Energia

Energiaa on se, mikä pystyy tekemään työtä fysikaalisessa mielessä. Työ taas voi esim. kiihdyttää jotakin kappaletta. Joule (1 J = 1 Nm) on SI-järjestelmän perusyksikkö energialle ja työlle. Sähköisen energian yksikkönä käytetään usein kilowattituntia (1 kWh = 3,6 MJ). Suureesta energia käytetään fysiikassa useita tunnuksia, mm. E ja W.

Energialla voi olla erilaisia ilmenemismuotoja: liike-energia, potentiaalienergia, lämpöenergia, sähkömagneettinen energia jne. Energia noudattaa energiaperiaatetta. 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.

Exergia on energian käytettävissä oleva osuus, anergia on se osa, jota ei voi hyödyntää, esimerkiksi lämpöenergia ympäristön lämpötilassa.

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

Energian hyödyntämisen tehokkuutta mitataan hyötysuhteella.

Liike-energia

Liike-energia on kappaleen liikkeeseen varastoitunutta energiaa. Kappaleella on sitä enemmän liike-energiaa, mitä suurempi on sen nopeus ja mitä painavampi kappale on. Klassisen fysiikan (eli alhaisissa nopeuksissa) kaava kappaleen liike-energialle on

E_k=\frac{1}{2}mv^2

missä m on kappaleen massa ja v sen nopeus.

Potentiaalienergia

Potentiaalienergia on kappaleeseen varastoitunutta energiaa. 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 voidaan laskea kaavasta

E_{pot}=m\cdot g\cdot h

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

Sähköenergia

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

E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=\int_{t_1}^{t_2} P\, dt

Usein sähköenergiaa laskettaessa voidaan laskennan ajan alkuhetki määritellä vapaasti. Se onkin usein määritelty nollaksi ja näin helpotetaan integrointia. Kun vielä merkitään sähkötehoa jännitteen U ja virran I tulona, saadaan sähköenergiaksi aikavälillä o...t:

E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=\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.

E_{\mathrm{s\ddot{a}hk\ddot{o}}}=P\cdot t=U\cdot I\cdot t

Lämpöenergia

Lämpöenergia on aineen hiukkasten satunnaisiin värähtelyihin varastoitunut liike-energia. Kuumiin kappaleisiin on sitoutunut lämpöenergiaa lämpötilaeron (ΔT) ja lämpökapasiteetin (C) tulon mukaan:

E_lämpö = ΔT · C

Käytössä olevia energialähteitä

polttoaineet
- fossiiliset polttoaineet
- turve
- uusiutuvat biopolttoaineet, mm. puupolttoaine
ydinenergia
- fissio
luonnonvirtaukset
- vesiputous
- tuuli
auringon säteily
geoterminen energia

Energiansiirto- ja välitystapoja

polttoaineiden kuljettaminen
sähkö
lämmön kulkeutuminen
lämmön säteily
lämmön johtuminen

Energian varastointitapoja

polttoaineiden säilytys
lämpöenergia eristetyssä tilassa
potentiaalienergia
liike-energia
mekaaninen energia: jousi tai paine
kemiallinen energia
sähköinen kapasitanssi

Suureet | Sähkötekniikka | Klassinen mekaniikka | Energia