Уравнение энергии и его формы

Все виды энергии кратко и с примерами

Энергия — это способность выполнять работу, и как таковая, она проявляется по-разному. В этом смысле существует два основных типа энергии: энергия положения или состояния, также называемая потенциальной энергией, а другая — это энергия в действии или движении и называемая кинетической энергией.

Оба типа энергии могут преобразовывать друг друга и являются частью других форм энергии. В зависимости от источника, откуда они берутся, мы можем говорить об электрической, ядерной, химической, излучающей или магнитной энергии.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия шара для боулинга опрокидывает кегли.

Кинетическая энергия — это энергия в действии, энергия движения. Зависит от количества массы тела, а также от скорости. Таким образом, шар для боулинга выбьет больше кеглей, потому что он имеет большую массу. Более быстрый шар для боулинга будет более эффективным, чем медленный.

Человек может использовать в своих интересах кинетическую энергию многих природных ресурсов. Например, ветер движется воздухом, и ветрогенераторы используют это для производства электроэнергии.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия тела также зависит от массы объекта.

Потенциальная энергия является другим основным типом энергии и связана с положением или состоянием объекта по отношению к другому.

Потенциальная энергия увеличивается, когда притягиваемые тела отделяются или когда отбрасываемые или отталкиваемые тела объединяются. Область, в которой объекты притягиваются или отталкиваются, называется силовым полем. Примерами силовых полей могут быть, например, гравитационное силовое поле Земли или магнитное силовое поле.

Потенциальная и кинетическая энергия

Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, а также может быть найдена в других видах энергии, таких как потенциальная гравитационная энергия или упругая потенциальная энергия.

Гравитационная потенциальная энергия

В тот момент, когда спортсмен достигает высшей точки, он обладает большей потенциальной энергией.

Когда потенциальная энергия связана с гравитационной силой, она называется потенциальной гравитационной энергией. Гравитационное силовое поле вокруг нашей планеты притягивает объекты к ее центру. Когда мы поднимаем объекты, отделяя их от Земли, мы увеличиваем их гравитационную потенциальную энергию.

Существует потенциальная гравитационная энергия между Солнцем и планетами, а также между Луной и Землей. Фактически, приливы являются результатом притяжения, которое Луна создает на земных водоемах.

Упругая потенциальная энергия

Когда мы растягиваем пружину, энергия, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, сохраняется как потенциальная энергия.

Другой формой потенциальной энергии является энергия, которую содержит пружина, когда мы растягиваем или сжимаем её. Эта энергия называется упругой потенциальной энергией: это энергия материалов, когда они растягиваются или скручиваются. Когда мы сжимаем пружину, мы увеличиваем ее потенциальную энергию.

Эластичная потенциальная энергия — это то, что движет в пружине. Также в прыжках с шестом в легкой атлетике у нас есть пример того, как упругая потенциальная энергия превращается в гравитационную потенциальную энергию.

Механическая энергия

Механическая энергия — это сумма энергии положения и движения.

Механическая энергия тела охватывает движение и положение объекта, то есть это сумма кинетической и потенциальной энергии этого объекта.

Когда мы качаемся, мы превращаем кинетическую энергию в потенциал и наоборот, поэтому мы можем двигаться быстрее и выше.

Например, ребенок на скейтборде на предыдущем изображении обладает кинетической энергией, которая позволяет ему закрепиться на стене, набирая потенциальную энергию. Когда оно начинает падать, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и набирает скорость.

Химическая энергия

Химическая энергия сохраняется в связях между атомами.

Химическая энергия — это форма потенциальной энергии, которая сохраняется в связях между атомами в результате сил притяжения между ними.

Во время химической реакции одно или несколько соединений, называемых реагентами, превращаются в другие соединения, называемые продуктами. Эти превращения происходят из-за разрыва или образования химических связей, которые вызывают изменения в химической энергии.

Энергия высвобождается, когда связи разрушаются во время химических реакций. Это то, что известно как экзотермическая реакция. Например, автомобили используют химическую энергию бензина для выработки тепловой энергии, которая используется для движения автомобиля. Точно так же пища хранит химическую энергию, которую мы используем живыми существами, чтобы функционировать.

Когда соединения образуются, требуется энергия; Это реакция эндотермического типа. Фотосинтез — это эндотермическая реакция, энергия которой исходит от Солнца.

Тепловая энергия

Тепловая энергия огня передается тепловой энергии горшка через тепло.

Тепловая энергия (внутренняя энергия) представляет собой тип кинетической энергии, являющейся продуктом движения или внутренней вибрации частиц в телах. Когда мы измеряем температуру с помощью термометра, мы измеряем то движение атомов и молекул, которые составляют тело. При более высокой температуре большее движение и, следовательно, большая тепловая энергия.

