Конвертер величин

Перевести одиниці: Ньютон-метр [Н·м] за кілограм [кг]

Яскравість

Детальніше про енергію

Загальні відомості

Енергія - фізична величина, що має велике значення в хімії, фізиці та біології. Без неї життя землі і рух неможливі. У фізиці енергія є мірою взаємодії матерії, внаслідок якого виконується робота чи відбувається перехід одних видів енергії до інших. У системі СІ енергія вимірюється у джоулях. Один джоуль дорівнює енергії, яка витрачається при переміщенні тіла на один метр силою в один ньютон.

Енергія у фізиці

Кінетична та потенційна енергія

Кінетична енергія тіла масою m, що рухається зі швидкістю v дорівнює роботі, що виконується силою, щоб надати тілу швидкість v. Робота тут визначається як міра дії сили, яка переміщує тіло на відстань s. Іншими словами, це енергія тіла, що рухається. Якщо ж тіло перебуває у стані спокою, то енергія такого тіла називається потенційною енергією. Це енергія, потрібна, щоб підтримувати тіло в цьому стані.

Наприклад, коли тенісний м'яч у польоті вдаряється об ракетку, він на мить зупиняється. Це тому, що сили відштовхування і земного тяжіння змушують м'яч застигнути повітря. У цей момент м'яч має потенційну, але немає кінетичної енергії. Коли м'яч відскакує від ракетки та відлітає, у нього, навпаки, з'являється кінетична енергія. У тіла, що рухається, є і потенційна і кінетична енергія, і один вид енергії перетворюється на інший. Якщо, наприклад, підкинути камінь вгору, він почне уповільнювати швидкість під час польоту. У міру цього уповільнення, кінетична енергія перетворюється на потенційну.Це перетворення відбувається доти, доки запас кінетичної енергії не вичерпається. У цей момент камінь зупиниться, і потенційна енергія досягне максимальної величини. Після цього він почне падати вниз із прискоренням, і перетворення енергії відбудеться у зворотному порядку. Кінетична енергія досягне максимуму при зіткненні каменю із Землею.

Закон збереження енергії свідчить, що сумарна енергія у замкненій системі зберігається. Енергія каменю в попередньому прикладі переходить з однієї форми в іншу, і тому, незважаючи на те, що кількість потенційної та кінетичної енергії змінюється протягом польоту та падіння, загальна сума цих двох енергій залишається постійною.

Виробництво енергії

Люди давно навчилися використовувати енергію на вирішення трудомістких завдань з допомогою техніки. Потенційна та кінетична енергія використовується для виконання роботи, наприклад, для переміщення предметів. Наприклад, енергія течії річкової води здавна використовується для отримання борошна на водяних млинах. Чим більше людей використовує техніку, наприклад автомобілі та комп'ютери, у повсякденному житті, тим більше зростає потреба в енергії. Сьогодні більшість енергії виробляється з невідновлюваних джерел. Тобто енергію одержують з палива, видобутого з надр Землі, і воно швидко використовується, але не відновлюється з такою ж швидкістю. Таке паливо — це, наприклад, вугілля, нафта та уран, що використовується на атомних електростанціях. В останні роки уряди багатьох країн, а також багато міжнародних організацій, наприклад ООН, вважають пріоритетним вивчення можливостей отримання відновлюваної енергії з невичерпних джерел за допомогою нових технологій.Багато наукових досліджень спрямовані на отримання таких видів енергії з найменшими витратами. В даний час для отримання відновлюваної енергії використовуються такі джерела як сонце, вітер та хвилі.

Енергія для використання в побуті та на виробництві зазвичай перетворюється на електричну за допомогою батарей та генераторів. Перші історія електростанції виробляли електроенергію, спалюючи вугілля, або використовуючи енергію води у річках. Пізніше для отримання енергії навчилися використовувати нафту, газ, сонце та вітер. Деякі великі підприємства містять свої електростанції біля підприємства, але більшість енергії виробляється не там, де її використовуватимуть, але в електростанціях. Тому головне завдання енергетиків - перетворити вироблену енергію на форму, що дозволяє легко доставити енергію споживачеві. Це особливо важливо, коли використовуються дорогі або небезпечні технології виробництва енергії, які потребують постійного спостереження фахівцями, такі як гідро- та атомна енергетика. Саме тому для побутового та промислового використання обрали електроенергію, оскільки її легко передавати з малими втратами на великі відстані лініями електропередач.

Опори лінії електропередач біля гідроелектростанції імені сера Адама Бека. Ніагара-Фолс, Онтаріо, Канада.

