Как найти кдж сколько

×

×

Для установки калькулятора на iPhone — просто добавьте страницу
«На главный экран»

Для установки калькулятора на Android — просто добавьте страницу
«На главный экран»

Подробнее об энергии

Общие сведения

Энергия — физическая величина, имеющая большое значение в химии, физике, и биологии. Без нее жизнь на земле и движение невозможны. В физике энергия является мерой взаимодействия материи, в результате которого выполняется работа или происходит переход одних видов энергии в другие. В системе СИ энергия измеряется в джоулях. Один джоуль равен энергии, расходуемой при перемещении тела на один метр силой в один ньютон.

Энергия в физике

Кинетическая и потенциальная энергия

Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v равна работе, выполняемой силой, чтобы придать телу скорость v. Работа здесь определяется как мера действия силы, которая перемещает тело на расстояние s. Другими словами, это энергия движущегося тела. Если же тело находится в состоянии покоя, то энергия такого тела называется потенциальной энергией. Это энергия, необходимая, чтобы поддерживать тело в этом состоянии.

Например, когда теннисный мяч в полете ударяется об ракетку, он на мгновение останавливается. Это происходит потому, что силы отталкивания и земного притяжения заставляют мяч застыть в воздухе. В этот момент у мяча есть потенциальная, но нет кинетической энергии. Когда мяч отскакивает от ракетки и улетает, у него, наоборот, появляется кинетическая энергия. У движущегося тела есть и потенциальная и кинетическая энергия, и один вид энергии преобразуется в другой. Если, к примеру, подбросить вверх камень, он начнет замедлять скорость во время полета. По мере этого замедления, кинетическая энергия преобразуется в потенциальную. Это преобразование происходит до тех пор, пока запас кинетической энергии не иссякнет. В этот момент камень остановится и потенциальная энергия достигнет максимальной величины. После этого он начнет падать вниз с ускорением, и преобразование энергии произойдет в обратном порядке. Кинетическая энергия достигнет максимума, при столкновении камня с Землей.

Закон сохранения энергии гласит, что суммарная энергия в замкнутой системе сохраняется. Энергия камня в предыдущем примере переходит из одной формы в другую, и поэтому, несмотря на то, что количество потенциальной и кинетической энергии меняется в течение полета и падения, общая сумма этих двух энергий остается постоянной.

Производство энергии

Люди давно научились использовать энергию для решения трудоемких задач с помощью техники. Потенциальная и кинетическая энергия используется для совершения работы, например, для перемещения предметов. Например, энергия течения речной воды издавна используется для получения муки на водяных мельницах. Чем больше людей использует технику, например автомобили и компьютеры, в повседневной жизни, тем сильнее возрастает потребность в энергии. Сегодня большая часть энергии вырабатывается из невозобновляемых источников. То есть, энергию получают из топлива, добытого из недр Земли, и оно быстро используется, но не возобновляется с такой же быстротой. Такое топливо — это, например уголь, нефть и уран, который используется на атомных электростанциях. В последние годы правительства многих стран, а также многие международные организации, например, ООН, считают приоритетным изучение возможностей получения возобновляемой энергии из неистощимых источников с помощью новых технологий. Многие научные исследования направлены на получение таких видов энергии с наименьшими затратами. В настоящее время для получения возобновляемой энергии используются такие источники как солнце, ветер и волны.

Энергия для использования в быту и на производстве обычно преобразуется в электрическую при помощи батарей и генераторов. Первые в истории электростанции вырабатывали электроэнергию, сжигая уголь, или используя энергию воды в реках. Позже для получения энергии научились использовать нефть, газ, солнце и ветер. Некоторые большие предприятия содержат свои электростанции на территории предприятия, но большая часть энергии производится не там, где ее будут использовать, а на электростанциях. Поэтому главная задача энергетиков — преобразовать произведенную энергию в форму, позволяющую легко доставить энергию потребителю. Это особенно важно, когда используются дорогие или опасные технологии производства энергии, требующие постоянного наблюдения специалистами, такие как гидро- и атомная энергетика. Именно поэтому для бытового и промышленного использования выбрали электроэнергию, так как ее легко передавать с малыми потерями на большие расстояния по линиям электропередач.

