Mentor: Co vás napadne, když řeknu, že má člověk hodně energie?
Žák: Co se děje? Co je to energie? Co je to síla? Ten člověk je velmi aktivní, dělá hodně věcí rychle atd. Co to znamená? Co je to energie? Jak to myslíš? Co je to energie? Jaké jsou odpovědi na tyto otázky? Co se děje? Co je to energie? Co je to síla? Co je to práce? Jaký je váš názor? Správně, a vědecká definice energie se od této představy příliš neliší. Energie je v podstatě schopnost vykonávat práci.
Žák: Jaké jsou vaše energie a energie? Co je to energie? Ale energetičtí lidé ne vždy vykonávají práci. Liší se vědecká definice práce od běžné definice?
Školitel: „Jak to myslíš? Jaká je to energie? Co je to energie? Jaká je energie? Co je to energie? Přesně tak! Ve vědeckém pojetí je práce síla působící rovnoběžně se směrem pohybu. Napadá tě nějaký příklad?
Student: Když zvedáte krabici, působíte silou směrem vzhůru, krabice se pohybuje vzhůru a vy konáte práci.
Mentor: Jaká je energetická energie? Co je to chemická energie? Správně. Vzhledem k tomu, že energie je schopnost konat práci, víte, jaké druhy energie existují?
Student: Jelikož energie souvisí s pohybujícími se předměty, existuje pohybová energie?
Mentor: Ano, říká se jí kinetická energie. O každém objektu, který se pohybuje, se říká, že má kinetickou energii. Co se nyní stane s energií, když vyhodíte míč do vzduchu?
Student: Jak míč stoupá do vzduchu, jeho rychlost se snižuje. Znamená to, že se energie zmenšuje? A když pak míč klesá a zrychluje, znamená to, že energie roste?
Mentor: Kinetická energie se skutečně snižuje, když míč stoupá ve vzduchu a zpomaluje. Když pak míč klesá a zvyšuje rychlost, kinetická energie se zvyšuje. Víš, proč upřesňuji kinetickou energii?
Student: Existují i jiné druhy energie než jen kinetická energie?
Mentor: Přesně tak! Podle zákona zachování energie musí množství energie v systému zůstat vždy konstantní. Ale my víme, že kinetická energie se zmenšuje a zvětšuje, když hodíme míč do vzduchu. Jak si myslíte, že k tomu dochází?
Student: Kinetická energie se určitě zmenšuje a zvětšuje, takže myslím, že musí existovat ještě jiný druh energie, kterou předmět získává, když stoupá vzhůru.
Mentor: Tento typ energie se nazývá potenciální energie. Vzpomínáš si, jak jsem říkal, že energie je pouze schopnost konat práci? Když se předměty pohybují výše ve vzduchu, jejich potenciální energie se vlivem gravitace zvyšuje – míč vysoko ve vzduchu může být upuštěn, což mu umožňuje konat práci.
Student: To dává smysl. Hádám, že když vyhodíme míč do výšky, musí se potenciální energie zvětšovat, protože kinetická energie se zmenšuje, a naopak, takže celková energie je stále stejná.
Mentor: Ano. Potenciální energie souvisí s tím, jak je předmět vysoko a jak na něj působí gravitace. Ale dost už o potenciální a kinetické energii, existují ještě nějaké další druhy energie?
Student: Nevím o žádném jiném způsobu práce než o pohybu předmětů.
Mentor: Pokud tě nenapadá žádný jiný druh energie, zkus znovu použít zákon zachování energie. Proč vlak zastaví, když ho zabrzdíš? Ztrácí kinetickou energii, ale nezískává potenciální energii.
Student: Vždycky jsem slyšel, že vlaky zastavují kvůli tření, takže tření musí být druh energie.
Mentor: Mentor: Jsi na správné cestě. Tření ve skutečnosti zahrnuje několik různých druhů energie, které můžete vnímat, když vlak zastavuje:
- Tepelná energie, což je teplo, které může vznikat třením.
- Zvuková energie, což je zvuk, který slyšíte, když vlak zastaví.
- Světelná energie, kterou můžete vidět v podobě létajících jisker nebo červeně zářícího horkého kovu na vlaku.
Student: To znamená, že když kontrolujete, zda celková energie zůstává konstantní, musíte zahrnout i všechny tyto další formy energie.
Mentor: Správně! Je však třeba vzít v úvahu ještě několik dalších druhů energie.