Кроме того, тепловая энергия перемещается между телами через тепло. Когда вы помещаете горячий предмет рядом с холодным, происходит передача энергии от самого горячего к самому холодному, до точки, где они имеют одинаковую температуру. Тепло также передается через инфракрасное излучение или движение горячих жидкостей или газов.

Электрическая мощность

Электрические батареи превращают химическую энергию в электрическую.

Электричество — это тип энергии, который зависит от притяжения или отталкивания электрических зарядов. Существует два вида электричества: статическое и текущее. Статическое электричество связано с наличием статических нагрузок, т.е. нагрузок, которые не двигаются. Электрический ток происходит из-за перемещение грузов.

Пример статического электричества — когда мы натираем воздушный шарик на волосы. Воздушный шар удерживает электроны от волос, заряжаясь отрицательно, в то время как волосы заряжены положительно. Если вы подойдете к воздушному шарику к своей голове, не касаясь его, вы увидите, как пряди волос тянутся к воздушному шарику.

Электрический ток — это поток зарядов из-за движения свободных электронов в проводнике. Это движение происходит в электрическом поле, то есть в области вокруг заряда, где действует сила. Электрические заряды легко переносятся такими материалами, как металлы, особенно серебро, медь и алюминий.

В батареях или электрических батареях происходит превращение химической энергии в электрическую энергию. Химическая энергия происходит в результате реакции между электродами и электролитом, когда положительный полюс соединен с отрицательным полюсом батареи. Вольт — это единица измерения потенциальной энергии на заряд в батарее.

Ядерная энергетика

Когда ядро ​​атома разбивается, ядерная энергия высвобождается.

Ядерная энергия — это форма потенциальной энергии, которая накапливается в ядре атома и происходит от сил, удерживающих субатомные частицы вместе. Ядерная реакция похожа на химическую реакцию, в которой реагенты превращаются в продукты. Они отличаются тем, что в ядерной реакции один атом превращается в другой.

Существует три типа ядерной реакции: радиоактивный распад, слияние и деление. При радиоактивном распаде ядро ​​радиоактивного атома самопроизвольно выделяет энергию. При делении ядра ядро ​​бомбардируется нейтроном, что приводит к образованию двух новых атомов. При ядерном синтезе легкие ядра объединяются в тяжелые ядра.

Использование ядерной энергии

Реакции ядерного деления используются в ядерных реакторах, где ядерная энергия преобразуется в тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Энергия, исходящая от Солнца, является продуктом ядерного синтеза.

Магнитная энергия

Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.

Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.

Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.

Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.

Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.

Звуковая энергия

Колокол вибрирует от удара и производит звуковые волны, которые распространяются по воздуху.

Звуковая энергия — это механическая энергия частиц, которые вибрируют в форме волн через среду передачи. Средой, через которую проходят звуковые волны, может быть воздух, вода или другие материалы. Все, что вызывает шум, генерирует звуковую энергию.

Звук распространяется в твердых телах быстрее, чем в жидкостях, и быстрее в жидкостях, чем в газах. Поэтому если прислонить ухо к полу, можно слышать, потому что скорость звука на земле в четыре раза выше, чем в воздухе.

Именно благодаря звуковой энергии мы можем слышать. Когда звуковые волны в воздухе проникают в ваши уши, они стимулируют специальные клетки, которые посылают информацию в мозг. Чем больше энергии имеет звуковая волна, тем громче будет звук.

Карты морского дна выполнены с использованием звуковой системы. Гидролокатор посылает звуковые волны и рассчитывает пройденное расстояние, используя скорость звука в воде.

В медицине ультразвук используется для удаления камней в почках. Эхокардиограмма является еще одной технологией, которая использует звуковые волны, чтобы увидеть плод у беременных женщин.

Лучистая энергия

Свет — это лучистая энергия, которая распространяется волнами.

Энергия в форме света или тепла — это лучистая энергия, более известная как излучение. Излучение — это электромагнитные волны, которым не нужны средства для перемещения подобно звуковым волнам, чтобы они могли перемещаться в космическом пространстве. Источником электромагнитных волн являются электроны, которые вибрируют, создавая электрическое поле и магнитное поле.

Различные типы лучистой энергии или излучения (потоки) упорядочены по уровням энергии в электромагнитном спектре. Они путешествуют в космосе со скоростью 300 миллионов метров в секунду, то есть со скоростью света.

Рентгеновские и гамма-лучи — это невидимые излучения с большим количеством энергии. Оба имеют важные применения в медицине. Рентген используется для диагностики переломов костей, в то время как гамма-излучение используется для диагностики неврологических заболеваний, таких как болезнь Паркинсона и Альцгеймера, или при заболеваниях сердца.

