Energia

Wikipedia

Tämä artikkeli käsittelee energiaa fysiikan käsitteenä. Energiasta yhteiskunnassa katso Energiantuotanto.

Pomppivalla pallolla energia muuttuu vuoroin potentiaali- vuoroin liike-energiaksi. Mekaaninen energia, eli potentiaali- ja liike-energia summa, pienenee kitkan vuoksi ja lopulta liike lakkaa.

Energia (kreik. ενεργός, tunnus E) on fysiikassa käytetty suure, joka kuvaa kykyä tehdä työtä.^lähde? Työ taas voi esimerkiksi kiihdyttää jotakin kappaletta. Joule (1 J = 1 Nm) on SI-järjestelmän perusyksikkö energialle ja työlle. Sähköisen energian yksikkönä käytetään usein kilowattituntia (1 kWh = 3,6 MJ). Suureesta energia käytetään fysiikassa myös tunnusta W.

Energialla voi olla erilaisia ilmenemismuotoja: liike-energia, potentiaalienergia, lämpöenergia, sähkömagneettinen energia jne. Kaikissa fysiikan tuntemissa ilmiöissä eri energianmuotojen summa pysyy vakiona, toisin sanoen energiaa ei synny eikä häviä. Tämän ilmaisee energian säilymislaki, joka tunnetaan myös energiaperiaatteena.

Systeemin (esim. kappaleen) kokonaisenergia on $E = T + V + U$ jossa T on liike-energia, V potentiaalienergia ja U systeemin sisäinen energia. Kokonaisenergia E voidaan jakaa monella tavalla näihin komponentteihin, joten eri havaitsijat voivat mitata samalle kappaleelle esim. erilaisen liike-energian. Ajattele vaikka liikkuvassa autossa olevaa kappaletta. Auton sisällä ja ulkopuolella olevat havaitsijat mittaavat kappaleelle erilaiset nopeudet ja siis myös erilaisen liike-energian. Nyt kuitenkin V tai U ovat myös erilaisia, niin että kokonaisenergia E aina on sama.

Exergia on energian käytettävissä oleva osuus, anergia on se osa, jota ei voi hyödyntää, esimerkiksi lämpöenergia ympäristön lämpötilassa.

Suhteellisuusteorian mukaan myös aine (massa) sisältää energiaa. Energia voi vapautua aineesta esimerkiksi ydinreaktiossa.

Energian hyödyntämisen tehokkuutta mitataan hyötysuhteella.

[muokkaa] Energian lajeja

[muokkaa] Liike-energia

Liike-energia on kappaleen liikkeeseen varastoitunutta energiaa. Kappaleella on sitä enemmän liike-energiaa, mitä suurempi on sen nopeus ja mitä painavampi kappale on. Klassisen fysiikan (eli alhaisissa nopeuksissa) kaava kappaleen liike-energialle on

$E_k=\frac{1}{2}mv^2$ ,

missä m on kappaleen massa ja v sen nopeus.

[muokkaa] Potentiaalienergia

Potentiaalienergia on kappaleeseen varastoitunutta energiaa. Energia varastoituu kappaleeseen, kun kappaleeseen kohdistetaan voima, joka aiheuttaa muutoksen kappaleessa. Esimerkkejä potentiaalienergiasta ovat jouseen varastoitunut voima ja kappaleen asemaan nostettaessa varastoituva energia. Jousta jännitettäessä tehdään työtä jousen jäykkyysvoimia vastaan. Kappaletta nostettaessa taas tehdään maan painovoimaa vastaan työtä, joka varastoituu kappaleen asemaan potentiaalienergiaksi. Nostotyön varastoima potentiaalienergia voidaan laskea kaavasta

$E_{pot}=m\cdot g\cdot h$ ,

missä m on kappaleen massa, g painovoimakiihtyvyys ja h nostokorkeus.

[muokkaa] Sähköenergia

Sähköä siirretään voimalinjojen avulla.

Tietyllä aikavälillä kulunut sähköenergia saadaan yleisesti sähkötehon integraalina ko. aikavälin yli:

$E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=\int_{t_1}^{t_2} P\, dt$

Usein sähköenergiaa laskettaessa voidaan laskennan ajan alkuhetki määritellä vapaasti. Se onkin usein määritelty nollaksi ja näin helpotetaan integraalin laskemista. Kun vielä merkitään sähkötehoa jännitteen U ja virran I tulona, saadaan sähköenergiaksi aikavälillä o...t:

$E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=\int_{0}^{t} UI\, dt$

Jos sähköteho pysyy vakiona koko tarkasteluaikavälin t, saadaan sähköenergiaksi yksinkertaisesti tehon ja tarkasteluajan tulo ja edelleen jännitteen, virran sekä ajan tulo.

$E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=P\cdot t=U\cdot I\cdot t$

Sähköisissä piireissä kondensaattorit pystyvät varastoimaan sähköistä energiaa sähkökenttäänsä ja kelat magneettikenttäänsä.

[muokkaa] Lämpöenergia

Lämpöenergia on aineen hiukkasten satunnaisiin värähtelyihin varastoitunut liike-energia. Kuumiin kappaleisiin on sitoutunut lämpöenergiaa lämpötilaeron (ΔT) ja lämpökapasiteetin (C) tulon mukaan:

E_lämpö = ΔT · C

E_lämpö = ΔT + 1Cv = + A2Cv: + B2Cv · C

[muokkaa] Käytössä olevia energialähteitä

polttoaineet
- fossiiliset polttoaineet
  - kivihiili
  - öljy
  - maakaasu
- turve
- uusiutuvat biopolttoaineet, mm. puupolttoaine
ydinenergia
- fuusio
- fissio
luonnonvirtaukset
- vesiputous
- tuuli
auringon säteily
geoterminen energia
ulkoilman lämpö
Maan ja kuun vuorovaikutusvoimista johtuva, valtava vesimassojen liike-energia; Joka voidaan muuttaa sähköenergiaksi.
- Vuorovesivoimalla valmistetulla sähköenergialla, valmistetaan vetyä polttoenergiaksi, mm. kulkuneuvoihin, polttolaitoksiin.

[muokkaa] Energiansiirto- ja välitystapoja

polttoaineiden kuljettaminen
sähkö
lämmön kulkeutuminen
lämmön säteily
lämmön johtuminen

[muokkaa] Katso myös

Aine

[muokkaa] Energian varastointitapoja

[muokkaa] Kirjallisuutta

Enqvist, Kari: Monimutkaisuus: Elävän olemassaolomme perusta. Helsinki: WSOY, 2007. ISBN 978-951-0-32679-4.

[muokkaa] Aiheesta muualla

Flores, Francisco: The Equivalence of Mass and Energy The Stanford Encyclopedia of Philosophy. The Metaphysics Research Lab. Stanford University. (englanniksi)

Energiantuotanto

Käsitteitä:

Energiansäästö - Hajautettu tuotanto - Kaukolämpö - Lämmöntuotanto - Sähköntuotanto - Säätövoima - Varavoima - Lämpöenergian varastointi - Sähkön varastointi

Uusiutumaton energia: