Jakie są rodzaje energii? – Poznaj tajemnicę z lekcji fizyki

Jakie są rodzaje energii? Wielu uczniów zadaje sobie to pytanie podczas lekcji fizyki. Wiemy, że wiele urządzeń wspomagających codzienne życie, takich jak komórka, czajnik czy komputer, działają dzięki energii elektrycznej. O sobie samych mówimy często, że nie mamy energii. Ale czym w istocie jest sama energia? Definicji tak naprawdę jest tyle, ile sposobów jej wykorzystania. Najbardziej ogólnie moglibyśmy ją określić jako „stan, w którym znajduje się jedno (lub wiele) ciał”. Tak szeroki opis jednak nie umożliwia nam określenia, w jaki sposób mielibyśmy ją mierzyć i co na jej podstawie przewidzieć.

Rodzaje energii – energia mechaniczna

Na lekcjach fizyki najczęściej rozpatrujemy ten rodzaj energii, który jest związany zarówno z poruszaniem się, jak i położeniem danego obiektu w przestrzeni. Składają się na niego energia kinetyczna oraz potencjalna. Pomówmy teraz o tej pierwszej. Jest ona związana z ruchem danego ciała, a co za tym idzie, jest ściśle związana z jego prędkością, co wyraża wzór: Ek = mv2/2, gdzie Ek to energia kinetyczna, m jest masą ciała a v to jego prędkość. Jeśli naszym poruszającym się obiektem jest bryła sztywna, a ona sama obraca się wokół jednej ze swoich głównych osi, to we wzorze należy poczynić pewne modyfikacje. Prędkość ciała zastępujemy jego prędkością kątową (ω), a masę momentem bezwładności (I). Jak już się domyślasz, wzór będzie wyglądał następująco: Ek = Iω2. Te wzory są jednak słuszne tylko, gdy mamy do czynienia z prędkością dużo mniejszą niż prędkość światła.

Rodzaje energii – energia potencjalna

Z kolei energia potencjalna jest związana z położeniem danego ciała w przestrzeni. Konkretnie, jest równa pracy, jaką by trzeba było wykonać, by umieścić obiekt w określonym punkcie. Wyróżniamy dwa rodzaje energii potencjalnej: grawitacji i sprężystości. Pierwsza z nich jest ściśle związana z polem grawitacyjnym, które wytwarza wokół siebie każde ciało, które ma masę. Kiedy nasza rzecz jest w małej odległości od Ziemi, możemy wyrazić jej energię potencjalną grawitacji wzorem E = mgh, gdzie g to przyspieszenie ziemskie, m oznacza masę obiektu, a h jego odległość od powierzchni Ziemi. Czym jest ta niewielka wysokość? Przede wszystkim, musi ona być mniejsza od promienia Ziemi, a reszta zależy już od tego, z jaką dokładnością potrzebujemy wyznaczyć energię. Przykładowo, jeśli zależy nam na 99% dokładności, to możemy użyć wzoru E = mgh, gdy h jest mniejsze od 64 km.

Z kolei, gdy myślimy o dużych odległościach albo siła grawitacji zmieni się podczas ruchu ciała, używamy wzoru E = -GMm/r, gdzie r – początkowa odległość ciała od Ziemi, G – stała grawitacyjna (równa ok. ), M to masa Ziemi, a m oznacza masę oddalającego się ciała. Wyjaśnienie, dlaczego tu umieszczamy znak minus, byłoby dość skomplikowane, zatem zapamiętajmy, że wynika to z przyjmowanego układu odniesienia. Do energii potencjalnej zaliczamy także energię sprężystości. Wykazuje ją zarówno ciężarek zawieszony na sprężynie, jak i drgająca cząsteczka w jakiejś substancji. Wartość tej energii wyrażamy wzorem E = kx2/2, gdzie k – współczynnik sprężystości a x to odkształcenie ciała.

Jakie są inne rodzaje energii?

Z jakich jeszcze rodzajów energii korzystamy? Ograniczymy się tutaj do dwóch szczególnie obecnych w naszym codziennym życiu, konkretnie energii jądrowej i elektrycznej. Przytoczenie energii jądrowej może być tu nieco zaskakujące, lecz zauważmy, że to tak naprawdę dzięki niej życie na Ziemi może się rozwijać. Dlaczego? Dlatego, że ten rodzaj energii jest źródłem promieniowania emitowanego przez ciała niebieskie, w tym nasze pobliskie Słońce. A jak wiadomo, bez energii słonecznej nie mogłyby żyć rośliny, które są pożywieniem zwierząt hodowlanych i nas samych.

Źródłem energii jądrowej są różnice w energiach wiązań w różnych jądrach atomowych. Innymi słowy, kiedy rozszczepiamy ciężkie jądro, wydzielana jest energia. Taki schemat postępowania przybraliśmy w elektrowniach jądrowych. Podobnie dzieje się, gdy łączymy ze sobą jądra lekkich atomów. Taka fuzja może trwać aż do momentu, kiedy zaczną powstawać w gwieździe atomy żelaza, które to są stosunkowo ciężkie, a przede wszystkim najstabilniejsze spośród jąder. Właśnie w taki sposób energię uzyskują gwiazdy. My również próbujemy go podrobić, lecz jak dotąd ludzkości nie udało się opracować technologii, która pozwalałaby na stabilne łączenie lekkich jąder.

A co z energią elektryczną? Z definicji to energia układu ładunków elektrycznych, którą może gromadzić w polu elektrycznym lub w kondensatorach. Potocznie jednak rozumiemy ją jako prąd (czyli uporządkowany ruch ładunków, który może zaistnieć po przyłożeniu pola elektrycznego do przewodnika) i jego energię, która jest przekazywana danemu urządzeniu i wykorzystana przez nie na jego działanie. Często używaną jednostką energii elektrycznej jest kilowatogodzina (kWh). Odpowiada ona ilości energii zużytej przez urządzenie o mocy tysiąca watów w godzinę. A czy my możemy policzyć, ile urządzenie pobierze energii? Oczywiście! W tym celu musimy przemnożyć moc wybranego urządzenia, przez czas, w którym go używamy. Pozwoli to nam też na oszacowanie, ile kosztuje eksploatacja danego przyrządu, więc i stwierdzenie czy może warto już go zamienić na oszczędniejszy model.