Mentori: Mitä tulee mieleesi, kun sanon, että ihmisellä on paljon energiaa?
Oppilas: Se henkilö on hyvin aktiivinen, tekee paljon asioita nopeasti jne.
Mentori: Aivan, eikä energian tieteellinen määritelmä poikkea kovin paljon tuosta ajatuksesta. Periaatteessa energia on kyky tehdä työtä.
Opiskelija: Mutta energiset ihmiset eivät aina tee työtä. Onko työn tieteellinen määritelmä erilainen kuin tavallinen määritelmä?
Mentori: Juuri niin! Tieteellisessä mielessä työ on voimaa, joka kohdistuu liikkeen suunnan suuntaisesti. Tuleeko sinulle mieleen esimerkki?
Oppilas: Kun nostat laatikkoa, kohdistat voimaa ylöspäin, laatikko liikkuu ylöspäin ja teet työtä.
Mentori: Aivan. Ottaen huomioon, että energia on kyky tehdä työtä, tiedätkö, millaisia energiamuotoja on olemassa?
Oppilas: No, koska energia liittyy kohteiden liikuttamiseen, onko olemassa liike-energiaa?
Mentori: Kyllä, tätä kutsutaan liike-energiaksi. Millä tahansa esineellä, joka liikkuu, sanotaan olevan liike-energiaa. Mitä tapahtuu energialle, jos heität pallon ilmaan?
Oppilas: Kun pallo nousee ilmaan, pallon nopeus pienenee. Tarkoittaako se, että energia vähenee? Ja sitten kun se laskeutuu alas ja nopeutuu, lisääntyykö energia?
Mentori: Kineettinen energia todellakin pienenee, kun pallo nousee ilmaan ja hidastuu. Sitten kun pallo laskeutuu alas ja nopeutuu, kineettinen energia kasvaa. Tiedätkö miksi tarkennan kineettistä energiaa?
Opiskelija: Onko olemassa muitakin energiamuotoja kuin vain kineettinen energia?
Ohjaaja: Aivan oikein! Energian säilymislain mukaan systeemissä olevan energian määrän on aina pysyttävä vakiona. Mutta tiedämme, että liike-energia vähenee ja kasvaa, kun heitämme palloa ilmaan. Miten luulet tämän tapahtuvan?
Oppilas: Kineettinen energia varmasti vähenee ja lisääntyy, joten arvelen, että täytyy olla jonkin toisenlaista energiaa, jota kappale saa noustessaan.
Ohjaaja: Aivan oikein, tällaista energiaa kutsutaan potentiaalienergiaksi. Muistatko kun sanoin, että energia on vain kykyä tehdä työtä? Kun esineet liikkuvat korkeammalla ilmassa, niiden potentiaalienergia kasvaa painovoiman vaikutuksesta – korkealla ilmassa oleva pallo voidaan pudottaa, jolloin se voi tehdä työtä.
Opiskelija: Tuossa on järkeä. Arvelen, että jos heität pallon korkealle ilmaan, potentiaalienergian täytyy kasvaa, kun liike-energia vähenee, ja päinvastoin, jotta kokonaisenergia on aina sama.
Mentori: Mentori: Kyllä. Potentiaalienergia liittyy siihen, miten korkealla esine on ja miten painovoima vetää sitä. Mutta tarpeeksi potentiaali- ja liike-energiasta, onko olemassa muita energiamuotoja?
Oppilas: En tiedä muita tapoja tehdä työtä kuin liikuttaa esineitä.
Mentori: No, jos et keksi mitään muuta energiamuotoa, yritä käyttää energian säilymislakia uudelleen. Miksi juna pysähtyy, jos laitat jarrut päälle? Se menettää liike-energiaa mutta ei saa potentiaalienergiaa.
Opiskelija: Olen aina kuullut, että junat pysähtyvät kitkan takia, joten kitkan täytyy olla energiatyyppi.
Mentori: Mentori: Olet oikeilla jäljillä. Kitka sisältää itse asiassa useita eri energiamuotoja, jotka voit havaita junan pysähtyessä:
- Lämpöenergia, joka on lämpöä, joka voi syntyä kitkan kautta.
- Äänienergia, joka on ääni, jonka kuulet junan pysähtyessä.
- Valoenergia, jonka saatat nähdä kipinöiden lentämisenä tai junan kuuman metallin punaisena hehkumisena.
Opiskelija: Tämä tarkoittaa siis sitä, että kun tarkistat, että kokonaisenergia pysyy vakiona, sinun on otettava mukaan myös kaikki nämä muut energiamuodot.
Mentori: Mentori: Aivan oikein! On kuitenkin vielä muutama muu energiamuoto otettava huomioon.
Opiskelija: Hetkinen, miten fyysikot oikeastaan löytävät kaikki nämä energiamuodot? Miten voidaan sanoa, onko jokin asia energiaa vai ei?
Mentori: Helpoin tapa löytää muita energiatyyppejä on kuvitella reaalimaailman esimerkki, jossa näyttää siltä, että energia ei säily. Energian säilymislaki pitää aina paikkansa, joten täytyy olla yksi tai useampi muu energiamuoto, joka korvaa mahdolliset puutteet. Mitä tapahtuu esimerkiksi jonkun ihmisen energioille, kun hän hyppää trampoliinilla?
Opiskelija: Kun he laskeutuvat, heidän nopeutensa ja liike-energiansa pienenevät, mutta he laskeutuvat alaspäin, joten myös heidän potentiaalienergiansa pienenee. Trampoliinit pitävät ääniä ja luovuttavat hieman lämpöä, kun hyppää niiden päällä, mutta se ei voi riittää kääntämään putoamista täysin. Lisäksi jotenkin maahan laskeuduttaessa varastoituu tarpeeksi energiaa, jotta pääset taas taivaalle. Näin ollen trampoliineilla on oltava jonkinlaista ”jousienergiaa”, jota ne saavat venytyessään.
Mentori: Kyllä, ”jousienergiaa”, johon viittaat, kutsutaan mekaaniseksi energiaksi ja se kuvaa jousien, kuminauhojen ja, kyllä, trampoliinien varastoitunutta energiaa.
Opiskelija: Mentori: Tuo vaikuttaa aika helpolta. Onko olemassa muita energiamuotoja?
Mentori: On vielä kolme muuta energiamuotoa. Pystytkö hahmottamaan niistä jotakin elämästäsi ja kokemuksistasi?
Oppilas: No, kun laitan valon päälle, jonkin täytyy luoda valoenergiaa, joten onko sähkö energian laji?
Mentori: Ehdottomasti, sähkömagneettinen energia – sähkömagneettisesti varattujen hiukkasten energia – on yksi kätevimmistä energiamuodoista, koska sitä voidaan siirtää suurten etäisyyksien päähän ja varastoida helposti paristojen muodossa. Pohjimmiltaan sähkömagneettinen energia on positiivisesti ja negatiivisesti varattujen hiukkasten välisen vetovoiman energiaa. Johtoa pitkin kiertävä elektronivirta on kuin puroa pitkin virtaava vesi: sen liikkeen voimaa voidaan käyttää työn tekemiseen.
Opiskelija: Ja näemme tällaista energiaa kaikessa käyttämässämme elektroniikassa, eikö niin?
Mentori: Aivan! Tosin fyysikot työstävät parhaillaan niin sanottua Grand Unified Theory -teoriaa, joka yhdistäisi sähkömagneettisen ja gravitaatiovoiman, joten lapsesi joutuvat ehkä oppimaan vain yhden energia- ja voimatyypin vähemmän.
Oppilas: Vau, joskus unohdan, että fysiikka muuttuu edelleen, kun uusia löytöjä tehdään. Matemaattisia tutkimuksia on yleensä tapana pitää kiinteinä, mutta itse asiassa teorioita muutetaan koko ajan, kun uusia löytöjä tehdään.
Mentori: Mentori: Hyvä pointti. Itse asiassa yksi nykyaikaisemmista energiamuodoista teoretisoitiin ensimmäisen kerran vuonna 1905 ja sitä käytettiin menestyksekkäästi 1940-luvulla – ydinenergia. Mutta yksi tunnettu energiamuoto on vielä jäljellä. Ajatellaanpa vaikka puun polttamista. Mitkä ovat energian panokset ja tuotokset?
Opiskelija: Katsotaanpa, puun polttamiseksi se pitää ensin sytyttää tuleen, mikä vaatii lämpöenergiaa, mutta sitten puu tuottaa paljon enemmän lämpö- ja valoenergiaa kuin kipinä, joka sytytti tulen. Ehkä puu menettää massaa palaessaan, koska palon jälkeen on aina vähemmän tuhkaa jäljellä kuin oli puuta ennen paloa.
Mentori: Tuo on mielenkiintoinen ajatus, mutta ainoa tapa, jolla materia voidaan muuttaa energiaksi, on ydinprosessi, eikä nuotio selvästikään aiheuta ydinräjähdystä. Kaikki mainitsemasi puuttuva massa poistuu nuotiosta savun ja vesihöyryn muodossa. Ei, puun energia on jotain aivan muuta: kemiallista energiaa.
Opiskelija: Kemiallinen energia on siis energiaa, joka on varastoitunut kaikkeen syttyvään?
Mentori: Kaikessa syttyvässä on varmasti kemiallista energiaa, vaikka kemiallista energiaa voi varastoitua myös muihin kuin syttyviin esineisiin. Yleisesti ottaen kemiallinen energia on atomien välisiin sidoksiin varastoitunutta energiaa. Kun puu palaa, nämä sidokset rikkoutuvat ja niiden energia vapautuu valon ja lämmön muodossa.
Opiskelija: Kemiallinen energia on siis ainekohtaista, kuten lämpöenergia.
Mentori: Kyllä, monet energiamuodot liittyvät toisiinsa. Tärkeintä on kuitenkin muistaa energian säilymislaki. Riippumatta siitä, mitä ongelmaa olet ratkaisemassa, systeemin kokonaisenergian on aina pysyttävä vakiona.