Էներգիա

Վիքիպեդիայից՝ ազատ հանրագիտարանից
Կայծակը ուժեղ էլեկտրական դաշտերից առաջացած օդի էլեկտրական ճեղքումն է, և էներգիայի հոսք է ցուցադրում։ Մթնոլորտի էլեկտրական պոտենցիալ էներգիան փոխակերպվում է ջերմության, լույսի և ձայնի, որոնք էներգիայի այլ ձևեր են։

Էներգիա, ֆիզիկական մեծություն, որը բնութագրում է մարմնի աշխատանք կատարելու ունակությունը։ Ֆիզիկայում էներգիան (հունարեն՝ ἐνέργεια, գործունեություն, աշխատանք, հունարեն՝ ἐνεργός (էներգոս) բառից, գործունյա, աշխատող[1]) սկալյար ֆիզիկական մեծություն է։ Բնութագրական է առարկաների և համակարգերի համար, ենթարկվում է պահպանման օրենքներին։ Էներգիայի տարբեր ձևերից են կինետիկ, պոտենցիալ, ջերմային, գրավիտացիոն, ձայնային, առաձգական, էլեկտրամագնիսական էներգիաները։

«Էներգիա» մեծությունը սերտորեն առնչվում է մեխանիկական աշխատանքի հետ։ Եթե մարմինը կամ մարմինների որևէ համակարգ կարող է աշխատանք կատարել, ապա ասում են, որ այն օժտված է էներգիայով։ Աշխատանք կարող են կատարել ինչպես շարժվող, այնպես էլ այլ մարմինների հետ փոխազդող մարմինները։ Մեխանիկայում տարբերում են երկու տեսակի էներգիա՝ կինետիկ և պոտենցիալ։ Մարմինների շարժմամբ պամանավորված էներգիան անվանում են կինետիկ էներգիա, իսկ փոխազդեցությամբ պայմանավորված էներգիան՝ պոտենցիալ էներգիա:

Էներգիան կարող է մի ձևից փոխակերվել մյուսին, սակայն ընդհանուր էներգիայի չափը միշտ նույնն է մնում։ Այս սկզբունքը՝ էներգիայի պահպանման օրենքը, առաջին անգամ կանխադրվել է վաղ 19-րդ դարում, և վերաբերվում է մեկուսացված համակարգին։ Նյոթերի թեորեմի համաձայն, էներգիայի պահպանման օրենքը այն փաստի հետևանքն է, որ ֆիզիկայի օրենքները ժամանակի ընթացքում չեն փոխվում։[2]

Թեև համակարգի ընդհանուր էներգիան ժամանակի ընթացքում չի փոփոխվում, սակայն մեծությունը կարող է կախված լինել կոորդինատային համակարգից։ Օրինակ՝ շաժվող օդանավի մեջ նստած ուղևորը օդանավի նկատմամբ զրո կինետիկ էներգիա ունի, սակայն նրա կինետիկ էներգիան Երկրի նկատմամբ զրո չէ։

Կինետիկ էներգիա[խմբագրել]

Կինետիկ էներգիա անվանում են մարմինների շարժումով պայմանավորված էներգիան։

 A= \frac{mv_2^2}{2} - \frac{mv_1^2}{2}

(1)

Մարմնի վրա ազդող հաստատուն ուժի կատարած աշխատանքը փոփոխությունն է մի ֆիզիկական մեծության, որը որոշվում է մարմնի զանգվածի և արագության քառակուսու արտադրյալի կեսով։

Մարմնի զանգվածի և արագության քառակուսու արտադրյալի կեսին հավասար մեծությունն անվանում են մարմնի կինետիկ էներգիա: Մարմնի կինետիկ էներգիան հավասար է այն աշխատանքին, որը կարող է կատարել շարժվող մարմինը մինչև կանգ առնելը։

 E=\frac{mv^2}{2}

Օգտվելով կինետիկ էներգիայի սահմանումից (1) բանաձևը կարող ենք ներկայացնել հետևյալ կերպ՝

