Energija

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Transformacija energije: tokom udara groma, 500 megadžula električne potencijalne energije se pretvara u ekvivalentnu veličinu energije svetla, energije zvuka i toplotne energije

Energija je sposobnost vršenja rada. Ova opšta definicija je deo osnovnih definicija savremene fizike, i to u onom delu koji treba da odgovori na pitanje o uzroku i poreklu prirodnih fenomena akcije, dejstva i sile. Svaki fizički sistem poseduje energiju u izvesnoj količini. Količina energije sistema nije apsolutna vrednost već relativna u odnosu na referentno stanje ili referentni nivo. Energija fizičkog sistema se definiše kao količina mehaničkog rada koga sistem može da proizvede kada menja svoje tekuće stanje i prelazi u referentno stanje; na primer ako se litar vode ohladi do 0 °C ili kada auto udari drvo i uspori od 120 km/h do 0 km/h.

U fizici je energija tesno povezana sa pojmom entropija.

Istorija[uredi]

Tomas Jang - prvi je koristio termin energija u modernom značenju

Izraz potiče od grčke reči energija (grč. ένέργεια) u značenju živahan, koja se prvi put najverovatnije pojavila u radu Aristotela u 4. veku pre nove ere.[1]

Tomas Jang je prvi 1807. godine koristio termin energija umesto do tadašnjeg termina vis viva (živa sila), u modernom značenju.[2] Gaspar Gistav Koriolis je prvi opisao kinetičku energiju 1829, a 1853, je Vilijam Rankin definisao termin potencijalna energija.

U prošlosti, o energiji se raspravljalo u smislu lako uočljivih efekata na telima ili stanja različitih sistema. U osnovi, ako se nešto promeni, neki oblik energije je odgovoran za takvu promenu. Kako se shvatalo da energija može biti uskladištena u tela, pojam energije je sve više obuhvatao ideju sposobnost (potencijal) za promene kao i same promene. Takvi efekti (i potencijalni i aktuelni) se pojavljuju u raznim oblicima; primer je električna energija dobijena iz baterija, hemijska energija uskladištena u hrani, toplotna energija grejača vode ili kinetička energija voza u pokretu. Jednostavno rečeno, energija je „promena ili sposobnost za promene“, mada u stvarnom svetu postoje primeri koji beže ovakvom pojednostavljivanju.

Pojam energije i rada su relativno novi alati kojima barataju fizičari. Ni Galilej ni Njutn nisu dali nikakav doprinos razvoju teoretskog modela energije, i tako je bilo do polovine 19. veka kada su se pojavili ovi pojmovi.

Razvoj parne mašine je zahtevao od inženjera da razviju pojmove i formule koji su im omogućili da opišu mehaničku i toplotnu efikasnost njihovih sistema. Inženjeri kao što su Sadi Karno i Džejms Preskot Džul, matematičari Emil Klaperion i Herman fon Helmholc i amateri kao Julijus Robert fon Majer su svi doprineli zajedničkom sagledavanju da sposobnost vršenja rada jeste nekako povezana sa količinom energije u sistemu. Priroda energije je i dalje bila neuhvatljiva i godinama je izazivala rasprave da li je energija neka vrsta materije ili jednostavno fizička veličina, kao što su, na primer, pritisak, temperatura, dužina,... itd.

Viljem Tomson (Lord Kelvin) je spojio sve prethodne zakone u svoj zakon termodinamike, što je pomoglo ubrzanom razvoju energetskom pristupu opisa hemijskih reakcija Rudolfa Klausijusa, Vilarda Gibsa i Voltera Nernsta. Dodatno, ovo je omogućilo Ludvigu Bolcmanu da opiše entropiju matematičkim pojmovima i da zajedno sa Jožefom Štefanom razmatra zakon o energiji zračenja.

Oblici energije[uredi]

Energija se može pojaviti u nekoliko oblika:

Pretvaranje energije[uredi]

Jedan oblik energije se može pretvoriti u drugi; na primer, baterija pretvara hemijsku energiju (Leklanšeovog elementa) u električnu energiju, koja se potom može pretvoriti u toplotnu (ili svetlosnu - što je elektromagnetna energija). Slično, potencijalna energija se pretvara u kinetičku energiju vode koja okreće turbinu, koja se potom pretvara u električnu energiju posredstvom generatora. Prilikom pretvaranja energije važi zakon o održanju energije.

Zakon održanja energije[uredi]

Zakon održanja energije tvrdi da se u zatvorenom sistemu ne može menjati ukupan iznos energije, on ostaje konstantan. Ovaj zakon je posledica translacione simetrije vremena, što znači da fizički proces ne može zavisiti od trenutka početka procesa na vremenskoj osi. Neki rad (znači i oblici energije) nisu lako merljivi bez prisustva posmatrača.