Электроэнергию преобразуют из механической, тепловой и других видов энергии. Для этого вода, пар, нагретый газ или воздух приводят в движение турбины, которые вращают генераторы, где и происходит преобразование механической энергии в электрическую. Пар получают, нагревая воду с помощью тепла, получаемого при ядерных реакциях или при сжигании ископаемого топлива. Ископаемое топливо добывают из недр Земли. Это газ, нефть, уголь и другие горючие материалы, образованные под землей. Так как их количество ограничено, они относятся к невозобновляемым видам топлива. Возобновляемые энергетические источники — это солнце, ветер, биомасса, энергия океана, и геотермальная энергия.

В отдаленных районах, где нет линий электропередач, или где из-за экономических или политических проблем регулярно отключают электроэнергию, используют портативные генераторы и солнечные батареи. Генераторы, работающие на ископаемом топливе, особенно часто используют как в быту, так и в организациях, где совершенно необходима электроэнергия, например, в больницах. Обычно генераторы работают на поршневых двигателях, в которых энергия топлива преобразуется в механическую. Также популярны устройства бесперебойного питания с мощными батареями, которые заряжаются когда подается электроэнергия, а отдают энергию во время отключений.

Энергия, получаемая при сгорании ископаемого топлива

Ископаемое топливо образуется в земной коре при высоком давлении и температуре из органических веществ, то есть остатков растений и животных. В основном, такое топливо содержит большое количество углерода. При его сгорании выделяется энергия, а также диоксид углерода (CO₂), один из парниковых газов. Именно ископаемое топливо — основной источник энергии на данный момент. Однако, выделяемые при его использовании парниковые газы представляют серьезную угрозу окружающей среде и усугубляют глобальное потепление. Также, использование этого топлива ведет к быстрому его расходу, и человечество может остаться без топлива, если будет полностью зависеть только от ископаемого сырья.

Атомная энергия

Атомная энергия — один из альтернативных видов энергии. Она выделяется во время контролируемой ядерной реакции деления, во время которой ядро атома делится на более мелкие части. Энергия, которая выделяется во время этой реакции, нагревает воду и превращает ее в пар, который движет турбины.

Атомная энергетика небезопасна. Самые известные за последние годы аварии произошли на Чернобыльской атомной электростанции (АЭС) на Украине, на АЭС Три-Майл-Айленд в США, и на АЭС Фукусима-1 в Японии. После Фукусимской трагедии многие страны начали пересматривать внутреннюю политику использования атомной энергии, и некоторые, например Германия, решили от нее отказаться. На данный момент Германия разрабатывает программу перехода на другие виды энергоснабжения и безопасного закрытия действующих электростанций.

Кроме аварий есть еще проблема хранения отработавшего ядерного топлива и радиоактивных отходов. Часть отработавшего ядерного топлива используют в производстве оружия, в медицине, и в других отраслях промышленности. Однако большую часть радиоактивных отходов использовать нельзя и поэтому необходимо обеспечивать их безопасное захоронение. Каждая страна, в которой построены атомные электростанции, хранит эти отходы по-своему, и во многих странах приняты законы, запрещающие их ввоз на территорию страны. Радиоактивные отходы обрабатывают, чтобы они не попадали в окружающую среду, не разлагались, и их было удобно хранить, например, делая их более компактными. После этого их отправляют на захоронение в долгосрочных хранилищах на дне морей и океанов, в геологических структурах, или в бассейнах и специальных контейнерах. С хранением связаны такие проблемы как высокая стоимость переработки и захоронения, утечка радиоактивных элементов в окружающую среду, нехватка мест для хранения, и возможность совершения террористических актов на объектах захоронения радиоактивных отходов.

Гораздо более безопасная альтернатива — это производство ядерной энергии с помощью термоядерной реакции. Во время этой реакции несколько ядер сталкиваются на большой скорости и образуют новый атом. Это происходит потому, что силы, отталкивающие ядра друг от друга, на маленьком расстоянии слабее, чем силы, их притягивающие. Во время термоядерной реакции тоже образуются радиоактивные отходы, но они перестают быть радиоактивными приблизительно через сто лет, в то время как отходы реакции деления не распадаются на протяжении нескольких тысяч лет. Топливо, требуемое для термоядерных реакций менее дорогое, чем для реакций деления. Энергетические затраты на термоядерные реакции на данный момент не оправдывают их использования в энергетике, но ученые надеются, что в ближайшем будущем это изменится и АЭС во всем мире смогут получать атомную энергию именно таким способом.

