Энергия және оның түрлері

Энергия

Энергия (гр. energeіa – әсер, әрекет) – материя қозғалысының әр түрлі формасының жалпы өлшеуіші.

Материя қозғалысының әр түрлі формалары бір-біріне айналып (түрленіп) отырады. 19 ғасырдың орта шенінде осы қозғалыстың барлық формалары бір-біріне белгілі бір сандық мөлшерде ғана айтылатындығы анықталды; осы жағдай “энергия” ұғымын енгізуге, яғни қозғалыстың әр түрлі физикалық формаларын бірыңғай өлшеуішпен өлшеуге мүмкіндік берді. “ Энергия” ұғымы сақталу заңына бағынады (қ. Энергияның сақталу заңы, Термодинамика). Энергия туралы түсінік мәңгілік қозғалтқыш жасаудың мүмкін еместігін дәлелдеуге байланысты пайда болды. Жұмыстың қоршаған ортадағы немесе жүйедегі белгілі бір өзгерістің (отынның жануы, судың құлауы, т.б.) нәтижесінде ғана орындалатындығы анықталды; дененің бір күйден басқа бір күйге ауысуы кезіндегі белгілі бір жұмыс істеу қабілеті оның энергиясы деп аталды.

Қозғалыстың әр түрлі формасына сәйкес энергияның да бірнеше түрі бар (мысалы, механикалық энергия, химиялық энергия, электромагниттік энергия, гравитациялық энергия, ядролық энергия, т.б.) Физиканың даму процесінде энергия ұғымы нақтыланып әрі жалпыланып отырды. Энергия туралы ілімнің дамуындағы маңызды бір кезең үздіксіз ортадағы энергия қозғалысы мен “ энергия ағыны” туралы ұғымның енгізілуі болды. Энергия ағыны деп энергия тығыздығы мен берілген ортадағы орын ауыстыру жылдамдығының көбейтіндісіне тең векторды айтады.

Кванттық физиканың дамуы энергия ның квантталатындығы жайлы, яғни кейбір жағдайда жүйенің энергия сы тек дискретті (үздікті) мәндерді ғана қабылдайды деген фактіні дәлелдеуге мүмкіндік берді. Мұндай жағдай мысалы, сәуле шығару энергия сына, микробөлшектердің тербеліс және айналу Энергиясына қатысты айтылады. Салыстырмалық теориясында Энергия (Е) мен масса (m) арасындағы байланыстың (Е=mс2, мұндағы с – вакуумдегі жарық жылдамдығы) ашылуы физика үшін зор маңызды болды. Бұл қатыс әмбебаб қатыс болып есептеледі. Сондықтан ол тіпті өте кішкентай микробөлшектің өзінде де әрқашан қозғалыстың белгілі бір түрі болатындығын көрсетеді. Мұндай қозғалыстың өлшеуіші mс2 өрнегі болады. Әсіресе бұл қатыстың ядр. энергетиканың дамуына байланысты іс жүзіндегі маңызы арта түсті. Энергия бірліктердің халықаралық жүйесінде (СИ) джоульмен, бірліктердің СГС жүйесінде эргпен өлшенеді. Ал ядролық және атомдық физикада энергияның өлшеу бірлігі ретінде электронвольт алынады.

Энергия екіге бөлінеді: потенциалдық және кинетикалық энергия. Потенциалдық энергия денелердің немесе дене бөліктерінің өзара алмасуынан пайда болады. Кинетикалық энергия дене қозғалысқа түскенде пайда болады.

Потенциалдық энергия — жүйенің толық механикалық энергиясының бір бөлігі. Ол жүйені құрайтын материалдық бөлшектердің өзара орналасуына және олардың сыртқы күш өрісіндегі (мысалы, гравитация өрісі) орнына байланысты анықталады. Жүйенің қарастырылып отырған орнындағы потенциалдық энергиясының сандық мәні жүйенің осы орнынан потенциалдық энергиясы шартты түрде нөлге тең (П=0) болатын орынға ауысуы кезінде жүйеге әсер ететін күштердің атқаратын жұмысына тең. Потенциалдық энергия ұғымы тек консервативтік жүйелерге ғана, яғни сырттан әсер етуші күштердің атқаратын жұмысы жүйенің бастапқы және соңғы орындарына ғана тәуелді болатын жүйелерге қолданылады. Мысалы, і — биіктікке көтерілген салмағы Р жүктің потенциалдық энергиясы П=P×і-қа тең (і=0 болғанда П=0); серіппеге бекітілген жүк үшін , мұндағы — серіппенің созылуы (сығылуы), k — оның қатаңдық коэфф. болғанда П=0. Бүкіл әлемдік тартылыс заңы бойынша массалары m1 және m2 екі бөлшек үшін П= –G *m1*m2/r, мұндағы G — гравитац. тұрақты, r — бөлшектердің ара қашықтығы (r=¥ болғанда П=0). Нүктелік екі зарядтың потенциалдық энергиясы да осылайша анықталады.