Opšti pogled na energiju[uredi]

U jednoj knjizi koja se bavi popularizacijom nauke se postavlja interesantno pitanje šta definiše i razdvaja oblike energije?

"Mi smo opremljeni sa dva različita i odvojena čula, jedno reaguje na elektromagnetske talase u opsegu približno 4*10-4 do 8*10-4 mm, što je svetlosno zračenje; drugo čulo na nešto duže talasne dužine, no ipak iste prirode, toplotne talase. Tako mi imamo dva različita izraza u našem jeziku svetlost i toplota, da naglase ova dva fenomena, koja objektivno gledano nemaju jasnu liniju razgraničenja već postepeno prelaze iz jednog u drugo. Pitanje je možemo li elektromagnetno zračenje talasne dužine 9*10-4 mm smatrati svetlosnim ili toplotnim talasima."

Znači, ako se vrši posmatranje raznih oblika energije na osi talasnog spektra na kojoj postoji beskonačno mnogo raznih talasnih dužina, šta čini jedan oblik energije različitim od drugog?

Ispod sledi nabrajanje oblika energije, kako ih mi doživljavamo u svakodnevnom okruženju:

Jedinice[uredi]

Internacionalni sistem SI[uredi]

Internacionalna jedinica za energiju i rad je džul (J), nazvana u čast Džejmsa Preskota Džula i njegovih eksperimenata kojima je dokazao ekvivalenciju mehaničke i toplotne energije. Školska definicija rada je: Skalarni proizvod vektora sile i vektora pomeraja, dakle: A = \vec{F} \cdot \vec{r}

Prva formula se u jedinicama SI sistema izražava kao:

1\ \mathrm{J} = \mathrm{Nm} = \mathrm{kg} \left(\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \right) ^ 2 = \frac{\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{s}^2}

Odnosno, jedan džul jednak je jednom njutn-metru, kao radu koji izvrši sila od jednog njutna pri pomeranju tela na putu od jednog metra, pri su sila i pomeraj istog smera. Jedinica energije u nuklearnoj fizici je elektronvolt (eV), s obzirom da su redovi veličina izrazito mali.

1\ \mathrm{eV} = 1.60217653 \cdot 10 ^ {-19}\ \mathrm{J}.

U spektroskopiji se koristi jedinica:

 \mathrm{cm}^{-1} = 0.0001239 \mathrm{eV} \,

što se objašnjava inverznom zavisnošću energije zračenja od talasne dužine, pri čemu to sledi iz poznate jednačine:

 E = h \nu = h c/\lambda \,.

Moment sile i energija[uredi]

Primetimo da se moment sile izražava takođe u njutn-metrima (Nm), što je ista jedinica kao i za energiju i nije u pitanju slučajnost: moment sile od 1 njutn-metra duž ugla od 1 radijana vrši rad (što je isto što i energija) od 1 džula.

Druge jedinice energije[uredi]

U CGS sistemu,

  • jedan erg je 1 g cm2  s−2, što je 1.0×10 −7 J
  • litar-atmosfera iznosi 101.325 J i davno je napuštena.

Kraljevske/američke jedinice mere za energiju i rad uključuju sledeće jedinice:

  • stopa-funta sila iznosi 1.3558 J,
  • britanska toplotna jedinica (Btu), jedinica koja ima nekoliko vrednosti i iznosi oko 1055 J, i
  • konjska snaga-sat i iznosi 2.6845 MJ.
  • kilovat-čas (kW h) je jedinica koja se koristi veoma često, pogotovo na računima za naplatu električne energije, a jedan kW h je ekvivalentno 3.6×106 J  (3600 kJ or 3.6 MJ). Metričke jedinice jesu konzistentne ali ova izgleda čudno zbog jednog jednostavnog razloga. Metrička jedinica za vreme je sekunda, a u satu ima 3600 sekundi -- drugim rečima, 1 kW s = 1 kJ je prilagođeno metričkom sistemu, ali je kW h primerenije svakodnevnoj upotrebi.
  • kalorija se uglavnom koristi u dijetama i ishrani i predstavlja količinu toplote potrebnu da jedan kilogram vode zagreje za jedan stepen Celzijusa, u uslovima normalnog atmosferskog pritiska, 1 atm. Ova količina toplote zavisi malo od početne temperature vode, što za posledicu ima razne kalorije raznih energetskih vrednosti. Vrednost kalorije (uglavnom) je 4.1868 kJ.
Kalorije koje služe za opis energetske sposobnosti hrane su velike kalorije koje za osnovu imaju kilogram, a ne gram (vode) i zato se zovu kalorije hrane. One se ponekad nazivaju kilokalorije, podrazumevajući da su kalorije male kalorije zasnovane na gramu, a kao rezultat se izbegavaju prefiksi za velike kalorije (1 kcal je 4.184 kJ, nikad 4.184 MJ, čak i kada kalorije znače veće jedinice u istom dokumentu ili na nalepnici kutije sa hranom). Kalorije hrane se ponekad označavaju sa Cal (1000 cal) sa velikim slovom C, ali je ovakva vrsta obeležavanja češća u knjigama hemije i fizike—koje ne koriste velike kalorije—nego u realnim primenama gde se one ipak koriste. (Ovakva vrsta obeležavanja je zbunjujuća u situacijama gde se reč kalorija pojavljuje na početku rečenice ili prvoj koloni tabele sastojaka, gde se i očekuju velika slova za sve sastojke koji se nekako mere kao što mogu biti „Šećer“, „Gvožđe“ i slično.)

Prenos energije[uredi]

Rad[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Mehanički rad

Prethodno pomenuta definicija rada ima svoja ograničenja. Ona važi pod uslovom da je sila konstantna, a putanja tela nije krivudava. Stoga je potrebno uvesti matematički pravilniju definiciju, koja se zasniva na ideji da se krivudava putnja podeli na veliki broj manjih, aposkrimativno pravih delova delova. Otuda se dobija obrazac:

A \approx \sum_{i=1}^{N} A_i= \sum_{i=1}^{N} \vec F(\mathbf s_i) \Delta \vec s_i\,.

Odakle:

A=\int_{\mathbf s_1}^{\mathbf s_2} \vec F(\mathbf s)\,\mathrm d \vec s\,,

Iz gornje jednačine sledi da je rad (A\,) jednak integralu skalarnog proizvoda vektora sile (\vec{F}) i infinitezimale vektora puta (\vec{s}).

Toplota[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Toplota
Toplotu, kao oblik energije, delimično čine potencijalna energija i kinetička energija nekog tela.

Toplota je uobičajeni naziv za toplotnu energiju tela koja je posledica kretanja atoma i molekula tog tela. Ovo kretanje može biti translatorno (kretanje molekula i atoma kao celine unutar tela), vibracije (relativno kretanje atoma unutar molekula ili kristalne rešetke) i rotaciono kretanje. To je oblik kretanja koji se obično povezuje sa temperaturom tela ili agregatnim stanjem materije. U hemiji, toplota je iznos energije koja se upije ili oslobodi prilikom ostvarivanja hemijskih veza između atoma u molekule koji su rezultat hemijske reakcije.

Veza između toplote i energije je slična vezi između rada i energije. Toplota se kreće iz oblasti sa višom temperaturom ka oblasti niže temperature. Svako telo poseduje izvesnu količinu unutrašnje energije i ona je vezana sa slučajnim, nasumičnim, kretanjem njegovih atoma ili molekula. Ova unutrašnja energija je direktno srazmerna temperaturi tela. Kada dva tela različitih temperatura dođu u termički kontakt oni međusobno razmenjuju unutrašnju energiju dok se temperatura ne izjednači. Iznos energije koji se prenese je jednak iznosu razmenjene toplote. Uobičajena zabuna se javlja mešanjem pojmova toplote i unutrašnje energije, ali postoji razlika: izmena unutrašnje energije je jednaka toploti koja iz okoline pređe na telo uvećano za rad koji okolina izvrši nad telom.

Toplotna energija se prenosi na tri načina: provodnošću (kondukcijom), protokom (konvekcijom) i zračenjem (radijacijom).

Očuvanje energije[uredi]

Prvi zakon termodinamike tvrdi da ukupan iznos energije koja uđe u sistem mora biti jednaka ukupnom iznosu energije koja izađe iz sistema uvećano za promenu energije unutar sistema. Ovaj zakon važi u svim granama fizike, uz probleme u kvantnoj mehanici. Teorema Emi Neter govori o vezi očuvanja energije sa vremenskom nezavisnošću zakona fizike, odnosno sa homogenošću vremena, kao jedinom njegovom simetrijom.