Возобновляемая энергия

Другие альтернативные виды энергии — это энергия солнца, океана, и ветра. Технологии производства такой энергии пока не развиты в такой степени, чтобы человечество могло отказаться от использования ископаемого топлива. Однако, благодаря государственным субсидиям, а также тому, что они не причиняют много вреда окружающей среде, эти виды энергии становятся все более популярными.

Энергия солнца

Эксперименты по использованию энергии солнца начались еще в 1873 году, но эти технологии не получили широкого распространения до недавнего времени. Сейчас солнечная энергетика быстро развивается, во многом благодаря государственным и международным субсидиям. Первые солнечные энергоцентры появились в 1980-х. Солнечную энергию чаще собирают и преобразуют в электроэнергию с помощью солнечных батарей. Иногда используют тепловые машины, в которых воду нагревают солнечным теплом. В результате образуется водяной пар, который и приводит в движение турбогенератор.

Энергия ветра

Человечество использовало энергию ветра на протяжении многих веков. Впервые ветер начали использовать в мореходстве около 7000 лет назад. Ветряные мельницы используются несколько сотен лет, а первые ветротурбины и ветрогенераторы появились в 1970-х.

Энергия океана

Энергия приливов и отливов использовалась еще во времена Древнего Рима, но энергию волн и морских течений люди начали использовать недавно. В настоящее время большинство приливных и волновых электростанций только разрабатывается и испытывается. В основном проблемы связаны с высокой стоимостью строительства таких станций, и недостатками сегодняшних технологий. В Португалии, Великобритании, Австралии и США сейчас эксплуатируются волновые электростанции, однако многие из них все еще находятся в стадии опытной эксплуатации. Ученые считают, что в будущем энергия океана станет одной из основных направлений «зеленой энергии».

Биотопливо

При сжигании биотоплива выделяется энергия, которую растения переработали из солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Биотопливо широко используется как в бытовых целях, например для обогрева жилья и приготовления пищи, так и в качестве топлива для транспорта. Из растений и животных жиров производят разновидности биотоплива — этиловый спирт и масла. В автотранспорте используется биодизельное топливо либо в чистом виде, либо в смеси с другими видами дизельного топлива.

Геотермальная энергетика

Энергия земного ядра хранится в виде тепла. Земная кора была нагрета до очень высокой температуры с момента ее формирования и до сих пор поддерживает высокую температуру. Радиоактивный процесс распада минералов в недрах Земли также выделяет тепло. До недавнего времени получить доступ к этой энергии можно было только на стыках земных пластов, в местах образования горячих источников. Совсем недавно началась разработка геотермальных скважин и в других географических регионах для того, чтобы начать использовать эту энергию для получения электричества. На данный момент стоимость энергии, полученной из таких скважин, очень высокая, поэтому геотермальная энергия не используется так широко, как другие виды энергии.

Гидроэнергетика

Гидроэнергетика — еще одна альтернатива ископаемому топливу. Гидроэнергия считается «чистой», так как по сравнению со сжиганием ископаемого топлива, ее производство приносит меньше вреда окружающей среде. В частности, при получении гидроэнергии выброс парниковых газов незначителен.

Гидроэнергия вырабатывается потоком воды. Человечество широко использует этот вид энергии на протяжении многих веков и ее производство остается популярным благодаря ее низкой себестоимости и доступности. Гидроэлектростанции (ГЭС) собирают и преобразуют кинетическую энергию течения речной воды и потенциальную энергию воды в резервуарах с помощью плотин. Эта энергия приводит в движение гидротурбины, которые преобразует ее в электроэнергию. Плотины устроены так, чтобы можно было использовать разницу в высотах между резервуаром, из которого вытекает вода, и рекой, в которую перетекает вода.

Несмотря на плюсы гидроэнергетики, с ней связан ряд проблем, таких как вред, наносимый экосфере при строительстве плотин. Такое строительство нарушает экосистемы, и живые организмы оказываются отрезанными от жизненно важной среды в экосистеме. Например, рыбы не могут проплыть вверх по течению на нерест и не всегда приспосабливаются к новым условиям. Общественность не всегда может контролировать работу энергетических компаний, поэтому в результате строительства новых ГЭС может возникнуть гуманитарный кризис. Примером такого кризиса является выселение жителей в результате строительства ГЭС «Три ущелья» в Китае. При постройке этой ГЭС правительством Китая было выселено более 1,2 миллиона жителей и затоплена огромная площадь, включая поля, промышленные зоны, города, и поселки. Бытовые и производственные отходы были смыты и засорили новое водохранилище, отравляя растения и рыб. Из-за огромного количества воды в резервуаре в регионе увеличилась сейсмическая активность. В 2011 году Китайское правительство признало эту и некоторые другие проблемы.

Энергия в диетологии и спорте

Калории в диетологии

Энергию в спорте и диетологии обычно измеряют в килоджоулях или пищевых калориях. Одна такая калория равна 4,2 килоджоуля, одной килокалории, или тысяче калорий, используемых в физике. По определению одна пищевая калория — это количество энергии, нужное, чтобы нагреть один килограмм воды на один кельвин. В диетологии пищевые калории обычно называют просто калориями, что мы и будем делать в дальнейшем в этой статье. Иногда это вызывает путаницу, но обычно читатель может понять по контексту, о каких единицах идет речь. Большинство пищевых продуктов содержит калории. Так, например, в одном грамме жира — 9 калорий, в грамме углеводов и белков — по 4 калории в каждом, а в алкоголе — 7 калорий на грамм. Некоторые другие вещества также содержат калории. Эта энергия выделяется во время обмена веществ, и используется организмом для поддержания жизнедеятельности.

Люди, пытающиеся похудеть, часто подсчитывают калории, поглощаемые при принятии пищи, и вычитают из этой суммы калории, использованные во время физической нагрузки. Это делается, чтобы сравнить число неиспользованных на физическую нагрузку калорий с ежедневными энергетическими потребностями тела в расслабленном состоянии. Обычно, чтобы похудеть, число оставшихся калорий должно быть меньше, чем требуется телу для поддержания организма в спокойном состоянии. В то же время, врачи и диетологи считают опасным употреблять менее 1000 калорий в день. Энергетические потребности тела в состоянии отдыха можно вычислить по формуле, которая учитывает возраст, рос, и вес человека. Эта формула рассчитана на среднего человека, но каждый организм хранит и расходует энергию по-своему, в зависимости от потребностей. Поэтому не всегда удается худеть, даже потребляя меньше калорий, чем требуется организму согласно этой формуле. Организм часто приспосабливается к недостатку калорий, замедляя обмен веществ. В результате потребность в энергии падает, и подсчеты ежедневных энергетических потребностей человека по формуле приводят к ошибочным результатам. Несмотря на это, многие диетологи рекомендуют желающим похудеть вести ежедневный учет потребления калорий.

Калорийность — важное понятие в диетологии, которое помогает определить насколько энергетически полезна данная еда для организма. Считают калорийность, путем определения количества калорий в одном грамме пищевого продукта. Продукты с низкой калорийностью обычно содержат много воды. Она заполняет желудок, и у человека возникает ощущение сытости. В результате он потребляет меньшее число калорий по сравнению с другой едой. Например, в одной стограммовой шоколадке содержится 504 калории. Для сравнения, такая шоколадка займет немного менее половины стакана. В полутора стаканах или в 320 граммах белого мяса вареной индейки с низким содержанием жира и без кожи содержится приблизительно столько же калорий. Такое же количество калорий содержится и в 6,3 килограммах огурцов, то есть, в 25 чашках. Этот же пример с уменьшенными порциями выглядит так: примерно 50 калорий содержится в одной шоколадной конфете, столовой ложке индейки, и шести стаканах огурцов. После такой порции огурцов вряд ли захочется есть, а после одной шоколадной конфеты многие потянутся за второй и третьей. Еда с высокой калорийностью — это обычно вредная жирная и сладкая пища, которую стоит избегать. Людям на диете очень полезно знать калорийность разных продуктов, но не стоит забывать, что при составлении меню необходимо учитывать не только калорийность, но и общую полезность каждого продукта. Чтобы добиться максимальных результатов и улучшить здоровье, питание должно быть сбалансировано.

Пищевая ценность — другое полезное понятие в диетологии. Это соотношение питательных и полезных веществ необходимых организму, например витаминов, клетчатки, антиоксидантов и минералов, к энергетической ценности еды. Так, продукты с высокой пищевой ценностью содержат большое количество полезных веществ на каждую калорию продукта. И наоборот, существуют продукты с «пустыми калориями», то есть, с очень малым количеством полезных веществ и низкой питательностью. Алкоголь, сладости, чипсы — это некоторые примеры такой еды. Их лучше всего исключить из рациона, или, по крайней мере, ограничить, потому что они не обеспечивают организм достаточным количеством необходимых для жизни полезных веществ.

Калории в спорте

Энергия нужна человеку и животным, чтобы поддержать основной обмен веществ, то есть метаболизм организма в состоянии покоя. Это — энергия для поддержания работы мозга, тканей, и других органов. Также энергия нужна для каждодневной физической нагрузки и упражнений. При уменьшении жировой и увеличении мышечной массы основной обмен веществ ускоряется, а потребность в энергии — увеличивается. Поэтому, любая программа по оздоровлению организма и похудению должна основываться не только на уменьшении жира, но и на увеличении мышечной массы. Для этого важно не только правильно питаться, но и заниматься спортом, особенно упражнениями, которые помогают развивать мышцы.

Количество энергии, потраченной при упражнениях, зависит от того, были ли они аэробными, или анаэробными. При аэробных упражнениях кислород расщепляет глюкозу, и при этом выделяется энергия. Во время анаэробных упражнений кислород для этого процесса не используется; вместо него энергия вырабатывается при реакции креатинфосфата с глюкозой. Анаэробные упражнения способствуют росту мышц, они кратковременны и интенсивны. Примерами таких видов спорта являются бег на короткие дистанции и тяжелая атлетика. Их невозможно продолжать долго из-за того, что в процессе получения энергии вырабатывается молочная кислота. Ее избыток в крови вызывает боль, и если человек, несмотря на это продолжает упражнение, он может потерять сознание. Аэробные упражнения, напротив, можно продолжать в течении длительного времени, так как они менее интенсивны, и главное в них — выносливость. К таким упражнениям относятся бег на длинные дистанции, плавание и аэробика. С их помощью развивается выносливость мышц сердца и дыхательной системы, а также сжигается жир и улучшается кровообращение.

Энергия и борьба с лишним весом

Несмотря на то, что недостаток энергии, по отношению к затратам, обычно ведет к похудению, это не всегда так, и часто после первочального похудения человек перестает худеть, или даже набирает вес, несмотря на строгое соблюдение диеты. Это происходит из-за адаптации организма к недостатку калорий, например, в результате замедления обмена веществ. В таких случаях советуют изменить распорядок упражнений и меню, например, временно сменить вид спорта и попробовать менять дневную норму калорий. Например, каждый день можно потреблять либо больше, либо меньше калорий относительно установленной дневной нормы, или можно вместо дневной нормы установить недельную норму потребления калорий.

Очень важно помнить, что для поддержания быстрого и здорового обмена веществ организму необходима мышечная масса. Поэтому здоровые диеты должны совмещаться с упражнениями, направленными на развитие мышц. Жир весит меньше, чем мышцы, поэтому когда вследствие диет и упражнений увеличивается мышечная и уменьшается жировая масса, то общий вес увеличивается, несмотря на то, что организм становится более здоровым. Поэтому при оздоровлении организма следить только за потерей веса неправильно. Конечной целью лучше поставить потерю жира и развитие мышц. Это относится как к мужчинам, так и к женщинам. Кроме взвешивания можно измерять процент жировых тканей в организме или проверять изменения в объеме талии, бедер, и других частей тела, где организм откладывает жир. Диетологи и тренеры советуют стремиться к снижению процента жира до 14-24% женщинам, и 6-17% мужчинам.

