Էներգիան այն է, ինչը հնարավոր է դարձնում կյանքը ոչ միայն մեր մոլորակի վրա, այլև Տիեզերքում: Այնուամենայնիվ, այն կարող է շատ տարբեր լինել: Այսպիսով, ջերմությունը, ձայնը, լույսը, էլեկտրականությունը, միկրոալիքային վառարանները, կալորիաները էներգիայի տարբեր տեսակներ են: Մեր շուրջը տեղի ունեցող բոլոր գործընթացների համար այս նյութն անհրաժեշտ է։ Երկրի վրա գոյություն ունեցող էներգիայի մեծ մասը ստանում է Արևից, սակայն կան դրա այլ աղբյուրներ: Արևը այն տեղափոխում է մեր մոլորակ այնքան, որքան 100 միլիոն ամենահզոր էլեկտրակայանները կարտադրեին միաժամանակ։
Ի՞նչ է էներգիան:
Ալբերտ Էյնշտեյնի առաջ քաշած տեսությունը ուսումնասիրում է նյութի և էներգիայի փոխհարաբերությունները: Այս մեծ գիտնականը կարողացել է ապացուցել մի նյութի՝ մյուսի վերածվելու ունակությունը։ Միաժամանակ պարզվեց, որ էներգիան մարմինների գոյության ամենակարեւոր գործոնն է, իսկ նյութը՝ երկրորդական։
Էներգիան, մեծ հաշվով, որոշակի աշխատանք կատարելու կարողություն է: Նա է, ով կանգնած էուժի հայեցակարգը, որն ընդունակ է շարժել մարմինը կամ տալ նրան նոր հատկություններ։ Ի՞նչ է նշանակում «էներգիա» տերմինը: Ֆիզիկան հիմնարար գիտություն է, որին իրենց կյանքը նվիրել են բազմաթիվ գիտնականներ տարբեր դարաշրջաններից և երկրներից: Նույնիսկ Արիստոտելը օգտագործել է «էներգիա» բառը՝ մարդկային գործունեությանը մատնանշելու համար: Հունարենից թարգմանված «էներգիան» նշանակում է «գործունեություն», «ուժ», «գործողություն», «զորություն»: Առաջին անգամ այս բառը հայտնվեց հույն գիտնականի «Ֆիզիկա» կոչվող տրակտատում:
Այժմ ընդհանուր ընդունված իմաստով այս տերմինը հորինել է անգլիացի ֆիզիկոս Թոմաս Յանգը: Այս կարևոր իրադարձությունը տեղի է ունեցել դեռևս 1807 թ. XIX դարի 50-ական թթ. անգլիացի մեխանիկ Ուիլյամ Թոմսոնն առաջինն է օգտագործել «կինետիկ էներգիա» հասկացությունը, իսկ 1853 թվականին շոտլանդացի ֆիզիկոս Ուիլյամ Ռանկինը ներմուծել է «պոտենցիալ էներգիա» տերմինը։
Այսօր այս սկալյար մեծությունը առկա է ֆիզիկայի բոլոր ճյուղերում: Այն նյութի տարբեր ձևերի շարժման և փոխազդեցության մեկ չափանիշ է: Այլ կերպ ասած, դա մի ձևի մյուսի փոխակերպման չափանիշ է։
Չափումներ և նշանակումներ
Էներգիայի քանակը չափվում է ջոուլներով (J): Այս հատուկ միավորը, կախված էներգիայի տեսակից, կարող է ունենալ տարբեր անվանումներ, օրինակ՝
- W-ը համակարգի ընդհանուր էներգիան է:
- Q - ջերմային.
- U – պոտենցիալ։
Էներգիայի տեսակներ
Բնության մեջ կան էներգիայի շատ տարբեր տեսակներ: Հիմնականներն են՝
- մեխանիկական;
- էլեկտրամագնիսական;
- էլեկտրական;
- քիմիական;
- ջերմային;
- միջուկային (ատոմային).
