Przemiany energii

Energia jest funkcją stanu, która jest najlepiej zdefiniowana jako zdolność do wykonywania pracy lub wytwarzania ciepła. Istnieje wiele form energii (np. energia promieniowania, energia kinetyczna, energia potencjalna, itp.), z których każda może być przekształcona w inną formę energii. Podstawowe prawo termodynamiki mówi, że całkowita energia wszechświata jest stała i że energia nie może być stworzona lub zniszczona – może być tylko przekształcona z jednej formy w inną.

Energia może być zmieniona lub przekształcona z jednej formy w inną. Przemiana energii jest również nazywana konwersją energii. Jednostką Système International d’Unités (SI) dla energii jest dżul (J), nazwany tak na cześć Jamesa Joule’a, który wykazał, że praca może być przekształcona w ciepło. Dżul jest podstawową jednostką energii zarówno dla pracy jak i ciepła i jest pracą wykonaną przez siłę o wartości jednego Newtona działającą na odcinku jednego metra. Dżul jest również równy 1/4,184 kalorii. Energia jest często wyrażana jako kaloria (cal), która jest ilością ciepła potrzebną do podniesienia temperatury jednego grama wody o jeden stopień Celsjusza przy ciśnieniu jednej atmosfery. Jedna kaloria jest równa 4,184 dżula. Kaloria (Cal; zwana również kilokalorią), która jest używana do wyrażenia energii zawartej w żywności, jest równa 1000 kalorii.

Energia kinetyczna jest energią obiektu w ruchu i jest związana z Newtonowskim wzorem 1/2mv2 (gdzie m równa się masie w Kg, a v równa się prędkości w metrach/sekundę). Obiekt w ruchu może spowodować wykonanie pracy przez inny obiekt poprzez zderzenie z nim, powodując jego ruch na określoną odległość. Zderzającymi się obiektami mogą być młotek uderzający w gwóźdź lub dwa atomy zderzające się w reakcji chemicznej. Przykłady energii kinetycznej to energia mechaniczna (spowodowana ruchem części) i energia termiczna (spowodowana przypadkowym ruchem cząsteczek materii). Obiekt posiadający energię potencjalną posiada energię na mocy położenia i jest związany równaniem Newtona PE=mgh (gdzie m równa się masie w Kg, g przyspieszeniu ziemskiemu – w przybliżeniu 9,8 m/s2 w pobliżu powierzchni Ziemi, a h równa się wysokości w metrach). W pewnym momencie na tym obiekcie została wykonana praca, która spowodowała zmagazynowanie energii. Jednym z przykładów wykonania pracy nad obiektem w celu nadania mu energii potencjalnej jest podnoszenie ciała wbrew sile grawitacji Ziemi. Podczas podnoszenia ciało zyskuje energię potencjalną, która jest przekształcana w energię kinetyczną podczas spadania.

Innym przykładem energii potencjalnej jest woda w podniesionym zbiorniku. Jeśli pozwoli się wodzie spadać na koło, a koło się obraca, to obracające się koło może być wykorzystane do produkcji energii elektrycznej. Woda w zbiorniku ma grawitacyjną energię potencjalną. Energia potencjalna wody jest przekształcana w energię mechaniczną koła, która jest następnie przekształcana w energię elektryczną.

W 1845 roku Joule przeprowadził eksperyment, który zademonstrował przemianę energii zarówno jakościowo, jak i ilościowo. Eksperyment nie był skomplikowany – umieścił koło łopatkowe w zbiorniku z wodą i zmierzył temperaturę wody. Kręcił kołem w wodzie przez pewien czas, po czym ponownie odczytał temperaturę. Stwierdził, że temperatura wody wzrasta w miarę kręcenia kołem łopatkowym. Joule określił tę obserwację ilościowo i odkrył, że do podniesienia temperatury wody o jeden stopień zawsze potrzebna jest taka sama ilość energii. Odkrył również, że nie musi to być energia mechaniczna; może to być energia w dowolnej formie. Uzyskał takie same wyniki z energią elektryczną lub magnetyczną, jak z mechaniczną. Eksperymenty Joule’a pokazały, że różne formy energii są równoważne i mogą być przekształcane z jednej formy w inną.

Co ciekawe, jak wyraził to Joule, energia potrzebna do zwiększenia masy jednego funta wody o jeden stopień na skali Fahrenheita jest równa ilości energii uzyskanej przez ciężar 890 funtów po upadku o jedną stopę w ziemskim polu grawitacyjnym.

Te obserwacje doprowadziły do tego, co obecnie nazywamy „prawem zachowania energii”. Prawo to stwierdza, że za każdym razem, gdy energia jest przekazywana pomiędzy dwoma obiektami lub przekształcana z jednej formy w inną, żadna energia nie jest tworzona i żadna nie jest niszczona. Całkowita ilość energii zaangażowanej w proces pozostaje taka sama.

Większość reakcji chemicznych wiąże się z przemianami energii. Reakcja chemiczna jest po prostu procesem, w którym wiązania między atomami są zrywane i tworzone są nowe.

Najwyższym przykładem przemiany energii jest energia promieniowania Słońca. Cała energia na Ziemi pochodzi od Słońca, energii pozostałej po uformowaniu się Ziemi (zazwyczaj energia termiczna spowodowana grawitacyjnym zapadaniem się materii) lub energii pochodzącej z rozpadu jądrowego we wnętrzu Ziemi). Energia cieplna we wnętrzu Ziemi napędza tektonikę płyt, a na powierzchni energia promieniowania słonecznego jest przekształcana przez rośliny w energię chemiczną w procesie fotosyntezy. Ta energia chemiczna jest magazynowana w postaci cukrów i skrobi. Kiedy rośliny te są zjadane przez zwierzęta (tzn. jako część łańcucha pokarmowego), ta energia chemiczna jest przekształcana w inną formę energii chemicznej (tłuszcze lub mięśnie) lub wykorzystywana do produkcji energii mechanicznej lub cieplnej. W odniesieniu do paliw kopalnych , paliwa używane w erze współczesnej pochodzą z przemian energii słonecznej w ciągu milionów lat.

Zobacz także Ziemia (planeta); Ziemia, struktura wewnętrzna; Trzęsienia ziemi; Wydarzenie K-T; Osuwisko; Ruch masowy; Radioaktywność