Ультрафиолетовые (УФ) лучи представляют собой тип невидимого излучения, создаваемого Солнцем и некоторых специальных ламп. Эти лучи отвечают за загар, который мы приобретаем, когда подвергаем себя воздействию солнца. Однако чрезмерное воздействие ультрафиолетовых лучей может вызвать ожоги и рак кожи. Вот почему вы должны защищать свое тело, когда вы долго на солнце, особенно кожу (чтобы защититься от рака кожи) и глаза.

Видимый свет излучения — это то, что человеческий глаз может воспринимать. Обычно мы видим белый свет, который является не более чем смесью огней разных цветов. Свет находится в энергетических пакетах, называемых фотонами, которые не имеют массу.

Инфракрасное излучение, микроволна и радиоволны менее энергичное излучение электромагнитного спектра. Радиоволны и микроволны — это волны, используемые в коммуникациях для передачи звука и изображений.

Солнечная энергия

Солнце — самый важный источник энергии для жизни на Земле.

Солнечная энергия — это лучистая энергия солнца. Он путешествует в пространстве, пока не достигнет Земли в виде электромагнитных волн. Большая часть солнечного излучения, которое достигает атмосферы Земли, — это ультрафиолетовое излучение, видимый свет и инфракрасные лучи.

Солнце состоит из водорода и гелия. В этом случае энергия исходит от процесса ядерного синтеза: ядра водорода объединяются, образуя гелий и лучистую энергию.

Люди научились использовать солнечную энергию. Сегодня энергия солнечного света используется для отопления домов и зданий, увеличения их тепловой энергии. Видимый солнечный свет проходит через стекла окон и поглощается материалами внутри комнаты. Это заставляет материалы нагреваться.

Лучистая энергия Солнца ответственна за существование жизни на Земле. Растения собирают эту энергию для производства пищи, превращая ее в химическую энергию. Солнечная энергия управляет движением воздуха в атмосфере, вызывая ветры.

Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии

Такие ресурсы, как солнце и ветер, являются возобновляемыми источниками энергии.

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, может только быть преобразована. Это означает, что при подсчете количества энергии в системе это количество всегда будет одинаковым, хотя и по-разному.

Когда мы говорим о возобновляемых или невозобновляемых энергоресурсах, мы действительно имеем в виду источники или ресурсы, из которых люди извлекают энергию.

Уголь и нефть являются ископаемым топливом, в котором химическая энергия сохраняется в связях между атомами углерода. Ископаемое топливо не возобновимо, потому что оно было сформировано миллионы лет назад из доисторических организмов. Эти источники энергии, помимо ограниченного существования, наносят серьезный ущерб окружающей среде.

Наша цель должна заключаться в том, чтобы воспользоваться другими источниками энергии, такими как солнце, ветер, внутреннее земное тепло и океанские волны, которые являются возобновляемыми и не загрязняющими окружающую среду. Вода может использоваться снова и снова благодаря естественному процессу круговорота воды.

Другой аспект, который мы должны принять во внимание, это не тратить энергию. Электрическая энергия вашего дома имеет свою стоимость. Если у вас долгое время открыт холодильник или вы оставили лампы в своей комнате, особенно если вас там нет, вы увеличиваете потребление электроэнергии в своем доме, и это будет оплачиваться вашими родителями. Экономия энергии — это разумное и осознанное использование.

Что такое энергия?

Ученым трудно объяснить, что такое энергия. Это не является веществом или объектом, к которому можно прикоснуться или удерживать. Но вещества и объекты обладают энергией.

Полезное определение заключается в том, что энергия — это то, что необходимо для того, чтобы все произошло. Она может заставить вещи двигаться или меняться и делает что-то!

Различные формы

Существует и различаются основные виды энергии. Некоторые виды включают в себя создание материи, в то время как другие сохраняются.

Многие объекты имеют энергию, хранящуюся в них из-за их положения (автомобиль на вершине холма) или из-за их природы (взрывчатые вещества).

Потенциальная энергия представляет накопленную, она готова и ждет, чтобы все произошло.

Связанную с чем-то движущимся или изменяющимся каким-то образом, можно назвать активной энергией (светом, связанным с взрывающимися фейерверками).

• Световая распространяется из источника и движется со скоростью света (300 000 км/с). Существует много различных видов световой.
• Звуковая производится путем вибрирования предметов. Эти вибрации перемещаются через воздух далеко от предмета. Звуковые волны перемещают со скоростью около 340 м/с.
• Кинетической обладают все движущиеся объекты. Количество кинетической зависит от того, насколько предмет тяжелый и как быстро он движется.
• Тепловая (тепло) влияет на движение частиц (атомов и молекул), составляющих вещество.
• Электрическая — это поток заряженных частиц вдоль проводника, такого как медный провод. Электрическую нельзя увидеть, но её последствия огромны.

