Indhold
En af universets grundlæggende love er, at energi hverken oprettes eller ødelægges - den ændrer kun former. Derfor findes der mange energiformler. For at forstå, hvordan disse formler er udtryk for den samme ting, er det vigtigt først at forstå, hvad fysikere mener, når de taler om energi. Det er en opfattelse, der er forankret i begreberne klassisk fysik som belyst af Sir Isaac Newton.
Formlen for bevægelsesenergien er KE = .5 × m × v2 hvor KE er kinetisk energi i joules, er m masse i kg og v er hastighed i meter per sekund.
Kraft og arbejde
Newtons tre bevægelseslove danner grundlaget for klassisk fysik. Den første lov definerer kraft som den, der forårsager bevægelse, og den anden lov vedrører den kraft, der virker på et objekt, til den acceleration, den gennemgår. Hvis en kraft (F) accelererer et legeme gennem en afstand (d), udfører den en mængde arbejde (W) svarende til kraften ganget med afstanden gange en faktor, der tegner sig for vinklen mellem dem (θ, det græske bogstav theta ). Som et matematisk udtryk betyder dette W = F × d × (cos (θ)). Metriske enheder for kraft er newton, dem for afstand er meter og enheder til arbejde er newton meter eller joules. Energi er kapaciteten til at udføre arbejde, og det udtrykkes også i joules.
Kinetisk og potentiel energi
Et objekt i bevægelse besidder sin bevægelsesenergi, hvilket svarer til det arbejde, der ville være nødvendigt for at bringe det til hvile. Dette kaldes dens kinetiske energi, og det er afhængigt af kvadratet af genstandens hastighed (v) såvel som halvdelen af dens masse (m). Matematisk udtrykkes dette som E (k) = (.5) × m × v2. Et objekt i hvile i jordens tyngdefelt besidder potentiel energi i kraft af dens højde; hvis det skulle falde frit, ville det få kinetisk energi svarende til denne potentielle energi. Potentiel energi er afhængig af genstandenes masse, dens højde (h) og accelerationen på grund af tyngdekraften (g). Matematisk er dette E (p) = m • h • g.
Elektrisk energi
Beregningen af energi i elektriske systemer afhænger af mængden af strøm, der strømmer gennem en leder (I) i ampere, samt af det elektriske potentiale eller spænding (V), der driver strømmen, i volt. Multiplikation af disse to parametre giver strømmen til elektricitet (P) i watt, og multiplicering af P med det tidspunkt, hvor elektriciteten strømmer (t) i sekunder, giver mængden af elektrisk energi i systemet i joules. Det matematiske udtryk for elektrisk energi i et ledende kredsløb er E (e) = P × t = V × I × t. I henhold til dette forhold spænder 6.000 joule energi ved at lade en 100-watts lyspære brænde i et minut. Dette svarer til den mængde kinetisk energi, som en sten på 1 kg ville have, hvis du faldt den fra en højde på 612 meter (ignorerer luftfriktion).
Nogle andre former for energi
Det lys, vi ser, er et elektromagnetisk fænomen, der har energi i kraft af vibrationerne i pakker af bølger kaldet fotoner. Den tyske fysiker Max Planck bestemte, at en fotons energi er proportional med frekvensen (f), som den vibrerer med, og han beregnet proportionalitetskonstanten (h), der kaldes Plancks konstant til hans ære. Udtrykket for en fotons energi er således E (p) = h × f. I henhold til Albert Einsteins relativitetsteori har hver stofpartikel iboende potentiel energi, der er proportional med partiklernes masse og kvadratet for lysets hastighed (c). Det relevante udtryk er E (m) = m × c2. Einsteinsberegninger blev bekræftet af udviklingen af atombomben.