Student: Počkejte, jak vlastně fyzikové všechny tyto druhy energie zjišťují? Jak se dá zjistit, jestli je něco energie, nebo ne?
Mentor: Nejjednodušší způsob, jak najít další typy energie, je představit si příklad z reálného světa, kde se zdá, že se energie nezachovává. Zákon zachování energie je vždy správný, takže musí existovat jeden nebo více jiných druhů energie, které případný nedostatek nahradí. Co se například stane s energií někoho, kdo skáče na trampolíně?
Student: Když dopadne, jeho rychlost a kinetická energie se sníží, ale klesá dolů, takže se sníží i jeho potenciální energie. Trampolíny sice vydávají zvuky a vyzařují trochu tepla, když na nich člověk skáče, ale to nemůže stačit na úplné odvrácení pádu. Navíc se při přistání nějakým způsobem uloží dostatek energie, která vás opět pošle do vzduchu. Musí tedy existovat nějaký druh „pružinové energie“, kterou trampolíny získávají při roztažení.
Mentor: Ano, „pružinová energie“, o které mluvíš, se nazývá mechanická energie a popisuje energii uloženou v pružinách, gumových pásech a, ano, v trampolínách.
Student: To vypadá docela jednoduše. Existují ještě nějaké další druhy energie?
Mentor: Mentor: Existují ještě tři další formy energie. Dokážeš na některou z nich přijít na základě svého života a zkušeností?
Student: Když rozsvítím světlo, musí něco vytvářet světelnou energii, je tedy elektřina druhem energie?
Mentor: Rozhodně, elektromagnetická energie – energie elektromagneticky nabitých částic – je jednou z nejvhodnějších forem energie, protože ji lze přenášet na velké vzdálenosti a snadno skladovat v podobě baterií. Elektromagnetická energie je v podstatě energie přitažlivosti mezi kladně a záporně nabitými částicemi. Proud elektronů cirkulující podél vodiče je jako voda tekoucí po proudu: sílu jeho pohybu lze využít k vykonání práce.
Student: A tento druh energie vidíme ve veškeré elektronice, kterou používáme, že?
Mentor: Správně! I když fyzikové v současné době pracují na takzvané Velké jednotné teorii, která by spojila elektromagnetickou a gravitační sílu, takže vaše děti se možná budou muset učit jen o jeden druh energie a síly méně.
Student: Páni, někdy zapomínám, že fyzika se stále mění, jak přicházejí nové objevy. Člověk má obvykle tendenci považovat matematické studie za neměnné, ale ve skutečnosti se teorie neustále mění podle nových objevů.
Mentor: Dobrá připomínka. Ve skutečnosti byla jedna z modernějších forem energie poprvé teoreticky popsána v roce 1905 a úspěšně využita ve 40. letech 20. století – jaderná energie. Ale stále zbývá jedna známá forma energie. Vezměme si spalování dřeva. Jaké jsou energetické vstupy a výstupy?
Student: Abyste mohli dřevo spálit, musíte ho nejprve zapálit, což vyžaduje tepelnou energii, ale pak dřevo vyprodukuje mnohem více tepelné a světelné energie než jiskra, která oheň založila. Možná, že dřevo při hoření ztrácí hmotnost, protože po požáru vždy zůstane méně popela, než bylo dřeva předtím.
Mentor: To je zajímavá myšlenka, ale jediný způsob, jak lze přeměnit hmotu na energii, je jaderný proces, a je jasné, že táborák nezpůsobí jaderný výbuch. Veškerá chybějící hmota, kterou zmiňuješ, opouští oheň ve formě kouře a vodní páry. Ne, energie dřeva je něco úplně jiného: chemická energie.
Student: Takže chemická energie je energie uložená v čemkoli hořlavém?
Mentor: Určitě má chemickou energii cokoli hořlavého, i když chemická energie může být uložena i v nehořlavých předmětech. Obecně je chemická energie energie uložená ve vazbách mezi atomy. Když hoří dřevo, tyto vazby se rozbíjejí a jejich energie se uvolňuje ve formě světla a tepla.
Student: Takže chemická energie je specifická pro danou látku, podobně jako tepelná energie.
Mentor: Ano, mnoho druhů energie spolu souvisí. Nejdůležitější je však pamatovat na zákon zachování energie. Ať řešíte jakýkoli problém, celková energie systému musí vždy zůstat konstantní.