Потенциальные формы энергии:

• Гравитационной потенциальной энергией обладают объекты, находящиеся над уровнем земли. По мере того как предмет поднят, он приобретает её. Она преобразуется в кинетическую, когда предмет падает.
• Упругой потенциальной обладают объекты, которые были растянуты или придавлены, но могут вернуться к своей первоначальной форме при освобождении.
• Ядерная потенциальная хранится внутри ядра атомов. Когда атомные ядра расщепляются или соединяются вместе, выделяется огромное количество в виде тепла, света и излучения.
• Химическая потенциальная, хранящаяся в связях, которые удерживают атомы вместе.
• Магнитная потенциальная может храниться в определенных металлических объектах, удерживаемых в магнитном поле.

Энергия в повседневной жизни

Все вокруг нас зависит от энергии. Автомобили зависят от хранившейся в используемом ими топливе. Используется в домах, офисах и индустрии для того чтобы заставить работать все виды машин. Она используется для освещения и нагревания наших домов, для того чтобы варить и хранить нашу еду.

Очевидно, трудно сказать, что такое энергия, но она важна для нас. Легче сказать, на что способна.

Энергия — это способность выполнять работу.

Все, что работает, должно иметь запас энергии. Мотоцикл не будет продолжать работать, если он не снабжен бензином. Бензин обеспечивает ресурсами, которые двигатель использует для работы.

Когда человек нажимает педали велосипеда, сила приходит от мышц в вашем теле. Ваши мышцы получают энергию от пищи, которую вы едите. Если необходимо больше чем есть у человека, то экстренная энергия хранится в теле как жир. С другой стороны, неадекватная энергетическая диета приведет к худому и действительно нездоровому организму!

Все, что мы делаем, требует энергии даже для сна! В таблице ниже показано количество необходимое для различных видов деятельности.

Энергия, вовлеченная в повседневную деятельность:

Сохранение энергии

Хотя энергия может изменить свою форму, она не может просто исчезнуть. Если проследить источник то обнаружится, что она просто не появляется из ниоткуда.

Эти открытия привели ученых к утверждению закона об энергии.

Первая часть гласит, что энергия должна откуда-то поступать. Она никогда не создается из ничего, но может изменяться из одной формы в другую, но общее количество остается неизменным. Энергетические цепи обычно начинаются с некоторой формы потенциальной энергии. Если проследить множество энергетических цепочек, то можно обнаружить, что она исходит от ядерных реакций внутри Солнца, которые преобразуют энергию, хранящуюся в атомных ядрах в тепловую и лучистую.

• Согласно Закону сохранения: вход = выходу
• Это уравнение может быть изменено на: потребление = полезное + отходы

Конструкторы обеспокоены тем, чтобы сделать приборы, которые производят максимальный коэффициент полезного действия.

• Это измеряется энергоэффективностью: энергоэффективность % = полезная энергия x 100/потребляемая

Человеческий организм не очень эффективен в преобразовании энергии. Спортсмен использует до 40000 джоулей химической (пищевой) при спринте на 100 м. Только 8000 из этого преобразуется в кинетическую энергию бега. Остальное тратится как тепло!

Количество энергии, преобразуемой машиной каждую секунду, называется мощностью машины. Мощность измеряется в ваттах (1 ватт равен 1 джоулю энергии, преобразуемой в каждую секунду).

Преобразование энергии

Энергия может передаваться от одного объекта к другому. Если вы касаетесь горячего объекта, тепло передается на ваши пальцы. Передача не влечет за собой изменения в типе энергии.

Преобразования или изменения происходят вокруг нас все время. При преобразовании энергия изменяется от одного типа к другому или на несколько различных типов. Электрическая лампочка преобразует электрическую в световую и инфракрасную.

Происходит преобразование энергии:

• внутри вашего тела-движущаяся мышца
• внутри электроприборов
• в физических процессах — молния

В трансформации важно определить затраты и выход. Иногда передачи и преобразования энергии происходят один за другим. Это называется энергетической цепью.

Например, преобразование энергии в фонарике:

• Батареи преобразовывают химическую потенциальную в электрическую. Лампочка изменяет электрическую энергию в тепловую и световую.
• Энергетическая цепь записывается как: химическая потенциальная — — — — > электрическая — — — — > тепловая и световая

Уравнения преобразования энергии

Во время преобразования энергия обычно преобразуется в более чем одну форму. Слово уравнение может быть использовано, чтобы показать изменения энергии, которые происходят.

Например, преобразование энергии в тостере:

• Тостер изменяет электрическую энергию в энергию тепла и света.
• Ввод — электрическая, вывод -тепловая и световая энергия.

Уравнение преобразования энергии тостера:

• Электрическая — — — — — > тепловая + световая

Устройство, преобразующее энергию из одной формы в другую, называется машиной или преобразователем энергии.

Измерение энергии

Научной единицей энергии является джоуль. Это названо в честь британского ученого по имени Джеймс Джоуль. Один джоуль — это очень небольшое количество, поэтому ученые используют килоджоули (кДж).