Primer očuvanja energije je matematičko klatno. U najvišem položaju kinetička energija je nula, a potencijalna gravitaciona energija je maksimumalna. Na svom najnižem položaju kinetička energija je maksimalna i jednaka je maksimalnoj vrednosti potencijalne energije koja je dostignuta u amplitidunom položaju. Ako se posmatra idealan slučaj i smatra da ne postoji trenje i otpor vazduha klatno bi se klatilo zauvek. U praksi, raspoloživa energija se nikad ne očuva potpuno kada telo menja stanje; inače bi bilo moguće napraviti večitu kretalicu (perpetuum mobile).

Drugi primer je hemijska eksplozija u kojoj se potencijalna hemijska energija pretvara u kinetičku energiju i toplotu u veoma kratkom vremenskom periodu.

Međutim, ne treba mešati pojmove očuvanje energije i čuvanje energije. Poslednji je vezan za čuvanje energetskih resursa i netrošenje fosilnih goriva ili električne energije.

Vrste energije[uredi]

Svi oblici energije kao što su toplotna, hemijska, električna, zračenje, nuklearna itd. mogu biti posmatrani ili kao kinetička ili kao potencijalna energija. Na primer toplotna energija je suštinski kinetička energija atoma i molekula; hemijska energija može biti zamišljena kao potencijalna energija atoma unutar molekula; električna energija se može shvatiti kao potencijalna i kinetička energija elektrona; nuklearna energija se na sličan način može posmatrati kao potencijalna energija subatomskih čestica unutar atomskog jezgra.

Kinetička energija[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Kinetička energija

Kinetička energija je deo energije koji se odnosi na kretanje.

E_k = \int \vec{v} \cdot \mathrm{d}\vec{p}

Gornja jednačina tvrdi da je kinetička energija (E_k\,) jednaka linijskom integralu skalarnog proizvoda vektora brzine (\vec{v}) tela i infinitezimalne promene vektora impulsa (\vec{p}).

Za ne-relativističke brzine, a to su brzine mnogo manje od brzine svetlosti, može se koristiti Njutnov izraz za kinetičku energiju:

E_k = \begin{matrix} \frac{1}{2} \end{matrix} mv^2

gde je

E_k\, kinetička energija
m\, masa tela
v\, brzina tela

Pri brzinama bliskim brzini svetlosti ispravno je koristiti relativističku formulu:

E_k = m c^2 (\gamma - 1) = \gamma m c^2 - m c^2 \;\!
\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - (v/c)^2}}

gde je

v\, brzina tela
m\, je masa tela u mirovanju
c\, je brzina svetlosti u vakuumu, što je približno 300.000 km/s
\gamma m c^2 \, je ukupna energija tela
m c^2 \, je energija tela u mirovanju.
(Pogledati: E=mc².)

Relativistička formula može biti predstavljena i u obliku Tejlorovog reda, gde će biti navedena samo dva početna člana

E_k = \frac{1}{2} mv^2 + \frac{3}{8} \frac{mv^4} {c^2} + \cdots

Odatle, drugi i sledeći članovi reda se mogu smatrati netačnošću Njutnove aproksimacije izraza za kinetičku energiju, a vezani su za relativističke fenomene. Za brzine mnogo manje od brzine svetlosti u vakuumu ti članovi imaju jako male vrednosti, pa se mogu zanemariti, što potvrđuje tačnost klasičnih formula u već pomenutom opsegu „manjih“ brzina koje srećemo u svakodnevnom životu, pa se stoga i nerelativističke formule često upotrebljavaju.

Energija mirovanja[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Energija mirovanja

U relatvističkoj fizici materijalno telo ima energiju samim tim što postoji. Ta energija se naziva energijom mirovanja. Računa se prema obrascu E=mc².

On se dobija kada se po relativistički definisanom konceptu formula za ukupnu energije ista razloži u red:

E = m_0 c^2 \left[1 + \frac{1}{2} \left(\frac{v}{c}\right)^2 + \frac{3}{8} \left(\frac{v}{c}\right)^4 + \frac{5}{16} \left(\frac{v}{c}\right)^6 + \ldots \right].

Prvi član u razvoju, nezavistan od brzine predstavlja tu energiju mirovanja.

Formula E=mc² ima dubok suštinski značaj. Prema ovoj, široko poznatoj relaciji energija i masa su ekvivalentne. formula ima veliku primenu u objašnjavanju nekih nuklearnih reakcija. Ova formula daje mogućnost da foton, koji nema masu mirovanja poseduje masu zahvaljujući svoje energije definisane Plankovom formulom.

Potencijalna energija[uredi]

Osnovni članak: Potencijalna energija.

