Что такое энергия
Одного джоуля хватит, чтобы поднять яблоко массой 100 г примерно на 1 м; автомобиль массой 1000 кг на скорости 90 км/ч обладает энергией около 310 000 джоулей.
Энергия позволяет происходить изменениям
У катящегося мяча, растянутой резинки, тёплой чашки чая и заряженного аккумулятора телефона есть общее свойство. Каждый из них способен вызвать изменения: что-нибудь толкнуть, поднять, нагреть или осветить. Физики называют эту способность энергией и измеряют её в джоулях (Дж). Единица названа в честь Джеймса Прескотта Джоуля, который в 1840-х годах показал, что механическая работа и теплота связаны с одной и той же величиной.
Джоуль невелик. В OpenStax приводится наглядный пример: одного джоуля хватило бы, чтобы поднять небольшое яблоко массой 100 г примерно на метр. Проверим это по формуле из урока 4: 0.1 кг × 9.8 м/с² × 1 м = 0.98 Дж, почти один джоуль. Энергию пищи считают в более крупных единицах. Одна пищевая калория (ккал) равна 4186 Дж, а рекомендуемый суточный рацион взрослого человека содержит примерно 1.2 × 10⁷ Дж, то есть двенадцать миллионов джоулей.
Много форм, одна величина
Энергия принимает разные формы, и их названия указывают, где она запасена. Кинетической энергией обладает всё, что движется. Потенциальная энергия в поле тяжести запасается при подъёме тела против силы тяжести, а потенциальная энергия упругой деформации возникает, когда растягивают пружину или сгибают лук. Химическая энергия запасена в топливе, пище и батарейках. Тепловая энергия связана с хаотическим движением атомов и молекул, которое мы ощущаем как температуру. Электрическая энергия передаётся по проводам, энергия излучения распространяется со светом, а ядерная энергия высвобождается при делении или слиянии атомных ядер.
Кинетическую и потенциальную энергию вместе называют механической энергией. Их легко наблюдать на качелях или американских горках, и именно с ними мы будем работать чаще всего. Другие формы появляются, когда энергия перестаёт быть механической, чаще всего превращаясь в тепловую.
Энергия не возникает и не исчезает
Самое полезное свойство энергии: её общее количество не меняется. OpenStax формулирует закон сохранения энергии так: полная энергия остаётся постоянной в любом процессе; она может менять форму или переходить из одной системы в другую, но её общее количество сохраняется. Когда автомобиль тормозит, его кинетическая энергия не исчезает. Она превращается в тепловую энергию тормозных дисков, поэтому они нагреваются. При зарядке телефона электрическая энергия превращается в химическую энергию аккумулятора, а позднее в свет и тепло экрана.
Если энергия сохраняется, почему мы говорим, что она расходуется? Потому что важна её форма. Энергия, рассеявшаяся в воздухе в виде тепла, никуда не исчезла, но собрать её и снова использовать трудно. Угольная электростанция превращает в электричество лишь около 40 процентов химической энергии топлива; остальное уходит в виде тепла. В уроке 5 мы оценим это с помощью коэффициента полезного действия.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Насколько велик джоуль? Шкала энергий
В таблице сопоставлены несколько привычных величин из таблицы 7.1 OpenStax. Разброс огромен. Кинетическая энергия летящего комара составляет около миллионной доли джоуля, а галлон бензина содержит около ста миллионов джоулей. Степенная запись делает такие числа удобнее: 1.2 × 10⁸ означает сдвиг разрядов числа 1.2 на восемь позиций, то есть 120 000 000.
| Объект или событие | Энергия (Дж) |
|---|---|
| Комар (10⁻² г) при 0.5 м/с | 1.3 × 10⁻⁶ |
| Теннисный мяч при 100 км/ч | 22 |
| 1 г жира | 3.9 × 10⁴ |
| Автомобиль массой 1000 кг при 90 км/ч | 3.1 × 10⁵ |
| Суточный рацион взрослого | 1.2 × 10⁷ |
| 1 галлон бензина | 1.2 × 10⁸ |
Строку с автомобилем можно проверить самому. При 90 км/ч скорость равна 25 м/с, а кинетическая энергия составляет ½ × 1000 × 25² = 312 500 Дж, или примерно 3.1 × 10⁵ Дж. В уроке 3 объясняется, откуда берётся эта формула.
Энергия может передаваться и без изменения формы. Горячая сковорода нагревает ручку за счёт теплопередачи, батарейка передаёт энергию по проводу к лампе, а солнечный свет переносит энергию от Солнца к Земле через космос. Физики различают два понятия. Превращение меняет форму энергии, например химическую на кинетическую. Передача переносит энергию от одного тела к другому или от одной системы к другой: при совершении работы (сила действует на пути перемещения) или при теплообмене (от горячего к холодному). Следующий урок посвящён первому способу, работе.
| Джоуль (Дж) | Единица энергии и работы: 1 Дж = 1 Н·м |
| Кинетическая энергия | Энергия движения |
| Потенциальная энергия | Энергия, зависящая от положения или формы (высота, растянутая пружина) |
| Тепловая энергия | Хаотическое движение атомов и молекул |
| Сохранение энергии | Общее количество остаётся прежним; меняется лишь форма |
| 1 пищевая калория (ккал) | 4186 Дж |
- Энергия характеризует способность вызывать изменения; её единица измерения: джоуль.