Если поднять объект на 1 метр весом 1 кг, то объект получит 1 джоуль гравитационной энергии.

Если нагреть 1 мл воды на 1 градус С, то вода получит 4,2 джоулей тепловой энергии.

Энергия в пище

Все, что вы делаете каждый день, даже сон, требует энергии. Различные виды деятельности требуют разного количества.

Сколько энергии нужно вашему организму каждый день:

Мужчина или женщина, молодые или старые, активные или нет, люди получают ресурсы, в которых они нуждаются каждый день от еды, которую они едят. Эта пища является формой химической потенциальной энергии. Когда еда расходуется в клетках тела во время дыхания, химическая потенциальная энергия выпускается. Различные продукты выделяют разное количество ресурсов.

Ежедневные энергетические потребности женщин и мужчин в(килоджоулей)

Держать себя здоровым без избыточного веса — — — — > сбалансировать потребление с расходом

Некоторые виды пищи обеспечивают больше энергии, чем другие. Жиры дают вдвое больше, чем углеводы. В виду того что жир дает больше чем другие типы еды, можно подумать что еда всегда хороша для нас. ЭТО НЕ ТАК! Организм не может использовать так много еды одновременно. Все что необходимо он использует, а лишнее хранит как жир. Это может привести к ожирению и другим проблемам со здоровьем.

Когда вы активны, организм сжигает много энергии. Когда вы смотрите телевизор или играете на компьютере, организм сжигает гораздо меньше.

Большее количество энергии, которую наши тела получают от пищи, преобразуется в тепловую в результате дыхания. Это использовано для того чтобы держать наши тела на определенной температуре постоянно (37 градусах C). Это важно, если химические реакции, которые происходят в клетках должны работать эффективно.

Чтобы узнать, сколько энергии хранится в пище, вы можете превратить ее в тепло и измерить, что может сделать это тепло.

Альтернативные источники

Солнечная энергия поступает на Землю от Солнца в виде света. Когда большинство людей думают о свете, они думают о солнечной энергии. Но солнечная — не единственная форма, которая исходит от Солнца. Ветер также является формой, которую солнце помогает сделать. Миллионы лет назад Энергия Солнца помогала производить ископаемые виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ. Теперь эти ископаемые виды топлива обеспечивают работающие автомобили, отопление домов и питание компьютеров.

Большая часть энергии в мире используется в виде ископаемого топлива. Эти виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, поступают от Солнца. Солнечная энергия хранится в растениях и животных, которые вымерли миллионы лет назад.

Сжигание ископаемых видов топлива является единственным способом высвобождения накопленных в них ресурсов. Проблема с ископаемыми видами топлива заключается в том, что они загрязняют окружающую среду, и они занимают очень много времени. Это невозобновляемые источники энергии. После того, как ископаемые виды топлива были использованы, они ушли навсегда.

Возобновляемые источники энергии заканчиваются. Люди во всем мире ищут альтернативные источники, которые являются экологически чистыми, безопасными и возобновляемыми. Некоторые были использованы в течение многих лет. Некоторые все еще находятся на экспериментальной стадии. Большинство из них используются для производства электрической энергии, но некоторые используются в их первоначальном виде.

Альтернативные (возобновляемые) источники энергии включают:

Солнечная

Солнечная энергия поступает от солнца в виде электромагнитных волн. Количество Земли получает в год более чем достаточно, чтобы обеспечить все мировые потребности на этот год.

Ветра

Движение воздуха (ветер) является результатом неравномерного нагрева земной поверхности солнцем. Ветряные турбины превращаются в ветер и вырабатывают электричество.

Гидроэлектрическая

Когда вода, накопленная высоко за плотиной, стекает по трубам в электростанцию, ее гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, которая превращает турбины, генерирующие электричество.

Биомасса

Это органический материал, который преобразуется в том числе и жидкое биотопливо. Древесина — это форма биомассы. Сжигание древесной щепы производит газ, который сжигается, чтобы высвободить ресурсы, которые могут быть использованы для обеспечения отопления или использоваться для производства электроэнергии.

Приливная

Приливы вызваны притяжением Луны. Плотина через лиман может удерживать воду, а затем использовать ее для выработки электроэнергии.

Биогаз

Разлагаемые животные, отходы и нечистоты производят лэндфилл-газ. Когда лэндфилл-газ совмещается с углекислым газом производится метан. Процесс происходит в закрытом контейнере, называемом метантенка. В Индии и Китае этот способ используют для получения топлива для приготовления пищи.

Волновая

Волны вызваны ветром, дующим через море. Большие поплавки которые двигают вверх и вниз с волнами теперь используются для генерации электричества.

Водород

Водород используется в топливных элементах. Его можно совместить с кислородом для того чтобы произвести электрический ток. Он горит легко выпуская большое количество тепловой энергии.

Энергия, связывающая всё воедино

В моей статье про энергию и массу и связанные с ними понятия основное внимание я уделил частицам – возмущениям полей – и уравнениям, при помощи которых Эйнштейн связывал их энергию, импульс и массу. Но энергия возникает и в других местах, не только благодаря частицам. Чтобы по-настоящему понять Вселенную и то, как она работает, необходимо понять, что энергия может появиться из-за взаимодействия различных полей, или даже из-за взаимодействия с самим полем. Вся структура нашего мира – протоны, атомы, молекулы, тела, горы, планеты, звёзды, галактики – является результатом наличия такого типа энергии. На самом деле, многие типы энергии, о которых мы рассуждаем так, будто они отличаются друг от друга – химическая энергия, ядерная энергия, электромагнитная энергия – либо являются одной из форм энергии взаимодействия либо каким-то образом к ней относятся.

Когда ученикам начинают преподавать физику, в этот тип энергии включается то, что учителя называют «потенциальной энергией». Но поскольку слово «потенциальная» в английском [и русском] языках означает не то же самое, что в физике, и поскольку то, каким образом преподносят эту концепцию, сильно отличается от современной физической точки зрения, я предпочитаю использовать для этой энергии другое название – чтобы она не связывалась с имеющимися у читателя представлениями, правильными или неправильными.

Кроме того, в статье про массу и энергию я называл энергию взаимодействия «энергией взаимоотношений». Ниже станет ясно, почему – но я решил, что это была плохая идея, и перешёл на другое именование.

Преамбула: пересмотр концепций

С текущей точки зрения, предпочтительной для физиков и проверенной в экспериментах, весь мир состоит из полей. Самым интуитивно понятным примером поля может служить ветер:

• Его везде можно измерить,
• Он может быть нулевым или ненулевым,
• В нём могут проходить волны (которые мы зовём звуком).

В большинстве полей могут образовываться волны, и благодаря квантовой механике эти волны не могут быть сколь угодно малой высоты.

Волна наименьшей возможной высоты – или наименьшей амплитуды и наименьшей мощности – называется «квантом», или, часто «частицей» – однако, последний вариант иногда приводит к путанице.

Фотон – это квант, или частица света (под «светом» тут подразумевается как видимая часть спектра, так и другие вариации). Это самая тусклая из возможных вспышек света, наименее мощная волна в электрическом и магнитном поле, которую можно создать. Можно создать два фотона, три или шестьдесят два. Нельзя создать треть фотона или два с половиной. Ваши глаза построены именно так, чтобы поглощать по одному фотону за раз.

То же относится к электронам, мюонам, кваркам, W-частицам, частице Хиггса и всем остальным. Всё это кванты своих полей.

При этом квант, хоть он и будет возмущением поля, ведёт себя как частица:

• Сохраняет целостность при движении в пустом пространстве.
• Обладает определёнными, хотя и зависящими от наблюдателя, энергией и импульсом.
• Обладает определённой, не зависящей от наблюдателя, массой.
• Может быть излучён или поглощён как единое целое.

Напомню, что в физике частиц под массой принято понимать то, что раньше называли «массой покоя», для которой уравнение E = mc 2 выполняется только, если частица покоится. У движущейся частицы E > mc 2 , поскольку энергия её массы равна mc 2 , а энергия движения всегда положительна. Именно это определение следует иметь в виду при прочтении данной статьи.

Энергия взаимодействующих полей

Теперь обратимся к самой неуловимой форме энергии. Энергия частицы состоит из энергии массы и энергии движения. Помните, что частица – это возмущение поля, то есть, хорошо определённая волна.

Рис. 1: набросок того, как присутствие кванта одного поля (голубая волна) создаёт возмущение во втором поле (зелёном), достигающее наибольшей интенсивности вокруг возмущения и уменьшающегося до нуля при отдалении.

Но поля способны делать много всего, не только порождать возмущения. К примеру, возмущение одного поля может вызвать неволновое изменение в другом поле. На рис. 1 я нарисовал такой случай – голубая волна-квант одного поля и ответная реакция другого поля.

Допустим, у нас есть две частицы – пусть это будут возмущения двух различных полей. На рис. 2 я обозначил их голубой и оранжевой волнами. Оба этих поля взаимодействуют с зелёным полем. Тогда изменение зелёного поля станет сложнее. Это набросок, а не точное отражение того, что слишком сложно изобразить на рисунке, но идею он даёт.

Какой же получается энергия этой системы двух частиц – двух возмущений двух разных полей и третьего поля, взаимодействующего с ними обоими?

Возмущения – это кванты, или частицы. У них есть масса и энергия движения, и обе эти величины положительны.

Рис. 2

У изменения зелёного поля тоже есть какая-то энергия. Она также положительная, хотя часто очень маленькая по сравнению с энергией частиц. Её часто называют энергией поля.

Но во взаимоотношениях различных полей есть дополнительная энергия. Энергия есть там, где сильны голубое и зелёное поля, а также там, где сильны оранжевое и зелёное поля. И вот, в чём странность. Если сравнить рис. 1 с рис. 2, на обеих будет энергия там, где сильны голубое и зелёное поля. Но присутствие поблизости возмущения оранжевого поля изменяет зелёное поле, и тем самым изменяет энергию в том районе, где находится голубое поле, как показано на рис. 3.

Рис. 3

В зависимости от того, как оранжевое и зелёное поля взаимодействуют друг с другом, и как взаимодействуют голубое и зелёное поля, изменение в энергии может быть положительным или отрицательным. Это изменение я и буду называть энергией взаимодействия.

Возможности отрицательного изменения энергии взаимодействия голубого и зелёного полей ввиду наличия оранжевого возмущения (и наоборот) – возможность того, что энергия взаимодействия будет отрицательной – самый важный факт, из-за которого и становится возможным существование всех структур во Вселенной, от атомных ядер до человеческих тел и галактик. Именно об этом и рассказывается далее.

Земля и Луна

Земля, очевидно, частицей не является. Это огромный набор частиц, возмущений самых разных полей. Но всё сказанное выше применимо и ко множеству возмущений, а не только к одному, и все они взаимодействуют с гравитационными полями.

Представьте Землю саму по себе. Её присутствие создаёт возмущение в гравитационном поле (которое, с точки зрения Эйнштейна, является искажением локального пространства и времени, но это для нас не критично). Теперь разместим поблизости Луну. Она тоже искажает гравитационное поле. И гравитационное поле вокруг Земли изменяется из-за присутствия Луны. Подробности того, как гравитация взаимодействует с частицами и полями, составляющими Землю, гарантируют, что в результате влияния Луны появляется отрицательная энергия взаимодействия между гравитационным полем и Землёй. Обратное также верно.

Именно поэтому Луна и Земля не могут разлететься и остаются в ловушке, связанные вместе так же прочно, как если бы они были связаны гигантским тросом. Если бы Луна была очень далеко от Земли, то энергия взаимодействия системы – Земли, Луны и гравитационного поля – была бы нулевой, а не отрицательной. Но энергия должна сохраняться. Поэтому, чтобы отодвинуть Луну дальше от Земли по сравнению с её текущим местоположением, необходимо где-то взять огромное количество положительной энергии – чтобы увеличить отрицательную энергию взаимодействия до нуля. У Луны и Земли есть положительная энергия движения из-за движения по орбитам, но её недостаточно для того, чтобы они разбежались.

Рис. 4: Абсолютная аналогия с рис. 3

И кроме как столкнуть другую планету с Луной, не существует способа получить такую огромную энергию, случайно или намеренно, из расположенных поблизости источников. Мощности всего накопленного человечеством оружия и близко не хватит. Поэтому Луна не может внезапно отдалиться от Земли – она тут надолго, до тех пор, пока какая-нибудь впечатляющая катастрофа не собьёт её с орбиты.

Вам, возможно, известно, что самой популярной теорией формирования Земли и Луны считается теория столкновения двух объектов размером с планету – большой протоземли и объекта размером с Марс. Эта теория объясняет множество сложных загадок, связанных с Луной. На заре Солнечной системы однозначно происходили высокоэнергетические столкновения на планетарных масштабах, поскольку Солнце и планеты сформировались более 4 млрд лет назад! Но таких столкновений не было уже очень давно.

Та же логика объясняет, почему искусственные спутники Земли остаются на орбите, почему Земля привязана к Солнцу, а Солнце – к Млечному пути, городу, где живёт триллион звёзд.

Атом водорода

На более мелких масштабах и с менее очевидными последствиями электрон и протон, составляющие атом водорода, остаются связанными друг с другом, если только извне не приходит энергия для изменения их состояния. В данном случае основную работу берёт на себя электрическое поле. В присутствии электрона энергия взаимодействия между электрическим полем и протоном (и наоборот) отрицательная. В результате, после того, как вы сформировали атома водорода из электрона и протона (и подождали ещё крохотную долю секунды, пока они не устаканятся до предпочтительной конфигурации, основного состояния), то количество энергии, необходимое для их разделения, составит порядка 14 эВ. Мы называем её энергией связи водорода.

Рис. 5 (не в масштабе! Электрон и протон гораздо меньше). Внутри атома водорода электронное возмущение распространяется в виде облака вокруг протона. Энергия взаимодействия, включающая протон, электрон и электронное поле, составляет -28 эВ, она частично компенсируется (в основном благодаря энергии движения электрона) и даёт энергию связи в -14 эВ.

Мы можем измерить энергию связи, посветив на атомы водорода ультрафиолетом (фотонами с энергией слишком большой для того, чтобы увидеть их глазом), и посмотрев, насколько большой должна быть энергия фотонов, чтобы разбить атом водорода. Мы также можем подсчитать её при помощи уравнений квантовой механики – и успешное предсказание этой величины служит одним из простейших проверок современной теории квантовой физики.

Но сейчас я хочу вернуться к тому, что я упоминал в статье про массу и энергию, к одной из ключевых идей Эйнштейна, приобретённой им благодаря работе с последствиями его уравнений. Если у вас есть система объектов, то масса системы не будет равна сумме масс объектов, содержащихся в ней. Она даже не пропорциональна сумме энергий содержащихся в ней частиц. Она будет равной общей энергии системы, делённой на c 2 с точки зрения наблюдателя, покоящегося относительно этой системы. (Для движущегося наблюдателя у системы будет ещё энергия движения, не добавляющая системе массы). В эту общую энергию входят:

• Энергии массы частиц (колебаний полей),
• Энергии движения частиц,
• Иные источники энергии полей, происходящие от неволновых возмущений,
• Энергии взаимодействия полей.

Что мы узнали из того факта, что для разрушения атома водорода необходимо 14 эВ? Ну, разбив эту систему, вы окажетесь с протоном и электроном на руках, отстоящих далеко друг от друга, и не особенно быстро двигающихся. В тот момент энергия системы составит:

• Энергии массы частиц = энергия массы электрона + энергия массы протона = 510 999 эВ + 938 272 013 эВ
• Энергии движения частиц = 0
• Иные источники энергии полей, происходящие от неволновых возмущений = 0
• Энергии взаимодействия полей = 0

Но мы знаем, что до этого система атома водорода обладала энергией на 14 эВ меньше.

Энергия массы электрона всегда равна 510 999 эВ, а протона – 938 272 013 эВ, вне зависимости от того, чем они занимаются. Поэтому вклад энергии массы водорода в общую энергию такой же, как у разведённых в стороны электрона и протона. Должно получаться следующее:

• Энергии движения частиц внутри водорода,
• ПЛЮС другие источники энергий полей от неволновых возмущений (крайне малые),
• ПЛЮС энергии взаимодействия полей,
• Должны быть РАВНЫ энергии связи -14 эВ.

И если провести все расчёты, то цифры получаются примерно такие:

• Энергия движения частиц = +14 эВ,
• другие источники энергий полей от неволновых возмущений = крайне малые,
• энергии взаимодействия полей = -28 эВ,

и сумма всего этого получится равной -14 эВ.

В том, что энергия взаимодействия равна -2 * энергию движения, нет случайности. Грубо говоря, это следует из закона обратных квадратов для электрических полей. Конкретно, это следует из теоремы о вириале.

Какова в таком случае масса атома водорода?

масса электрона + масса протона + энергия связи / c 2

А поскольку энергия связи отрицательна из-за большой по модулю и отрицательной энергии взаимодействия, получается

Это один из самых важных фактов Вселенной!

Почему атом водорода не распадается

Теперь я скажу вам то же самое, но на немного другом языке, языке физики частиц.

Водород – это стабильный составной объект, состоящий из протона и электрона, связанных благодаря взаимодействию с электрическим полем.

Почему он стабилен?

Любой нестабильный объект распадётся. Распад возможен, только если сумма масс частиц, на которые распадётся первичный объект, меньше, чем масса начального объекта. Это следует из законов сохранения энергии и импульса.

Минимальные штуки, на которые может распасться атом водорода, это протон и электрон. Но масса атома водорода меньше (из-за отрицательных 14 эВ энергии связи) суммы масс электрона и протона. Ещё раз, это важно:

Но ни на что другое водород распадаться не может, поэтому водород вообще не может распасться.

Всё это работает до тех пор, пока не распадётся протон, что, если и может случиться, то неимоверно редко – мы ещё ни разу не наблюдали такого события. Нам уже точно известно, что это настолько редкое событие, что в течение вашей жизни в вашем теле не распадётся ни один протон. Так что эту возможность отбросим.

То же верно и для остальных атомов. Атомы стабильны, поскольку энергия взаимодействия электронов и атомных ядер отрицательна. Масса атома получается меньше, чем сумма масс его компонентов, поэтому атом не может развалиться на электроны и ядро.

Один подвох: атом может развалиться по-другому, в результате распада ядра. И если протон не может распадаться (или делает это чрезвычайно редко), для большинства ядер ситуация уже совсем другая.

И это подводит нас к важным вопросам.

• Почему нейтрон, нестабильный сам по себе, стабилен в атомном ядре?
• Почему некоторые ядра атомов стабильны, а некоторые – нет?
• Почему протон стабилен, несмотря на то, что он тяжелее содержащихся в нём кварков?