Електроенергію перетворюють із механічної, теплової та інших видів енергії. Для цього вода, пара, нагрітий газ або повітря надають руху турбіни, які обертають генератори, де і відбувається перетворення механічної енергії в електричну. Пар отримують, нагріваючи воду за допомогою тепла, одержуваного при ядерних реакціях або спалюванні викопного палива.Викопне паливо видобувають з надр Землі. Це газ, нафту, вугілля та інші горючі матеріали, утворені під землею. Геотермальна енергія.

У віддалених районах, де немає ліній електропередач, або де через економічні чи політичні проблеми регулярно відключають електроенергію, використовують портативні генератори та сонячні батареї. необхідна електроенергія, наприклад, у лікарнях. Зазвичай генератори працюють на поршневих двигунах, у яких енергія палива перетворюється на механічну. Також популярні пристрої безперебійного живлення з потужними батареями, які заряджаються, коли подається електроенергія, а віддають енергію під час відключень.

Електростанція компанії Florida Power and Light. Порт-Еверглейд, Флорида, США.

Енергія, що отримується при згорянні викопного палива

Викопне паливо утворюється в земній корі при високому тиску і температурі з органічних речовин, тобто залишків рослин і тварин. В основному, таке паливо містить велику кількість вуглецю. Саме викопне паливо - основне джерело енергії на даний момент. гази становлять серйозну загрозу навколишньому середовищу та посилюють глобальне потепління.Також, використання цього палива веде до швидкого його витрати, і людство може залишитися без палива, якщо повністю залежатиме тільки від копалини.

Атомна енергія

Атомна енергія – один із альтернативних видів енергії. Вона виділяється під час контрольованої ядерної реакції поділу, під час якої ядро ​​атома ділиться більш дрібні частини. Енергія, що виділяється під час цієї реакції, нагріває воду і перетворює її на пару, яка рухає турбіни.

Атомна енергетика є небезпечною. Найвідоміші за останні роки аварії сталися на Чорнобильській атомній електростанції (АЕС) в Україні, на АЕС Три-Майл-Айленд у США та на АЕС Фукусіма-1 у Японії. Після Фукусімської трагедії багато країн почали переглядати внутрішню політику використання атомної енергії, і деякі, наприклад, Німеччина, вирішили від неї відмовитися. Наразі Німеччина розробляє програму переходу на інші види енергопостачання та безпечного закриття діючих електростанцій.

Крім аварій є ще проблема зберігання відпрацьованого ядерного палива та радіоактивних відходів. Частину ядерного палива, що відпрацювало, використовують у виробництві зброї, в медицині, та в інших галузях промисловості. Однак більшість радіоактивних відходів використовувати не можна і тому необхідно забезпечувати їх безпечне поховання. Кожна країна, в якій побудовані атомні електростанції, зберігає ці відходи по-своєму, і в багатьох країнах ухвалено закони, що забороняють їхнє ввезення на територію країни. Радіоактивні відходи обробляють, щоб вони не потрапляли в навколишнє середовище, не розкладалися, і їх було зручно зберігати, наприклад, роблячи їх більш компактними.Після цього їх відправляють на поховання у довгострокових сховищах на дні морів та океанів, у геологічних структурах, або у басейнах та спеціальних контейнерах. Зі збереженням пов'язані такі проблеми як висока вартість переробки та поховання, витік радіоактивних елементів у навколишнє середовище, нестача місць для зберігання та можливість здійснення терористичних актів на об'єктах поховання радіоактивних відходів.

Набагато безпечніша альтернатива — це виробництво ядерної енергії за допомогою термоядерної реакції. Під час цієї реакції кілька ядер стикаються на великій швидкості та утворюють новий атом. Це відбувається тому, що сили, що відштовхують ядра один від одного, на маленькій відстані слабші, ніж сили, що їх притягують. Під час термоядерної реакції також утворюються радіоактивні відходи, але вони перестають бути радіоактивними приблизно через сто років, тоді як відходи реакції розподілу не розпадаються протягом кількох тисяч років. Паливо, необхідне термоядерних реакцій менш дороге, ніж реакцій поділу. Енергетичні витрати на термоядерні реакції на даний момент не виправдовують їх використання в енергетиці, але вчені сподіваються, що найближчим часом це зміниться і АЕС у всьому світі зможуть отримувати атомну енергію саме таким способом.