Կան էներգիայի այլ տեսակներ՝ լույս, ձայն, մագնիսական: Վերջին տարիներին աճող թվով ֆիզիկոսներ հակված են այսպես կոչված «մութ» էներգիայի գոյության վարկածին։ Այս նյութի նախկինում թվարկված տեսակներից յուրաքանչյուրն ունի իր առանձնահատկությունները: Օրինակ, ձայնային էներգիան կարող է փոխանցվել ալիքների միջոցով: Դրանք նպաստում են մարդկանց և կենդանիների ականջում թմբկաթաղանթի թրթռմանը, ինչի շնորհիվ լսվում են ձայներ։ Տարբեր քիմիական ռեակցիաների ընթացքում ազատվում է բոլոր օրգանիզմների կյանքի համար անհրաժեշտ էներգիան։ Ցանկացած վառելիք, սնունդ, կուտակիչներ, մարտկոցներ այս էներգիայի պահեստն են։
Մեր աստղը Երկրին էներգիա է տալիս էլեկտրամագնիսական ալիքների տեսքով: Միայն այս կերպ այն կարող է հաղթահարել Տիեզերքի տարածությունները: Շնորհիվ ժամանակակից տեխնոլոգիաների, ինչպիսիք են արևային մարտկոցները, մենք կարող ենք այն օգտագործել առավելագույն արդյունավետությամբ: Չօգտագործված էներգիայի ավելցուկը կուտակվում է էներգիայի հատուկ պահեստավորման օբյեկտներում: Վերոնշյալ էներգիայի տեսակների հետ մեկտեղ, ջերմային աղբյուրները, գետերը, օվկիանոսի մակերևույթներն ու հոսքերը, հաճախ օգտագործվում են կենսավառելիքներ։
Մեխանիկական էներգիա
Այս տեսակի էներգիան ուսումնասիրվում է ֆիզիկայի «Մեխանիկա» կոչվող ճյուղում։ Այն նշվում է E տառով: Այն չափվում է ջոուլներով (J): Ի՞նչ է այս էներգիան: Մեխանիկայի ֆիզիկան ուսումնասիրում է մարմինների շարժումը և նրանց փոխազդեցությունը միմյանց կամ արտաքին դաշտերի հետ։ Այս դեպքում կոչվում է մարմինների շարժման հետեւանքով առաջացած էներգիակինետիկ (նշվում է Ek-ով), իսկ մարմինների կամ արտաքին դաշտերի փոխազդեցության արդյունքում ստացված էներգիան կոչվում է պոտենցիալ (Ep): Շարժման և փոխազդեցության գումարը համակարգի ընդհանուր մեխանիկական էներգիան է:
Կա ընդհանուր կանոն երկու տեսակների հաշվարկման համար: Էներգիայի քանակությունը որոշելու համար անհրաժեշտ է հաշվարկել մարմինը զրոյական վիճակից այս վիճակ տեղափոխելու համար անհրաժեշտ աշխատանքը։ Ավելին, որքան շատ աշխատանք, այնքան ավելի շատ էներգիա կունենա մարմինը այս վիճակում։
Տեսակների տարանջատում ըստ տարբեր չափանիշների
Կա էներգիայի փոխանակման մի քանի տեսակներ: Ըստ տարբեր չափանիշների՝ այն բաժանվում է արտաքին (կինետիկ և պոտենցիալ) և ներքին (մեխանիկական, ջերմային, էլեկտրամագնիսական, միջուկային, գրավիտացիոն)։ Էլեկտրամագնիսական էներգիան իր հերթին բաժանվում է մագնիսականի և էլեկտրականի, իսկ միջուկային էներգիան՝ թույլ և ուժեղ փոխազդեցությունների էներգիայի։
Կինետիկ
Ցանկացած շարժվող մարմիններ առանձնանում են կինետիկ էներգիայի առկայությամբ։ Հաճախ այդպես են անվանում՝ վարել։ Շարժվող մարմնի էներգիան կորչում է, երբ այն դանդաղում է: Այսպիսով, որքան արագ է արագությունը, այնքան մեծ է կինետիկ էներգիան։
Երբ շարժվող մարմինը շփվում է անշարժ առարկայի հետ, կինետիկի մի մասը տեղափոխվում է վերջինիս՝ շարժման մեջ դնելով այն։ Կինետիկ էներգիայի բանաձևը հետևյալն է.
Բառերով այս բանաձևը կարելի է արտահայտել հետևյալ կերպ. օբյեկտի կինետիկ էներգիան է.նրա զանգվածի արտադրյալի կեսը բազմապատկվում է իր արագության քառակուսու վրա։
Պոտենցիալ
Այս տեսակի էներգիան տիրապետում են մարմիններին, որոնք գտնվում են ինչ-որ ուժային դաշտում: Այսպիսով, մագնիսականությունը տեղի է ունենում, երբ օբյեկտը գտնվում է մագնիսական դաշտի ազդեցության տակ: Երկրի վրա բոլոր մարմիններն ունեն գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիա։
Կախված ուսումնասիրության առարկաների հատկություններից՝ դրանք կարող են ունենալ տարբեր տեսակի պոտենցիալ էներգիա։ Այսպիսով, առաձգական և առաձգական մարմինները, որոնք ունակ են ձգվել, ունեն առաձգականության կամ ձգման պոտենցիալ էներգիա։ Ցանկացած ընկնող մարմին, որը նախկինում անշարժ էր, կորցնում է ներուժը և ձեռք է բերում կինետիկ: Այս դեպքում այս երկու տեսակների արժեքը համարժեք կլինի։ Մեր մոլորակի գրավիտացիոն դաշտում պոտենցիալ էներգիայի բանաձևը կունենա հետևյալ տեսքը՝
Բառերով այս բանաձևը կարելի է արտահայտել հետևյալ կերպ. Երկրի հետ փոխազդող օբյեկտի պոտենցիալ էներգիան հավասար է նրա զանգվածի, ձգողության արագացման և այն բարձրության վրա, որտեղ գտնվում է այն։
Այս սկալյար արժեքը պոտենցիալ ուժային դաշտում տեղակայված նյութական կետի (մարմնի) էներգիայի պաշարի բնութագիրն է և օգտագործվում է դաշտային ուժերի աշխատանքի շնորհիվ կինետիկ էներգիա ձեռք բերելու համար։ Երբեմն այն կոչվում է կոորդինատային ֆունկցիա, որը տերմին է համակարգի Լանգրանժյանում (դինամիկ համակարգի Լագրանժի ֆունկցիա): Այս համակարգը նկարագրում է նրանց փոխազդեցությունը:
Պոտենցիալ էներգիան հավասարվում է զրոյիտիեզերքում տեղակայված մարմինների որոշակի կոնֆիգուրացիա։ Կազմաձևի ընտրությունը որոշվում է հետագա հաշվարկների հարմարությամբ և կոչվում է «պոտենցիալ էներգիայի նորմալացում»:
Էներգիայի պահպանման օրենքը
Ֆիզիկայի ամենահիմնական պոստուլատներից մեկը էներգիայի պահպանման օրենքն է: Ըստ նրա՝ էներգիան ոչ մի տեղից չի առաջանում և ոչ մի տեղ չի վերանում։ Այն անընդհատ փոխվում է մի ձևից մյուսը: Այսինքն՝ կա միայն էներգիայի փոփոխություն։ Այսպիսով, օրինակ, լապտերի մարտկոցի քիմիական էներգիան վերածվում է էլեկտրական էներգիայի, իսկ դրանից՝ լույսի և ջերմության։ Տարբեր կենցաղային տեխնիկա էլեկտրական էներգիան վերածում է լույսի, ջերմության կամ ձայնի: Ամենից հաճախ փոփոխության վերջնական արդյունքը ջերմությունն ու լույսն է: Դրանից հետո էներգիան անցնում է շրջակա տարածք:
Էներգիայի օրենքը կարող է բացատրել բազմաթիվ ֆիզիկական երևույթներ: Գիտնականները պնդում են, որ նրա ընդհանուր ծավալը տիեզերքում մշտապես մնում է անփոփոխ: Ոչ ոք չի կարող նորովի էներգիա ստեղծել կամ ոչնչացնել այն։ Զարգացնելով դրա տեսակներից մեկը՝ մարդիկ օգտագործում են վառելիքի էներգիան, ընկնող ջուրը, ատոմը։ Միևնույն ժամանակ նրա ձևերից մեկը վերածվում է մյուսի։
1918 թվականին գիտնականները կարողացան ապացուցել, որ էներգիայի պահպանման օրենքը ժամանակի թարգմանական սիմետրիայի մաթեմատիկական հետևանքն է՝ զուգակցված էներգիայի արժեքը։ Այլ կերպ ասած, էներգիան պահպանվում է այն պատճառով, որ ֆիզիկայի օրենքները տարբեր ժամանակներում չեն տարբերվում։
