Fysiikan oppikirja/Energia

Yleistä

Energiaa on kaikki se joka pystyy vaikuttamaan johonkin. Se voi kiihdyttää jotakin tai hidastaa jotakin. Joule (1 J = 1 Nm) on SI-järjestelmän perusyksikkö työlle ja energialle. Energialla käsitetään yleensä kykyä tehdä työtä: liike-energia, potentiaalienergia, sähkömagneettinen energia...

Suhteellisuusteorian mukaan myös aine (massa) on energiaa. Energia voi vapautua aineesta esimerkiksi ydinreaktiossa. Energia ja massa ovat siis saman asian eri ilmenemismuotoja.

Tätä massan ja energian yhteyttä kuvaa Einsteinin suppea suhteellisuusteoria E = mc².

Energian säilyminen ja huononeminen

Energian säilymislain mukaan energiaa ei synny tai häviä. Energian määrä maailmankaikkeudessa on siis vakio. Energia voi tosin muuttaa ilmenemismuotojaan ja energian sanotaan "huononevan", kun se muuttuu kohti lämpöä, joka on "huonointa" energiaa, koska sen muuttaminen miksi tahansa muuksi energiamuodoksi vaatii ulkopuolista energiaa. Esimerkiksi liike-energia voi ja muuttuukin kitkan vaikutuksesta lämmöksi, mutta lämpö ei voi muuttua itsestään liike-energiaksi. Tätä epäjärjestyksen mittaa kuvaa suure entropia. Lämpöopin toisen pääsäännön mukaan kaikki tapahtumat kulkevat kohti suurempaa entropiaa (eli epäjärjestystä).

Energian varastoituminen

Energiaa voi varastoitua potentiaalienergiaksi muuttumalla. Nostettaessa kappaletta ylöspäin siihen varastoituu gravitaatiovuorovaikutuksen energiaa, pudotettaessa tämä energia sitten vapautuu. Myös polttoaineet ovat hyvä esimerkki varastoituneesta energiasta; niihin on varastoitunut Auringon säteilemää energiaa, joka vapautuu poltettaessa.

Energian siirtyminen

Energiaa siirtyy kolmella tavalla; johtumalla (esim. koskettaessa), kulkeutumalla (esim. ilman tai veden mukana) ja säteilemällä (esim. Auringon energia siirtyy maahan säteilemällä).

Lämpölaajeneminen

Lämpölaajenemisessa aineen molekyylit/ atomit alkavat liikkumaan vapaammin, vaatien enemmän tilaa. Aineet siis laajenevat, kun lämpötilaa nostetaan.

Olomuodon muutokset

Aineella on kolme pääolomuotoa, jotka ilmenevät eri lämpötiloissa: kiinteä, neste ja kaasu. Muita olomuotoja ovat mm. plasma. Olomuodon muutos on fysikaalinen muutos, jossa ei muodostu uusia aineita. Esimerkki fysikaalisesta aineen olomuodon muutoksesta: vesi jäätyy nesteestä kiinteäksi aineeksi. Veden kolme olomuotoa ovat: kiinteä - jää, neste - vesi, kaasu - vesihöyry.

Aineen olomuodon muutokset

• Härmistyminen eli aineen muuttuminen kaasusta suoraan kiinteäksi
• Höyrystyminen tai kiehuminen eli nesteen muuttuminen kaasuksi
• Jähmettyminen eli nesteen muuttuminen kiinteäksi. Jäätyminen on nimitys nestemäisen veden jähmettymiselle.
• Sublimoituminen eli aineen muuttuminen kiinteästä suoraan kaasuksi
• Sulaminen eli kiinteän aineen muuttuminen nestemäiseksi
• Tiivistyminen eli kaasun muuttuminen nesteeksi

Liike ja energia

Liike-energia eli kineettinen energia on kappaleen liikkeeseen varastoitunutta energiaa. Kappaletta kiihdytettäessä kappaleen kiihtyvyyden aiheuttaneen voiman tekemä työ (joka on yhtä suuri kuin kappaleen kiihdyttämiseen käytetty energia) varastoituu kappaleen liike-energiaksi. Kappaleen liike-energia voidaan laskea kaavasta:

$E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}$

Myös pyöriminen on liikettä. Tällöin kappaleeseen kohdistuneen impulssimomentin tekemä työ varastoituu kappaleen pyörimis- eli rotaatioenergiaksi. Kappaleen rotaatioenergia voidaan laskea kaavasta:

$E_{k}={\frac {1}{2}}J\omega ^{2}$

Energia ja työ

...

Teho

Teho kertoo kuinka nopeasti työ tulee tehdyksi. Sen yksikkö on 1 W (watti) ja tunnus P (power). Teho saadaan, kun jaetaan työ työhön käytetyllä ajalla.

$P={\frac {W}{t}}$

Yksinkertaiset koneet

...

Painopiste ja tasapaino

...

Katso myös

• Fysiikan oppikirja/Liike ja voima