Энергия в физике. Виды энергии. Работа и энергия

Что такое энергия в физике? А давайте перефразируем: что общего, если подумать, может быть между приключенческим жанром компьютерных игр и центральной научной концепцией физики?

Только не спешите с выводами. Итак, допустим, вы отважный охотник за древними сокровищами. Жизнь ваша насыщенна на необычные локации, захватывающие события, непредвиденные встречи. Хоть и происходит все это лишь внутри виртуального компьютерного периметра. Но тем не менее.

И вот, сюжет развивается, сокровищницы иссякают, как приходит час финальной битвы. Вас ждет главный золотой улов, если удастся одолеть обитающего глубоко в подземельях дракона-хранителя.

Пусть геймплей нашей воображаемой игры таков, что атака мечом стоит персонажу десять очков энергии. Ее полный запас составляет сто очков, но при этом она возобновляемая. Поэтому вы бегаете вокруг дракона, чтобы где-то потянуть время, отдохнуть. Тактически распределяете удары. Однако увы и ах: запас энергии персонажа заканчивается раньше, чем очки здоровья дракона. Что-то определенно пошло не так.

Но не будем расстраиваться. Ведь дело далеко не в том, что мы проиграли дракону. Все дело здесь — в механизме игровой энергии, который мы только что описали. И если у вас не возникло проблем с его пониманием, понятие «энергия» в физике не покажется вам, как большинству людей, чем-то уж чересчур фантасмагорическим. 

Энергия в физике: определение

В общем понимании:

Энергия — мера взаимодействия материи и различных форм движения.

Хотя… да, избежать фантасмагории не удастся. Проблема такова, что ни одно определение данного явления не может дать адекватного понимания энергии.  Ни с точки зрения механики, ни с точки зрения химии или любого другого научного раздела. И это несмотря на то, что энергия в физике является чуть ли не самым важным понятием.

Энергия — основа каждой из четырех фундаментальных сил природы: гравитационного взаимодействия, электромагнитного, сильного и слабого ядерных взаимодействий. Движение и тепловые явления обладают энергией. Хорошо знакомое вам понятие массы тоже является одним из частых проявлений энергии.

Более того, энергия встречается не только в физике, но также и в астрономии, химии — во всех ветках естественных наук. А на бытовом уровне качество и количество энергии даже охраняется Гражданским кодексом Российской Федерации!

Компьютерные игры, темная материя, кипящий чайник… Различные формы энергии окружает нас на каждом шагу. Однако определить ее достаточным образом, увидеть, представить или почувствовать невозможно.

Формы энергии как абстракция

Почему?

Потому что энергия в физике — абстрактная концепция. Абстракция представляет собой теоретическое обобщение. Иначе говоря, это то, что мы можем познать и определить лишь в границах нашего сознания.

Понять, что имеется в виду, проще всего с помощью классического сравнения абстрактного и конкретного. Представьте в своей голове автомобиль, как он приходит в движение. Далее представьте, как выглядит его корпус, каков его цвет, что за вид открывается внутри салона. Теперь попробуйте сделать то же самое со словом «любовь» или «обреченность». Или со словом «энергия». 

Как работа связана с энергией

Именно поэтому долгое время понятие энергии ассоциировалось больше с философией, чем со строгой наукой. Лейбниц, Лагранж, Бернулли и многие другие выдающиеся ученые выдвигали свои версии количественного и качественного определения энергии. Только современное определение энергии в физике сформировалось аж к 1807 году. Во многом благодаря британскому естествоиспытателю Томасу Юнгу.

Он взял за основу механическую работоспособность и связал ее с научным значением работы. В полном объеме, на базе выводов Юнга, сформулировать, как работа связана с энергией, можно так:

Энергия — количественная мера, сообщающаяся внутри системы при создании физического изменения, которая показывает способность тела производить работу.

Если тело совершает работу или может совершить работу, мы можем говорить о том, что оно обладает энергией. Соответственно, чем больше объем работы, производимый телом, тем большим количеством энергии оно обладает. 

Работа и энергия в физике — зачем это нужно?

Зачем нужна энергия, когда есть работа? Хороший вопрос. Им невольно начинает задаваться каждый, кто впервые в курсе физики сталкивается с энергией и определением энергии как меры, показывающей способность производить работу.

Есть масса, есть сила, есть работа. Зачем необходимо вводить неявную абстракцию в этот последовательный ряд? Что вообще значит «способность совершать работу»? Как будто ее может не быть. Давайте в таком случае представим, что энергия как физическая величина не существует, и решим с этим допущением стандартную задачу на работу.

Решение. Работа равна произведению величины силы на пройденный путь — $A=F\Delta s$. Величина силы дана в условии задачи в виде силы тяги в $20~кН$. Переведем величины в СИ и подставим в формулу: $$A= 20\cdot 10^3~Н \cdot 2000~м=40000000~Дж=40~МДж$$

Автомобиль совершил работу в сорок мегаджоулей. Однако как легко мы предположили, что автомобиль ее действительно совершил. Да, номинально двигатель приводит машину в движение силой тяги, она проезжает два километра. Но что, если машина попросту не заведется? Просто потому, что в ней нет бензина? Двигатель не может начать работу с «пустого места» — ему нужна энергия, чтобы эту силу производить в полном объеме.

Абстрактное понятие энергии как раз и позволяет измерять подобные нюансы. Любая сила, реакция, процесс, движение требуют в своем роде запас «бензина», дабы что-то происходило.  Ваше тело, к примеру, обладает силой и способно перемещать тяжелые ящики, но если плотно не покушать, полностью реализовать потенциал вашей силы вы не сможете. 

Единицы измерения энергии

Энергия обозначается заглавной латинской литерой $E$.

Логично, что раз энергия определяет саму возможность совершения работы, то единицы измерения энергии согласуются с работой. Поэтому энергия измеряется в джоулях, $Дж$. Но поскольку энергия — многогранная мера, применимая ко всем системам, не только механическим, в реальной жизни чаще всего она выражается более удобными внесистемными единицами.

Вот некоторые из них:

• Калории как единицы измерения энергии. $1~кал$ равняется $4,1868~Дж$. Одна из разновидностей калорий вам прекрасно знакома — на обертке продуктов вы наверняка обращали внимание на пункт «калорийность». Он сообщает энергетическую ценность пищи. К примеру, средняя калорийность одного кусочка пиццы «Маргарита» составляет $200~ккал$. Можно потратить эту энергию примерно на часовое мытье окон в квартире. А еще одного кусочка «Маргариты» хватит, чтобы два часа мыть посуду.

• Киловатт-часы как единицы измерения энергии. В электроэнергетике энергия часто выражается в киловатт-часах, где $1~кВт\cdot ч= 3,6~МДж$. Вам обязательно встретится эта единица, если вы внимательно осмотрите сводку коммунальных платежей за «электричество» или в простонародье — «за свет».

Задача на энергию, деньги и пиццу «Маргарита»!

Среднестатистический компьютер потребляет около $0,2~кВт$ электроэнергии в час. Скажем, что в день компьютер включен в течение шести часов. В среднем цена за $1~кВт\cdot ч$ в центральной России составляет $6$ рублей. Сколько средств вам необходимо будет внести в счет оплаты электроэнергии за месяц в $30$ дней?

А сколько кусочков пиццы «Маргарита» необходимо будет съесть, чтобы заработать эти средства самостоятельно мытьем окон, если работодатель предлагает ставку $50$ рублей в час за работу?

Показать ответ

Скрыть

Формы энергии

Несмотря на абстрактность и относительную искусственность, физическое понятие энергии можно применять для описания огромного количества систем. Начиная от недавно изученных простых рычагов, заканчивая атомным ядром. Везде, где есть процесс или потенциал совершения этого процесса (даже если тело просто лежит неподвижно — его же можно заставить двигаться при желании, правда?), с помощью энергии можно рассчитать, сколько «бензина» потребуется для реализации этого процесса или сколько «бензина» выделится в итоге. 

{"questions":[{"content":"Соотнесите примеры явлений с соответствующими <b>формами энергии</b>.[[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Механическая энергия","Потенциальная упругая энергия","Тепловая энергия","Звуковая энергия","Электроэнергия","Магнитная энергия","Химическая энергия"],"items":["Едущий велосипед","Сжатие пружины","Остывание тарелки супа","Пение человека","Свечение лампочки накаливания","Притяжение магнита","Связи между атомами"]}}}]}

Понятие энергии и еще пару слов об абстракциях

Абстракции — это не так страшно, как кажется. Посмотрите, какой огромный пласт природных явлений можно описать, если условиться, что существует абстрактный «бензин», он же энергия.

С другой стороны, резонно заметить: «Если энергия — условность, абстракция, номинально ее не существует, и мы как бы договорились всем миром называть ряд вещей «энергией», как мы можем брать нечто несуществующее и описывать этим нечто существующее? Тепло, свет, химию, движение?»

А задайте этот вопрос математикам!

Крайне тяжело найти человека, который бы не понимал смысл чисел, а ведь их тоже, так подумать, не существует в природе — мы их специально придумали, описали и ввели в обращение. Скажем, перед вами лежит горка конкретных персиков, но представить эту горку персиков абстрактным, несуществующим понятием «семь штук» вы способны без особого умственного напряжения. Чем энергия хуже чисел в этом аспекте?

В конце концов, понятие энергии позволяет дополнительно определить важный момент физики — момент «до» приложения силы.