Էներգետիկ առանձնահատկություններ
Էներգիան մարմնի՝ աշխատանք կատարելու կարողությունն է: Փակֆիզիկական համակարգեր, այն պահպանվում է ամբողջ ժամանակի ընթացքում (քանի դեռ համակարգը փակ է) և շարժման երեք հավելյալ ինտեգրալներից մեկն է, որը պահպանում է արժեքը շարժման ընթացքում։ Դրանք ներառում են՝ էներգիա, անկյունային իմպուլս, իմպուլս։ «Էներգիա» հասկացության ներդրումը տեղին է, երբ ֆիզիկական համակարգը ժամանակի մեջ միատարր է:
Մարմինների ներքին էներգիա
Մոլեկուլային փոխազդեցությունների էներգիաների և այն կազմող մոլեկուլների ջերմային շարժումների գումարն է։ Այն չի կարող ուղղակիորեն չափվել, քանի որ դա համակարգի վիճակի միանշանակ գործառույթ է: Ամեն անգամ, երբ համակարգը հայտնվում է տվյալ վիճակում, նրա ներքին էներգիան ունի իր բնորոշ արժեքը՝ անկախ համակարգի գոյության պատմությունից: Ներքին էներգիայի փոփոխությունը մեկ ֆիզիկական վիճակից մյուսին անցնելու ժամանակ միշտ հավասար է վերջնական և սկզբնական վիճակներում դրա արժեքների տարբերությանը:
Գազի ներքին էներգիա
Բացի պինդ մարմիններից, գազերն ունեն նաև էներգիա։ Այն ներկայացնում է համակարգի մասնիկների ջերմային (քաոսային) շարժման կինետիկ էներգիան, որոնք ներառում են ատոմներ, մոլեկուլներ, էլեկտրոններ, միջուկներ։ Իդեալական գազի ներքին էներգիան (գազի մաթեմատիկական մոդելը) նրա մասնիկների կինետիկ էներգիաների գումարն է։ Սա հաշվի է առնում ազատության աստիճանների թիվը, որը անկախ փոփոխականների թիվն է, որոնք որոշում են մոլեկուլի դիրքը տարածության մեջ։
Էներգիայի օգտագործում
Ամեն տարի մարդկությունը սպառում է ավելի ու ավելի շատ էներգիայի պաշարներ։ Ամենից հաճախ էներգիայի համար,Օգտագործվում են մեր տների լուսավորության և ջեռուցման համար, մեքենաների և տարբեր մեխանիզմների շահագործման համար, օգտագործվում են հանածո ածխաջրածիններ, ինչպիսիք են ածուխը, նավթը և գազը: Դրանք չվերականգնվող ռեսուրսներ են։
Ցավոք, մեր մոլորակի էներգիայի միայն մի փոքր մասն է ստացվում վերականգնվող աղբյուրներից, ինչպիսիք են ջուրը, քամին և արևը: Այսօրվա դրությամբ նրանց մասնաբաժինը էներգետիկայի ոլորտում կազմում է ընդամենը 5%: Մարդկանց ևս 3%-ը ստանում է ատոմակայաններում արտադրվող միջուկային էներգիայի տեսքով։
Չվերականգնվող ռեսուրսներն ունեն հետևյալ պաշարները (ջոուլներով).
- միջուկային էներգիա - 2 x 1024;
- գազի և նավթի էներգիա – 2 x 10 23;
- մոլորակի ներքին ջերմություն - 5 x 1020.
Երկրի վերականգնվող ռեսուրսների տարեկան արժեքը.
- արևային էներգիա - 2 x 1024;
- քամի - 6 x 1021;
- գետեր - 6, 5 x 1019;
- ծովային մակընթացություններ - 2,5 x 1023.
Միայն Երկրի ոչ վերականգնվող էներգիայի պաշարների օգտագործումից վերականգնվողներին ժամանակին անցնելու դեպքում մարդկությունը մեր մոլորակի վրա երկար ու երջանիկ գոյության հնարավորություն ունի: Առաջատար զարգացումներ իրականացնելու համար ամբողջ աշխարհի գիտնականները շարունակում են ուշադիր ուսումնասիրել էներգիայի տարբեր հատկությունները:
