Energia

Energia (, tunnus E) on fysiikassa käytetty suure, joka kuvaa kykyä tehdä työtä. Työ taas voi esimerkiksi kiihdyttää jotakin kappaletta. Joule (1 J = 1 Nm) on SI-järjestelmäan perusyksikkö energialle ja työlle. Sähköisen energian yksikkönä käytetään usein kilowattitunti (1 kWh = 3,6 MJ). Suureesta energia käytetään fysiikassa myös tunnusta 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

$E\_k=\backslash frac\{1\}\{2\}mv^2$,

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

$E\_\{pot\}=m\backslash cdot\; g\backslash cdot\; h$,

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

Sähköenergia

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

$E\_\{\backslash mathrm\{s\backslash ddot\{a\}hk\backslash ddot\{o\}\}\}=\backslash int\_\{t\_1\}^\{t\_2\}\; P\backslash ,\; dt$

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:

$E\_\{\backslash mathrm\{s\backslash ddot\{a\}hk\backslash ddot\{o\}\}\}=\backslash int\_\{0\}^\{t\}\; UI\backslash ,\; dt$

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

$E\_\{\backslash mathrm\{s\backslash ddot\{a\}hk\backslash ddot\{o\}\}\}=P\backslash cdot\; t=U\backslash cdot\; I\backslash cdot\; t$

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

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
    • kivihiili
    • öljy
    • maakaasu
  • turve
  • uusiutuvat biopolttoaineet, mm. puupolttoaine
• ydinenergia
  • fuusio
  • fissio
• luonnonvirtaukset
  • vesiputous
  • tuuli
• auringon säteily
• geoterminen energia
• ulkoilman lämpö

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