- Кинетическая, потенциальная, химическая, тепловая, электрическая, лучистая и ядерная энергия представляют собой формы энергии.
- Механическая энергия = кинетическая + потенциальная.
- Полная энергия сохраняется; она лишь меняет форму или передаётся.
- Энергию, рассеявшуюся в виде тепла, трудно использовать повторно.
- Какова единица энергии в СИ?
- Джоуль
- Ватт
- Ньютон
- Кельвин
- Какой энергией прежде всего обладает движущийся велосипед?
- Кинетической
- Ядерной
- Потенциальной энергией упругой деформации
- Химической
- Когда автомобиль тормозит до остановки, его кинетическая энергия в основном превращается в:
- Тепло в тормозах
- Ничто: она исчезает
- Химическую энергию топлива
- Ядерную энергию
- Сколько джоулей нужно, чтобы поднять яблоко массой 0.1 кг на 1 м? (g = 9.8 м/с², два знака после точки)
- Сколько джоулей содержится в 2 пищевых калориях (ккал)?
- Какова кинетическая энергия автомобиля массой 1000 кг при скорости 25 м/с в джоулях?
- Механическая энергия равна сумме:
- Кинетической и потенциальной энергии
- Тепловой и химической энергии
- Электрической и ядерной энергии
- Энергии света и звука
- Что происходит со столбиком полной энергии в лаборатории энергии при наличии трения?
- Он остаётся неизменным
- Он уменьшается до нуля
- Он растёт
- Он скачет вверх и вниз
- Угольная электростанция превращает в электричество около 40% энергии топлива. Куда уходит большая часть остального?
- В окружающую среду в виде тепла
- Уничтожается
- Обратно в новый уголь
- В ядерную энергию
- Где больше энергии: в 1 галлоне бензина или в суточном рационе взрослого?
- В бензине, примерно в 10 раз
- В пище, примерно в 10 раз
- Энергии поровну
- Ни там, ни там энергии нет
Источники курса (8)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 7.1 Work: the scientific definition (W = F d cos θ, briefcase cases, 1 J = 1 N·m, 1 J lifts a 100 g apple about 1 m, lawn mower 75.0 N at 35° for 25.0 m = 1.54 × 10³ J, 1 kcal = 4186 J, under 10% of food energy goes into work)
- 7.2 Kinetic energy and the work-energy theorem (KE = ½ m v², 30.0 kg package at 0.500 m/s = 3.75 J, 120 N push with 5.00 N friction over 0.800 m = 92.0 J net, final speed 2.53 m/s, a car at 100 km/h has four times the KE it has at 50 km/h)
- 7.3 Gravitational potential energy (ΔPE = m g h, reference level, path independence, 0.500 kg cuckoo clock weight raised 1.00 m = 4.90 J, 60.0 kg person landing stiffly from 3.00 m, roller coaster 20.0 m hill: 19.8 m/s, and 20.4 m/s with a 5.00 m/s start, mass cancels)
- 7.4 Conservative forces and potential energy (spring PE = ½ k x², 0.100 kg toy car, k = 250 N/m, 4.00 cm, 0.180 m rise)
- 7.5 Nonconservative forces (friction turns mechanical energy into thermal energy)
- 7.6 Conservation of energy (statement of the law, forms of energy, Table 7.1: 1000 kg car at 90 km/h 3.1 × 10⁵ J, tennis ball at 100 km/h 22 J, mosquito 1.3 × 10⁻⁶ J, daily food intake 1.2 × 10⁷ J, 1 gallon gasoline 1.2 × 10⁸ J, 1 g fat 3.9 × 10⁴ J; efficiency, Table 7.2: cycling and climbing 20%, swimming at the surface 2%, gasoline engine 30%, diesel 35%, coal power plant 42%, electric motor 98%, solar cell 10%)
- 7.7 Power (P = W ÷ t, 1 W = 1 J/s, 1 hp = 746 W, 60.0 kg woman up 3.00 m stairs in 3.50 s reaching 2.00 m/s = 538 W, Table 7.3: Sun 4 × 10²⁶ W, car 8 × 10⁴ W, person at rest 100 W, heart at rest 8 W, clothes dryer 4 × 10³ W, a 60 W incandescent bulb gives 5 W of light, power plants turn 35 to 40% of fuel energy into electricity, E = P t, 0.200 kW computer 6.00 h a day for 30.0 days = 36.0 kWh, $4.32 at $0.120 per kWh)
- g = 9.8 m/s² as in OpenStax examples (NIST standard gravity 9.80665 m/s², physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn).
Проверено: 2026-10-17