 A= \frac{mv_2^2}{2} - \frac{mv_1^2}{2}=E_2-E_1

Մարմնի վրա ազդող ուժերի համազորի կատարած աշխատանքը հավասար է մարմնի կինետիկ էերգիայի փոփոխությանը։ Այս պնդումը կոչվում է կինետիկ էներգիայի թեորեմ:

Պոտենցիալ էներգիա[խմբագրել]

Պոտենցիալ էներգիա անվանում են մարմինների փոխազդեցությամբ պայմանավորված էներգիան։ Պոտենցիալ էներգիան չափվում է այն աշխատանքով, որը կարող է կատարել մարմինը՝ առանց արագությունը փոփոխելու մի դիրքից մյուսը տեղափոխելիս։ Պոտենցիալ էներգիայով է օժտված, օրինակ, սեղմված զսպանակը, Երկրից բարձրացված մարմինը։

Մարմնի՝ ծանրության ուժով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիա[խմբագրել]

Մարմնի՝ ծանրության ուժով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիան։ m զանգվածով մարմինը Երկրի մակերևույթից h1 բարձրությամբ կետից որևէ հետագծով h2 բարձրությամբ մեկ այլ կետ տեղափոխելիս, երբ ծանրության ուժը կարելի է հաստատուն համարել, նրա աշխատանքը որոշվում է հետևյալ բանաձևով՝

 A= mgh_1-mgh_2

Կատարված աշխատանքը կարելի է ներկայացնել որպես mgh մեծության սկզբնական և վերջնական արժեքների տարբերություն։

Մարմնի զանգածի, ազատ անկման արագացման և Երկրից մարմնի բարձրության արտադրյալն անվանում են պոտենցիա էներգիա։

 E= mgh

Մարմնի ծանրության ուժով պայմանավորված պոտենցիալ էներգիան հավասար է մարմինը մինչև զրոյական մակարդակ տեղափոխելիս ծանրության ուժի կատարած աշխատանքին։

 A= E_1-E_2=-(E_2-E_1)=-\Delta E

Ծանրության ուժի կատարած աշխատանքը հավասար է մարմնի պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը՝ հակառակ նշանով։ Այս պնդումը կոչվում է պոտենցիալ էներգիայի թեորեմ:

Առաձգականորեն դեֆորմացված մարմնի պոտենցիալ էներգիա[խմբագրել]

Եթե առաձգական մարմինը, օրինակ, զսպանակը, սեղմենք, ապա առաձգականության ուժի շնորհիվ այն կարող է ընդարձակվել և աշխատանք կատարել։ Առաձգականության ուժի կատարած աշխատանքը կարող ենք հաշվել հետևյալ բանաձևով, և այն արտահայտել պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությամբ՝

 A= \frac{kx_1^2}{2} - \frac{kx_2^2}{2}

Առաձգականորեն դեֆորմացված զսպանակի պոտենցիալ էներգիան որոշվում է հետևյալ բանաձևով՝

 E= \frac{kx^2}{2}
 A= \frac{kx_1^2}{2} - \frac{kx_2^2}{2}=-(E_2-E_1)=\Delta E

Մարմնի վրա ազդող պոտենցիալային ուժի աշխատանքը հավասար է նրա պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությանը՝ հակառակ նշանով։ Այս պնդումը կոչվում է պոտենցիալ էներգիայի թեորեմ։

Պոտենցիալ էներգիայի մինիմումի սկզբունք[խմբագրել]

Կայուն է այն հավասարակշռությունը, որի դեպքում մարմնի պոտենցիալ էներգիան ընդունում է իր հնարավոր նվազագույն արժեքը։ Այս պնդումն անվանում են պոտենցիալ էներգիայի մինիմումի սկզբունք։

Լրիվ մեխանիկական էներգիա[խմբագրել]