Еще один вариант диеты — постепенное увеличение или уменьшение количества калорий в еде на протяжении определенного времени. После этого необходимо всегда возвращаться назад к установленной норме. Диетологи также советуют разнообразить количество продуктов во время каждого приема пищи, а также, основной вид еды. Например, можно попробовать в первый день съесть на обед немного богатых углеводами продуктов, а на следующий день съесть большой обед из овощей и белковых продуктов. Главное, чтобы организм не привыкал к одинаковому виду еды и количеству калорий при каждом приеме пищи, и не мог приспособиться к нехватке энергии, замедляя метаболизм. Многие диеты и упражнения направлены на то, чтобы ускорить метаболизм, потому что это позволяет организму тратить энергию, а не откладывать ее в жир. Поэтому, составляя план питания и упражнений, необходимо помнить об этой проблеме адаптации организма. Также важно заниматься анаэробными упражнениями, чтобы увеличить мышечную массу. Система из разных упражнений, к которым организм не может полностью привыкнуть, также поможет избежать адаптации.

Энергетические напитки

Рекламодатели часто используют слово «энергия» в рекламных целях. Так, например, рекламируются энергетические напитки, повышающие работоспособность и бодрость. В них обычно содержатся психостимуляторы, такие как кофеин, много сахара, и иногда — витамины и экстракты лечебных трав. Психостимуляторы используются для того, чтобы за короткий срок организм выработал максимальное количество энергии. При этом повышается ток крови, артериальное давление, пульс, и температура. В мозг поступает больше кислорода, и усиливаются ощущения бодрости, силы, и энергии. Энергетические напитки, несмотря на их название, нельзя употреблять во время занятий спортом, так как они нарушают электролитический баланс в организме. Высокое содержание психостимуляторов действительно на короткое время повышает бодрость, но вскоре после этого происходит спад и «ломка», напоминающая период отвыкания от сахара, кофеина и алкоголя. Многие испытывают другие побочные явления, включая тошноту, рвоту, головные боли, высокое артериальное давление, и бессонницу. Врачи рекомендуют воздержаться от употребления энергетических напитков. Использование естественной энергии организма и своевременный отдых намного лучше для организма, чем употребление психостимуляторов.

Литература

Значения эквивалентов энергии в единицах энергии Хартри, массы, длины волны, частоты и температуры в конце таблицы преобразования получены из приведенных ниже уравнений, и на основании данных Комитета по данным для науки и техники CODATA (2010 г.):

E = mc² = h•c/λ = h•ν = k•T,

где

E — энергия;

k = 1.380649×10⁻²³ Дж/K — постоянная Больцмана;

c = 299 792 458 м/с — скорость света в вакууме;

λ — длина волны;

ν — частота;

h = 6.62607015•10⁻³⁴ Дж•с — постоянная Планка.

1 eV = (e/C) J = 1,602176565(35)•10⁻¹⁹ Дж,

где

e = 1,602 176 565(35)•10⁻¹⁹ К — элементарный заряд.

1 а.е.м. = 1/12 массы (¹²C) = 10⁻³ кг•моль⁻¹/N_A = 1,660 538 921(73)•10⁻²⁷ кг,

где

u — атомная единица массы (а.е.м.) или дальтон (Da), которая также называется углеродной единицей, и определяемая как 1/12 массы нуклида углерода ¹²С или 1,6605•10⁻²⁷ кг.;

N_A = 6.02214076•10²³ моль⁻¹ — число Авогадро.

E_h = 2R_∞hc = α2m_ec²,

где

E_h — энергия Хартри;

R_∞ = 1,097 373 156 8939(55) •10⁷ м⁻¹ — постоянная Ридберга;

m_e = 9,109 382 15(45)•10⁻³¹ кг — масса покоя электрона;

α = 7.297 352 5698(24) 10⁻³ — постоянная тонкой структуры;

c = 299 792 458 м/с — скорость света в вакууме.

Источник: NIST.gov. Коэффициенты преобразования эквивалентов энергии, основанные на рекомендациях CODATA 2010 г.