energia

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

Energia (< kreik. ἐνέργεια, energeia; tunnus E tai W) on kaikilla fysiikan aloilla keskeisessä asemassa esiintyvä suure, jota koskee yleinen säilymislaki. Energia määritellään usein voiman, kappaleen tai systeemin kyvyksi tehdä työtä.^[1] Työ taas voi esimerkiksi kiihdyttää jotakin kappaletta. Fysiikan, erityisesti termodynamiikan kehitys on kuitenkin johtanut energian käsitteen laajenemiseen, eikä tämä määritelmä mutkattomasti sovellu kaikkiin energian muotoihin.^[2]

SI-järjestelmässä energian ja myös työn yksikkö on joule (1 J = 1 Nm). Sähköenergian yksikkönä käytetään usein kilowattituntia (1 kWh = 3,6 MJ = 3 600 000 J). Myös muita energian yksiköitä käytetään yleisesti.

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

Kaikki energian muodot eivät kuitenkaan ole käytettävissä mekaanisen työn suorittamiseen. Esimerkiksi lämpöenergia voi tehdä työtä vain, jos se on epätasaisesti jakautunut. Exergia on se osuus energiasta, joka voi tehdä työtä, anergia on se osa, jota ei voi täten hyödyntää, esimerkiksi lämpöenergia ympäristön lämpötilassa.

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.

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

Energian hyödyntämisen tehokkuutta mitataan hyötysuhteella.

Energian lajeja

Mekaanisen energian muodot ovat liike-energia sekä eri vuorovaikutuksiin liittyvät potentiaalienergian muodot. Käytännössä näistä erillisinä energian muotoina voidaan pitää myös esimerkiksi lämpöä, latenttilämpöä ja kemiallista energiaa, joista termodynamiikassa käytetään yhteisnimitystä kappaleen sisäinen energia. Atomi- ja molekyylitasolla tarkasteltuna nämäkin oikeastaan ovat joko aineen pienimpien osasten liike-energiaa tai niiden välisiin sähkömagneettisiin vuorovaikutuksiin liittyvää potentiaalienergiaa.^[2]

Liike-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

,

missä m on kappaleen massa ja v sen nopeus.

Potentiaalienergia

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 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 eli gravitaatiopotentiaalienergia voidaan laskea kaavasta

,

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]

Kappaleen liikuttamiseen tarvittava energia

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

.

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

Sähköenergia

Sähköä siirretään voimalinjojen avulla.

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

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:

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

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

Lämpöenergia

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: E_lämpö = CΔT

Lämpöenergian siirtymistapoja ovat:

• lämmön kulkeutuminen
• lämmön säteily
• lämmön johtuminen

Säteilyenergia

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.

Energia biologiassa

Kaikki eliöt tarvitsevat elintoimintoihinsa energiaa. Niiden välittömänä energianlähteenä ovat niiden soluissa tapahtuvat kemialliset reaktiot, joissa erilaisiin orgaanisiin yhdisteisiin (tai niiden ja ilmakehän hapen muodostamaan systeemiin) varastoitunut kemiallinen energia muuttuu eliön tarvitsemaan muotoon.

Toisenvaraiset eliöt kuten eläimet ja sienet saavat tarvitsemansa orgaaniset yhdisteet ravinnostaan, viime kädessä kasveista. Kasvit sen sijaan valmistavat niitä itse ja vapauttavat samalla ilmaan happea. Tähän prosessiin, yhteyttämiseen tarvitsemansa energian ne saavat auringon säteilystä. Syvissä merissä on kuitenkin myös eliöitä, jotka saavat orgaanisten yhdisteiden valmistamiseen tarvitsemansa energian Maan sisäisestä lämmöstä, pääasiassa mustista savuttajista.

Ihmisen käyttämä energia

Pääartikkeli: Energiantuotanto

Ihminen käyttää energiaa erityisesti teollisuudessa, liikenteessä sekä rakennusten lämmitykseen ja valaistukseen. Alkuperäisin ihmisen käyttämä energian muoto on luonnollisesti lihasenergia, ihmisen lihasten käyttämä osa ravintoenergiasta, joka hänen liikkuessaan muuttuu liike-energiaksi. Hyvin varhaisista ajoista ihminen on lisäksi käyttänyt hyväkseen tulta, toisin sanoen erilaisten polttoaineiden palamisessa vapautuvaa kemiallista energiaa.

Teollistumisen myötä on otettu käyttöön suuri joukko muitakin energian lähteitä. Suuria määriä energiaa siirretään paikasta toiseen sähkövirran välityksellä, joka toimiikin mitä erilaisimpien laitteiden välittömänä energianlähteenä, joskin sähköenergia on aina tuotettava jonkin muun energian lähteen avulla.

Käytössä olevia energian lähteitä

• polttoaineet
  • fossiiliset polttoaineet
    • kivihiili
    • öljy
    • maakaasu
  • turve
  • 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

Energian varastointitapoja

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

Energian yksiköt

Muunnoksia eräiden yleisesti käytettyjen energian yksiköiden välillä

Viitteet

Katso myös

• Aine

Kirjallisuutta

• Enqvist, Kari: Monimutkaisuus: Elävän olemassaolomme perusta. Helsinki: WSOY, 2007. ISBN 978-951-0-32679-4.
• Smil, Vaclav: Energy in nature and society: general energetics of complex systems.. Cambridge, USA: MIT Press, 2008. ISBN 978-0-262-69356-1.

Aiheesta muualla

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