Լրիվ մեխանիկական էներգիան մարմնի կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաների գումարն է։ Պոտեցիալային ուժերի ազդեցության դեպքում մարմնի լրիվ մեխանիկական էներգիան մնում է հաստատուն, այսինքն՝ պահպանվում է։ Պոտենցիալային ուժերով փոխազդող մարմինների փակ համակարգի լրիվ մեխանիկական էներգիան պահպանվում է։ Այս պնդումն անվանում են լրիվ մեխանիկական էներգիայի պահպանման օրենք։ Համակարգի լրիվ մեխանիկական էներգիայի փոփոխությունը հավասար է արտաքին ուժերի և ներքին ոչ պոտենցիալային ուժերի աշխատանքների գումարին։

Պատմություն[խմբագրել]

Էներգիա բառը գալիս է հունարեն՝ ἐνέργεια (էներգեյա) բառից։ Առաջին անգամ հանդիպվում է Արիստոտելի «Նիկոմաքեական Էթիկա» գործում[3], մ.թ.ա. 4-րդ դարում։

Չափում[խմբագրել]

Կալորիմետր՝ գործիք, որը ֆիզիկոսներն օգտագործվում են էներգիան չափելու համար

Էներգիայի բացարձակ չափելու ձև չկա, որովհետև էներգիան բացատրվում է որպես այն աշխատանքը, որ մի համակարգը անում է (կամ կարող է անել) մյուսի վրա։ Այսպիսով, միայն մի համակարգի փոխակերպվումը մի համակարգից մյուս կարող է բացատրվել և չափվել։

Մեթոդներ[խմբագրել]

Էներգիայի չափման մեթոդները հաճախ այլ ընդլայնվում են այլ մեթոդների՝ ավելի հիմնարար գիտական հասկացություններ չափելու համար, օրինակ՝ նյութ, հեռավորություն, ճառագայթում, ջերմություն, ժամանակ, էլեկտրական լիցք և էլեկտրական հոսանք։

Սովորաբար ամենահաճախ գործածվող տեխնիկան կալորաչափն է, որով չափվում է ջերմությունը՝ ջերմաչափի կամ ճառագայթման պայծառությունը՝ բոլոմետրի օգնությամբ։

Միավորներ[խմբագրել]

Գիտության պատմության մեջ, էներգիան տարբեր միավորներով է արտահայտվել, ինչպիսին են էրգերը և կալորիաները։ Ներկայում, էներգիայի չափման ընդունված միավորը Միավորների միջազգային համակարգում ջոուլն է։ Բացի ջոուլից, էներգիայի միավորներ են կիլովատտ-ժամը (ԿՎտժ) և բրիտանական ջերմային միավորը (British thermal unit կամ Btu)։ Սրանք երկուսն էլ ջոուլից մեծ միավորներ են։ Մեկ ԿՎտժ-ը հավասար է 3.6 միլիոն ջոուլի, իսկ մեկ Btu-ն հավասար է 1055 ջոուլի։[4]

Աղբյուրներ[խմբագրել]

  1. Հարպեր, Դուգլաս։ «Էներգիա»։ Online Etymology Dictionary (անգլերեն)։ http://www.etymonline.com/index.php?term=energy։ Վերցված է մայիսի 1 2007։ 
  2. Լոֆտզ, Գ. (2004). «11 — Mechanical Interactions». Ջակարանդայի Ֆիզիկա 1 (Jacaranda Physics 1) (անգլերեն) (2 տպ.). Միլտոն, Քուինզլանդ, Ավստրալիա: John Willey & Sons Australia Ltd.. pp. 286. ISBN 0 7016 3777 3. 
  3. Aristotle, "Nicomachean Ethics", 1098b33, at Perseus
  4. Ristinen, Robert A., and Kraushaar, Jack J. Էներգիան և Միջավայրը (անգլերեն՝ Energy and the Environment): New York: John Wiley & Sons, Inc., 2006.