимические циклы также связаны с биологическими процессами — например, вода испаряется из океана и снова падает в виде дождя.
Биогеохимические циклы могут быть нарушены деятельностью человека, как в настоящее время происходит с углеродным циклом. Уголь, нефть и природный газ, известные в качестве ископаемого топлива берутся из залежей некогда живых организмов, которые были захоронены под земной корой. Когда эти виды топлива сжигаются, углерод выделяется в виде углекислого газа. Пока много из этого углерода углекислого газа поглощается растениями и превращается обратно в виде живой материи.
Однако сегодня из-за сжигания ископаемого топлива количества углерода который был похоронен под земной корой и в процессе круговорота в природе сейчас находится в атмосфере Земли приближается к 750 гигатонн. Этот углекислый газ создает глобальное потепление через парниковый эффект, который влияет на климат.
Читайте также: