Energia

Liike-energia on kappaleen liikkeeseen varastoitunutta energiaa. Kappaleella on sitä enemmän liike-energiaa, mitä suurempi on sen nopeus ja mitä suurempi on sen massa. Kun kappaleen nopeus on paljon pienempi kuin valonnopeus, sen etenemisliikkeen liike-energia on klassisen fysiikan mukaan

${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2},}$

missä m on kappaleen massa ja v sen nopeus.

Potentiaalienergia on kappaleeseen varastoitunutta energiaa. Se liittyy aina erilaisiin vuorovaikutuksiin, joita vallitsee joko eri kappaleiden tai saman kappaleen eri osien välillä. Energia varastoituu kappaleeseen, kun kappaleeseen kohdistetaan voima, joka aiheuttaa muutoksen kappaleessa.

Esimerkkejä potentiaalienergiasta ovat jouseen varastoitunut energia 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 eli gravitaatiopotentiaalienergia voidaan laskea kaavasta.

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

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

Tämä kaava pätee Maan tai muun taivaankappaleen pinnan läheisyydessä niin kauan kuin kappaletta ei ole nostettu niin korkealle, että painovoiman kiihtyvyys sanottavasti muuttuu. Jos niin tapahtuu, potentiaalienergia on laskettava integroimalla.

Myös staattisten sähkövarausten, samoin kuin magneettien välisiin vuorovaikutuksiin, liittyy potentiaalienergiaa. Varsinkin sähköopissa on kuitenkin katsottu tarpeelliseksi ottaa käyttöön kentän käsite, jolloin potentiaalienergia voidaan yhtä hyvin käsittää myös kentän energiaksi. Nykyaikaisessa kvanttifysiikassa se käsitetään vuorovaikutusten välittäjähiukkasten energiaksi.[2]

Jos kappaleen liikuttamiseen tarvitaan voima F ja kappaletta liikutetaan matka s, tarvittava energiamäärä (tai mekaaninen työ) W määritellään seuraavasti:

${\displaystyle W=F\cdot s.}$

Tämä energia voi mennä joko kappaleen kiihdyttämiseen tai kitkan ja muiden vastusvoimien voittamiseen, jolloin edellisessä tapauksessa se muuttuu kappaleen liike-energiaksi, jälkimmäisessä tapauksessa lämmöksi.

Sähköä siirretään voimalinjojen avulla.

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

${\displaystyle E_{\text{sähkö}}=\int _{t_{1}}^{t_{2}}P\,dt.}$

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 0...t

${\displaystyle E_{\text{sähkö}}=\int _{0}^{t}UI\,dt.}$

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

${\displaystyle E_{\text{sähkö}}=P\cdot t=U\cdot I\cdot t.}$

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

Lämpöenergia on aineen hiukkasten satunnaisiin värähtelyihin varastoitunut liike-energia. Kun kappaleella on tietyn suuruinen lämpökapasiteetti (C) ja sen lämpötila nousee tietyn määrän (ΔT) entistä korkeammaksi, siihen varastoituvan lämpöenergian suuruus on näiden tulo:

${\displaystyle E_{\text{lämpö}}=C\Delta T.}$

Lämpöenergian siirtymistapoja ovat

• lämmön kulkeutuminen,
• lämmön säteily,
• lämmön johtuminen.

Säteilyenergian eri muodot ovat suurella nopeudella paikasta toiseen etenevää energiaa. Klassinen fysiikka teki jyrkän eron aaltoliikkeen sähkömagneettisen säteilyn ja hiukkassäteilyn välillä. Sähkömagneettista säteilyä ovat esimerkiksi radioaallot, valo sekä infrapuna-, ultravioletti- ja röntgensäteily, hiukkassäteilyä taas radioaktiivisista aineista lähtevä alfa- ja betasäteily. Klassisen fysiikan mukaan sähkömagneettisten aaltojen energia on niihin liittyvien sähkö- ja magneettikenttien energiaa, hiukkassäteilyn energia taas etenevien hiukkasten liike-energiaa. Kvanttiteorian mukaan ero ei ole yhtä oleellinen, sillä sähkömagneettisen säteilynkin voidaan toisaalta katsoa myös koostuvan hiukkasista, fotoneista, kun taas muillakin hiukkasilla on myös aalto-ominaisuuksia.

• polttoaineet
  • fossiiliset polttoaineet
    • kivihiili
    • öljy
    • maakaasu
  • turve
  • Metaani
  • uusiutuvat biopolttoaineet, mm. puupolttoaine
• ydinenergia
  • fuusio
  • fissio
• luonnonvirtaukset
  • vesiputous
  • tuuli
• auringon säteily
• geoterminen energia
• ulkoilman lämpö
• vuorovesi, Maan ja kuun vuorovaikutusvoimista johtuva, valtava vesimassojen liike-energia

Pääartikkeli: Energian varastointi

• polttoaineiden säilytys
• vedyn valmistus sähkövirran avulla polttoaineeksi
• lämpöenergia eristetyssä tilassa
• potentiaalienergia
• liike-energia
• mekaaninen energia: jousi tai paine
• kemiallinen energia
• sähköinen kapasitanssi