Energia

Asiaa energiasta

Energialla tarkoitetaan mahdollisuutta muutokseen.

Esimerkkejä

Autolla on liike-energiaa. Törmätessään ympäristö, auto ja sen ympäristö muuttuvat.
Kuumalla vedellä on lämpöenergiaa. Kaataessasi veden vaikkapa jään päälle, tapahtuu muutos: jää sulaa ja vesi jäähtyy.
Pallolla on potentiaalienergiaa pitäessäsi sitä kädessä korkealla ilmassa. Päästäessäsi sen irti pallon nopeus alkaa muuttua.
Paristossa oleva sähköenergia (kemiallinen energia) saa muutoksen aikaiseski lampussa: sähkö alkaa virrata ja lampun hehkulanka alkaa hohtaa.

Energia ja sen määrä riippuu tarkkailijasta.

Esimerkkejä

Rautapainolla lattialla ei ole potentiaalienergiaa. Mutta entä jos ajattelen sitä alakerrasta käsin? Entä, jos poraan reiän painon viereen lattiaan. Yhtäkkiä painolla on paljon potentiaalienergiaa. Se johtuu siitä, että vaidoimme tarkkailukohdan (eli origon) lattiasta alakerran lattiaan.
Luen kirjaa junassa, kirjalla ei ole minuun nähden liike-energiaa. Jos kuitenkin tiputan kirjan ulos junan ikkunasta ohikulkijan mielestä kirja liikkuu hurjaa vauhtia. Kirja ei saanut liike-energiaa vaan muutimme tarkkailupisteen (origon) itsestämme ohikulkijaan.
Astiassa on kiehuvaa vettä, sillä on paljon lämpöenergiaa. Kuitenkin kun kaadan sen kiukaalle, kiuas jäähtyy. Tulikuuman kiukaan näkökulmasta vesi on viileää ja kiuas luovattaa lämpöenergiaa vedelle.

Energia ei KOSKAAN häviä.
Energia voi muuttua muodosto toiseen, tai se voi siirtyä kappaleelta toisellle. Mutta energian määrä maailmankaikkeudessa on vakio; energia ei koskaan häviä.

Esimerkkejä

Kun heitän pallon suoraan ylöspäin ilmaan se hidastuu, mutta samalla siirtyy korkeammalle. Liike-energia muuttuu potentiaalienergiaksi.
Kun pallo on pysähtynyt lakipisteeseen ja tippuu takaisin alas päin potentiaalienergia muuttuu takaisin liike-energiaksi.
Kun sähkö virtaa hehkulangassa pariston kemiallinen energia muuttuu hehkulangan lämpöenergiaksi ja valon säteilyenergiaksi (fotonien energiaksi).
Kun syön ravitsevaa ruokaa, osa ruoan kemiallisesta energiasta muuttuu kehoni kemialliseksi energiaksi ja lämmöksi. Kuinka paljon energiaa siirtyy, riippuu syömästäni aineesta. Kivien tapauksessa se on nolla.
Kun ydinreaktorissa uraani halkeaa, itse aine muuttuu energiaksi. Aineen massa vähenee ja massavajetta vastaava energia muuttuu ydinhiukkasten liike-energiaksi kaavan E=mc² mukaisesti. Liike-energia muuttuu reaktorin veden lämmöksi. Kuumalla vesihöyryllä pyöritetään generaattoria, joka muuntaa pyörimisenergiansa sähköenergiaksi. Sähköstä sitten saadaan lampun valkeaa.

Fysiikassa TYÖ tarkoittaa energian muuntumista haluttuun muotoon ja siirtymistä halutulle kappaleelle.

Lukion kursseilla työllä tarkoitetaan tapahtumaa, jossa voima pyrkii vaikuttamaan kappaleen liikkeeseen. Työn tekee aina jokin voima. Voima, joka joko työntää tai vetää; liikkeen suuntaan tai sitä vastaan. Jos voima on liikkeen vastaista, on työ negatiivista, eli voima pyrkii hidastamaan kappaletta.

Esimerkkejä

Työnnän laatikkoa lattialla ja se liikkuu työntämääni suuntaan. Sisäenergiani muuttuu laatikon liike-energiaksi. Voima, jolla työnnän laatikkoa tekee työtä laatikolle.
Samalla kun työnnän laatikkoa, kitkavoima vaikuttaa liikkeen suhteen vastakkaiseen suuntaan. Kitka tekee laatikon suhteen negatiivista työtä ja yrittää saada laatikon pysähtymään.
Kitkan ja minun tekemäni työ kumoavat toisensa, eikä laatikon nopeus muutu. Energiani ei kuitenkaan häviä, vaan se muuttuu laatikon ja lattian lämpöenergiaksi ja muuksi sisäenergiaksi.
Työnnän laatikkoa suoraan alaspäin, eikä se liiku mihinkään. Vaikka käytän paljon energiaa, se ei siirry kappaleen liike-energiaksi. En tee työtä laatikolle, koska laatikko ei liiku mihinkään.

Energian eri muodot

Liike-energia

Riippuu kappaleen massasta m ja vauhdista v suhteessa tarkkailupisteeseen.
[[$$ E={1 \over 2} mv^2 $$]]
Potentiaalienergia

Johtuu maapallon ja kappaleen vuorovaikutuksesta. Riippuu kappaleen massasta m ja pystysuuntaisesta etäisyydestä h tarkkailupisteeseen. Huom! Gravitaatio vakio g on vakio vain oltaessa lähellä maapallon pintaa.
[[$$ E=mgh $$]]
Lämpöenergia

Johtuu kappaleen molekyylien värähtelyliikkeestä. Riippuu kappaleen lämpökapasiteetista C ja kappaleen lämpötilan ja vertailulämpötilan erotuksesta [[$ \Delta T = T_2 - T_1 $]].
[[$$ E=C \Delta T $$]]
Työ

Perinteisessä mielessä tarkoittaa liikkeen suuntaisen voiman F ja siirtymän [[$ \Delta x $]] tuloa. Yleisessä mielessä tarkoittaa energian muuntumista muodosta toiseen tai siirtymistä kappaleelta toiselle.
[[$$ W = F \Delta x $$]]
Kaasun tekemä työ

Kaasun laajentuessa kaasu tekee työtä. Jos kaasun paine P pysyy vakiona laajenemisen ajan, voidaan työ laskea alla olevasta kaavasta. Työ on merkitty negatiiviseksi, koska tilannetta tarkastellaan systeemin näkökulmasta, kaasun tekemä työ on pois systeemin sisäenergiasta.
[[$$ W = -p \Delta V $$]]

Sisäenergia

Sisäenergia U tarkoittaa kaikkea kappaleeseen erimuodoissa sitoutunutta energiaa: lämpöä, kemiallista energiaa, sisäisten rakenteiden potentiaalienergiaa ja kineettistä energiaa. Sisäenergiaa ei voida laskea. Sen muutos kuitenkin voidaan laskea, kunhan tunnetaan kappaleelle tehty työ ja kappaleeseen tuotu lämpöenergia.

Muut energiamuodot

Muita energiamuotoja ovat muun muassa pyörimisenergia, sähköinen potentiaalienergia ja säteilyenergia. Näitä energioita käsitellään tuonnenpana toisilla fysiikan kursseilla.

Työ, teho ja hyötysuhde

Mekaaninen työ

Voiman F vaikuttaessa kappaleeseen kappaleen samalla liikkuessa, voima F tekee kappaleelle työtä.
Toisin sanoen voima F syöttää kappaleelle liike-energiaa.
Välittyvän energian eli työn määrä riippuu voiman ja liikkeen välisestä kulmasta.
Kun voima F ja kappaleen siirtymä [[$ \Delta x $]] ovat samansuuntaiset, työ W on:

[[$$ W = F \Delta x $$]]

Kun voima on siirtymän kanssa vastakkaissuuntainen, voima vähentää liike-energiaa, eli työ on negatiivista:

[[$$ W = - F \Delta x $$]]

Yleisesti ottaen työ voidaan laskea voiman ja liikesuunnan välisen kulma [[$ \alpha $]] avulla:

[[$$ W = F \Delta x \cos (\alpha) $$]]

tai vektoreiden pistetulona

[[$$ W = \bar{F} \cdot \bar{\Delta x}$$]]

Teho

Teho P tarkoittaa energian määrää E aikayksikköä t kohden.

[[$$ P = {E \over t} $$]]

Energian E paikalla voidaan käyttää myös työn symbolia W tai lämpöenergian symbolia Q.

Tehon yksikkö on watti W eli toisaalta J/s.

Hyötysuhde

Hyötysuhdetarkasteluista osa käytettävissä olevasta energiasta muuttuu haluttuun hyödylliseen muotoon ja osa "häviää taivaan tuuliin".
Hyötyenergian suhdetta kokonaisenergiaan kutsutaan hyötysuhteeksi.
Koskaan kaikkea energiaa ei saada koskaan muutettua haluttuun muotoon, hyötysuhde on aina pienempi kuin 100 %.
Hyötysuhde [[$ \eta $]] lasketaan yksinkertaisena jakolaskuna:

[[$$ \eta = {E_{hyöty} \over E_{koko}} $$]]

Usein hyötyenergiasta puhutaan antoenergiana ja kokonaisenergiasta ottoenergiana.

[[$$ \eta = {E_{anto} \over E_{otto} }$$]]

Hyötysuhde voidaan laskea myös tehon P avulla, jos tiedetään koneen tai systeemin ottoteho ja antoteho:

[[$$ \eta = { P_{anto} \over P_{otto}} $$]]