Відновлювана енергія

Інші альтернативні види енергії — це енергія сонця, океану та вітру. Технології виробництва такої енергії поки що не розвинені настільки, щоб людство могло відмовитися від використання викопного палива. Однак завдяки державним субсидіям, а також тому, що вони не завдають багато шкоди навколишньому середовищу, ці види енергії стають все більш популярними.

Енергія сонця

Експерименти з використання енергії сонця почалися ще в 1873 році, але ці технології не набули широкого поширення донедавна. Зараз сонячна енергетика швидко розвивається, багато в чому завдяки державним та міжнародним субсидіям. Перші сонячні енергоцентри з'явилися у 1980-х. Сонячну енергію частіше збирають та перетворюють на електроенергію за допомогою сонячних батарей. Іноді використовують теплові машини, в яких нагрівають воду сонячним теплом. В результаті утворюється водяна пара, яка і приводить в рух турбогенератор.

Енергія вітру

Людство використовувало енергію вітру багато століть. Вперше вітер почали використовувати у мореплавстві близько 7000 років тому. Вітряки використовуються кілька сотень років, а перші вітротурбіни і вітрогенератори з'явилися в 1970-х.

Енергія океану

Енергія припливів і відливів використовувалася ще за часів Стародавнього Риму, але енергію хвиль і морських течій люди почали використовувати нещодавно. В даний час більшість приливних та хвильових електростанцій тільки розробляється та випробовується. Здебільшого проблеми пов'язані з високою вартістю будівництва таких станцій та недоліками сьогоднішніх технологій. У Португалії, Великій Британії, Австралії та США зараз експлуатуються хвильові електростанції, проте багато з них все ще перебувають у стадії досвідченої експлуатації. Вчені вважають, що в майбутньому енергія океану стане одним із основних напрямків «зеленої енергії».

Біопаливо

При спалюванні біопалива виділяється енергія, яку рослини переробили із сонячної енергії у процесі фотосинтезу.Біопаливо широко використовується як у побутових цілях, наприклад для обігріву житла та приготування їжі, так і як паливо для транспорту. З рослин та тваринних жирів виробляють різновиди біопалива — етиловий спирт та олії. В автотранспорті використовується біодизельне паливо або в чистому вигляді, або суміші з іншими видами дизельного палива.

Геотермальна енергетика

Енергія земного ядра зберігається як тепла. Земна кора була нагріта до дуже високої температури з моменту її формування і досі підтримує високу температуру. Радіоактивний процес розпаду мінералів у надрах Землі також виділяє тепло. Донедавна отримати доступ до цієї енергії можна було тільки на стиках земних пластів, у місцях утворення гарячих джерел. Нещодавно розпочалася розробка геотермальних свердловин і в інших географічних регіонах для того, щоб почати використовувати цю енергію для отримання електрики. На даний момент вартість енергії, отриманої з таких свердловин дуже висока, тому геотермальна енергія не використовується так широко, як інші види енергії.

Річка Ніагара біля електростанції імені Вільяма Б. Ранкіна. У 2009 році її було виведено з експлуатації. Ніагара-Фолс, Онтаріо, Канада.

Гідроенергетика

Гідроенергетика - ще одна альтернатива викопному паливу. Гідроенергія вважається «чистою», оскільки порівняно зі спалюванням викопного палива, її виробництво завдає менше шкоди навколишньому середовищу. Зокрема, при отриманні гідроенергії викид парникових газів незначний.

Гідроенергія виробляється потоком води.Людство широко використовує цей вид енергії протягом багатьох століть і її виробництво залишається популярним завдяки низькій собівартості та доступності. Гідроелектростанції (ГЕС) збирають та перетворюють кінетичну енергію перебігу річкової води та потенційну енергію води в резервуарах за допомогою гребель. Ця енергія надає руху гідротурбіни, які перетворює її на електроенергію. Греблі влаштовані так, щоб можна було використовувати різницю у висотах між резервуаром, з якого витікає вода, та річкою, у яку перетікає вода.

Незважаючи на плюси гідроенергетики, з нею пов'язаний ряд проблем, таких як шкода, що завдається екосфері при будівництві гребель. Таке будівництво порушує екосистеми і живі організми виявляються відрізаними від життєво важливого середовища в екосистемі. Наприклад, риби не можуть пропливти вгору за нерестом і не завжди пристосовуються до нових умов. Громадськість не завжди може контролювати роботу енергетичних компаній, тому внаслідок будівництва нових ГЕС може виникнути гуманітарна криза. Прикладом такої кризи є виселення мешканців внаслідок будівництва ГЕС «Три ущелини» у Китаї. При будівництві цієї ГЕС урядом Китаю було виселено понад 1,2 мільйона жителів і затоплено величезну площу, включаючи поля, промислові зони, міста та селища. Побутові та виробничі відходи були змиті та засмічили нове водосховище, отруюючи рослини та риб. Через величезну кількість води в резервуарі в регіоні збільшилася сейсмічна активність. У 2011 році Китайський уряд визнав цю та деякі інші проблеми.