Nasuprot kinetičkoj energiji, koja je energija sistema usled kretanja ili unutrašnjeg kretanja čestica, potencijalna energija sistema je povezana sa prostornim rasporedom delova jednog tela ili uzajamnog rastojanja dva tela i njihovih interakcija. Bilo koji broj čestica koje deluju silama jedna na drugu čine sistem sa potencijalnom energijom. U makrosvetu, odnosno delu prirode koji opažamo našim prirodnim čulima to su uglavnom elektrostatička sila (Kulonov zakon) i gravitaciona sila.

U izolovanom sistemu koji se sastoji od dva nepokretna tela koji deluju silom f(x)\, jedno na drugo i leže na x-osi, potencijalna energija se izražava opštom jednačinom

E_p = -\int f(x) \, dx

gde je sila između tela promenljiva u zavisnosti od udaljenosti x i integriše se duž linije koja spaja ova dva tela.

Dalje, možemo posmatrati vezu između sile i potencijalne energije, uzimajući isti sistem od dva tela na x-osi. Ako imamo potencijalnu energiju U(x)\, u svakoj tački x\,, tada je sila koja deluje na telo u tački x\,

f(x) = -\frac{dU(x)}{dx}

Ova matematička veza otkriva neposrednu zavisnost između sile i potencijalne energije: sila između dva tela deluje u smeru opadanja potencijalne energije, a jačina je srazmerna brzini opadanja potencijalne energije. Snažne sile su posledica naglog pada potencijalne energije, dok su male sile posledica blagog opadanja potencijalne energije. Primetimo da sila koja deluje na telo potpuno zavisi od potencijalne energije.

Ove dve relacije – definicija potencijalne energije preko sile i zavisnost sile od potencijalne energije – pokazuju kako su dve pojave: sila i potencijalna energija suštinski povezane. Ako dva tela ne deluju silama međusobno, nema potencijalne energije među njima. Ako dva tela deluju silom jedno na drugo, potencijalna energija se pojavljuje u sistemu kao deo ukupne energije sistema. Pošto potencijalna energija nastaje iz sila, svaka promena u prostornom rasporedu će umanjiti ili uvećati potencijalnu energiju sistema kako tela menjaju međusobnu udaljenost.

Kada se sistem pomera u stanje niže potencijalne energije, energija se ili oslobađa u nekom obliku ili pretvara u drugi oblik energije, kao što je kinetička energija. Potencijalna energija može biti uskladištena kao gravitaciona energija, hemijska energija, energija mase mirovanja ili električna energija, ali se pojavljuje uvek zbog prostornog rasporeda i međudejstva tela unutar sistema. Za razliku od kinetičke energije koja postoji u svakom telu u pokretu, potencijalna energija postoji u svakom telu koje je u međudejstvu sa nekim drugim telom.

Na primer, masa ispuštena iznad Zemlje ima prvobitnu potencijalnu energiju koja potiče od gravitacione privlačnosti Zemlje, koja se potom pretvara u kinetičku energiju, kako privlačna gravitaciona sila deluje na telo, a istovremeno se njegova potencijalna energija smanjuje dok telo pada.

Na malim visinama iznad Zemlje ova potencijalna energija Zemljine teže izračunava se prema jednačini:

E_p = mgh \;

gde je

m\, masa tela,
h\, je visina i
g = 9,81 m/s^{2} \, je vrednost ubrzanja Zemljine teže u blizini površine Zemlje

Unutrašnja energija[uredi]

Vista-xmag.png Za više informacija pogledajte članak Unutrašnja energija

Unutrašnja energija je kinetička energija povezana sa kretanjem molekula i potencijalnom energijom koja je povezana sa rotacionim kretanjem, vibracijama i električnom energijom atoma unutar molekula. Unutrašnja energija, kao i svaka druga energija, je merljiva funkcija stanja sistema.

Energija i ekonomija[uredi]

Način kako čovečanstvo koristi energiju je jedan od osnovnih karakteristika ekonomije i čitave civilizacije. Napredak od zaprežne snage do parne snage, potom motora sa unutrašnjim sagorevanjem i na kraju električne snage jesu ključni elementi i pokazatelji razvoja civilizacije. Budući razvoj energetike posebno stavlja akcenat na obnovljivu energiju i energetsku efikasnost kao ključ očuvanja fosilnih izvora energije i izbegavanja efekta staklene bašte (globalnog zagrevanja).--

Vidi još[uredi]

Reference[uredi]

Sa drugih Vikimedijinih projekata :

  1. ^ Harper, Douglas. „Energy“. Online Etymology Dictionary Приступљено 1. 5. 2007.. 
  2. ^ Smith (1998).

Literatura[uredi]

  • Smith, Crosbie (1998). The Science of Energy – a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. The University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-76420-7.