Кинетикалық энергия– механикалық жүйе нүктелерінің жылдамдығы бойынша анықталатын энергия. Материалдық нүктенің Кинетикалық энергиясы (Т) мынаған тең: , мұндағы m – материалдық нүктенің массасы, v – материалдық нүктенің жылдамдығы. Мех. жүйенің Кинетикалық энергиясы сол жүйе құрамындағы нүктелердің Кинетикалық энергияларының қосындысы бойынша анықталады: , мұндағы k – жүйе құрамындағы нүктелердің саны. Мех. жүйенің Кинетикалық энергиясын түрінде де өрнектеуге болады, мұндағы M – бүкіл жүйенің массасы, uс – массалар центрінің жылдамдығы, Tc – жүйенің массалар центрі маңында қозғалғандағы Кинетикалық энергиясы. Қлгерілемелі қозғалыс жасайтын қатты дененің Кинетикалық энергиясы, массасы сол дененің массасындай, материалдық нүктенің Кинетикалық энергиясына тең. Белгілі бір осьтің (z) маңында w-ға тең бұрыштық жылдамдықпен айналатын қатты дененің Кинетикалық энергиясы былай есептеледі: T=1/2Қw2, мұндағы Қ – инерция моменті. Кез келген жүйенің Кинетикалық энергия сы сыртқы әсердің не сол жүйенің жеке бөліктерінің әсерлесуі салдарынан өзгереді. Бұл өзгерістің шамасы (T2 – T1) ішкі және сыртқы күштер тарапынан істелген жұмыстардың қосындысына тең: T2–T1=. К. э-ның өзгеруі туралы теореманы өрнектейтін бұл теңдіктің көмегімендинамиканың көптеген есептері шешіледі. Жарық жылдамдығымен (с) шамалас жылдамдықпен қозғалған дененің Кинетикалық энергия сы былай өрнектеледі: , мұндағы m0 – материалдық нүктенің тыныштықтағы массасы, с вакуумдағы жарық жылдамдығы, m0c2 – нүктенің тыныштықтағы энергиясы. Дене аз жылдамдықпен қозғалғанда (v<<с) оның К. э-сы әдеттегі m0v2/2 формуласы бойынша есептеледі.

Механикалық энергия потенциалдық және кинетикалық энергияның қосындысына тең. Механикалық энергия — объекттiң жылжуы немесе орнымен байланысты энергия.

Ішкі энергия

Ішкі энергия – дененің (жүйенің) тек ішкі күйіне байланысты энергия. Ішкі энергияға дененің барлық микробөлшектерінің (молекулалардың, атомдардың, иондардың, т.б.) ретсіз (хаосты) қозғалыстарының энергиясы, микробөлшектердің өзара әсерлесу энергиясы, атомдар мен молекулалардың ішкі энергиясы, т.б. жатады. Ішкі энергия ұғымын 1851 жылы У.Томсон енгізген.

Дененің бір күйден екінші күйге ауысу барысындағы Ішкі энергиясының өзгерісі (ΔU) мынаған тең: ΔU=ΔQ–A, мұндағы Q – жүйенің қоршаған ортамен алмасқан жылу мөлшері, А – істелген жұмыс. Бұл теңдеу жылу алмасу процесі басты рөл атқаратын жүйелердегі энергияның сақталу және айналу заңын (термодинамиканың бірінші бастамасын) өрнектейді. Энергияның сақталу заңына сәйкес Ішкі энергия физикалық жүйе күйінің, яғни осы күйді анықтайтын тәуелсіз айнымалылардың (мысалы, температура, көлем не қысым), бір мәнді функциясы болады. Q және А шамаларының әрқайсысы жүйені Ішкі энергиясы U1-ге тең күйден U2-ге тең күйге ауыстыратын процестің сипатына тәуелді болады, ал ΔU=U2–U1.

Жүйе бастапқы күйіне қайтып келетін (U2-U1) кез келген тұйық процесс үшін Ішкі энергияның өзгерісі (ΔU) нөлге тең және Q=A (қ. Дөнгелек процесс). Адиабаттық процесте (қоршаған ортамен жылу алмасу болмаған, яғни Q=0 жағдайда) жүйенің Ішкі энергияның өзгерісі жүйенің істеген жұмысына не жүйеге жасалған жұмысқа тең. Газдардың кинетикалық теориясы бойынша идеал газдар Ішкі энергиясының өзгеруі нәтижесінде, температураға байланысты молекулалардың кинетикалық энергиясы өзгереді. Сондықтан идеал газдың (немесе қасиеттері сол идеал газға жуық газдардың) Ішкі энергиясының өзгерісі тек оның температурасының өзгерісімен анықталады (Джоуль заңы). Бөлшектері өзара әсерлесетін физикалық жүйелерде (реал газдарда, сұйықтықтарда, қатты денелерде) молекулааралық және молекула ішіндегі өзара әсер энергиялары да Ішкі энергияға жатады. Мұндай жүйелерде Ішкі энергия температурамен қатар қысым мен көлемге де тәуелді болады. Абс. нөлге жуық (–273,16°С) төмен температуралар аймағында конденсацияланған жүйелер (сұйық және қатты дене) Ішкі энергиясының температураға тәуелділігі жойылып, ол белгілі бір тұрақты мәнге (U0) – “нөлдік энергия” дейтін мәнге ұмтылады (термодинамиканың үшінші бастамасы). Ішкі энергия негізгі термодинамиқалық потенциалдардың бірі болып есептеледі.