Енергія в дієтології та спорті

Калорії у дієтології

Енергію у спорті та дієтології зазвичай вимірюють у кілоджоулях чи харчових калоріях. Одна така калорія дорівнює 4,2 кілоджоуля, однієї кілокалорії, або тисячі калорій, що використовуються у фізиці. За визначенням одна харчова калорія — це кількість енергії, яка потрібна, щоб нагріти один кілограм води на один кельвін. У дієтології харчові калорії зазвичай називають просто калоріями, що ми й робитимемо надалі у цій статті. Іноді це викликає плутанину, але зазвичай читач може зрозуміти за контекстом, про які одиниці йдеться. Більшість харчових продуктів містить калорії. Так, наприклад, в одному грамі жиру – 9 калорій, у грамі вуглеводів та білків – по 4 калорії в кожному, а в алкоголі – 7 калорій на грам. Деякі інші речовини містять калорії. Ця енергія виділяється під час обміну речовин і використовується організмом для підтримки життєдіяльності.

Люди, які намагаються схуднути, часто підраховують калорії, що поглинаються під час їжі, і віднімають із цієї суми калорії, використані під час фізичного навантаження. Це робиться, щоб порівняти кількість невикористаних на фізичне навантаження калорій із щоденними енергетичними потребами тіла у розслабленому стані. Зазвичай, щоб схуднути, кількість калорій, що залишилися, повинна бути меншою, ніж потрібно тілу для підтримки організму в спокійному стані. У той же час лікарі та дієтологи вважають небезпечним вживати менше 1000 калорій на день. Енергетичні потреби тіла у стані відпочинку можна обчислити за формулою, яка враховує вік, ріс та вагу людини. Ця формула розрахована на середню людину, але кожен організм зберігає та витрачає енергію по-своєму, залежно від потреб.Тому не завжди вдається худнути, навіть споживаючи менше калорій, ніж потрібно організму згідно з цією формулою. Організм часто пристосовується до нестачі калорій, уповільнюючи обмін речовин. В результаті потреба в енергії падає, і підрахунки щоденних енергетичних потреб людини за формулою призводять до хибних результатів. Незважаючи на це, багато дієтологів рекомендують охочим схуднути вести щоденний облік споживання калорій.

Калорійність — важливе поняття дієтології, яке допомагає визначити наскільки енергетично корисна дана їжа для організму. Вважають калорійність шляхом визначення кількості калорій в одному грамі харчового продукту. Продукти з низькою калорійністю зазвичай містять багато води. Вона заповнює шлунок і в людини виникає відчуття ситості. В результаті він споживає менше калорій в порівнянні з іншою їжею. Наприклад, в одній стограмовій шоколадці міститься 504 калорії. Для порівняння, така шоколадка займе трохи менше половини склянки. У півтори склянках або 320 грамах білого м'яса вареної індички з низьким вмістом жиру і без шкіри міститься приблизно стільки ж калорій. Така ж кількість калорій міститься і в 6,3 кілограмах огірків, тобто у 25 чашках. Цей приклад із зменшеними порціями виглядає так: приблизно 50 калорій міститься в одній шоколадній цукерці, столовій ложці індички, і шести склянках огірків. Після такої порції огірків навряд чи захочеться їсти, а після однієї шоколадної цукерки багато хто потягнеться за другою та третьою. Їжа з високою калорійністю – це зазвичай шкідлива жирна та солодка їжа, яку варто уникати.Людям на дієті дуже корисно знати калорійність різних продуктів, але не варто забувати, що при складанні меню необхідно враховувати не лише калорійність, а й загальну корисність кожного продукту. Щоб досягти максимальних результатів та покращити здоров'я, харчування має бути збалансовано.

Харчова цінність - Інше корисне поняття в дієтології. Це співвідношення поживних та корисних речовин необхідних організму, наприклад вітамінів, клітковини, антиоксидантів та мінералів, до енергетичної цінності їжі. Так, продукти з високою харчовою цінністю містять багато корисних речовин на кожну калорію продукту. І навпаки, існують продукти з «порожніми калоріями», тобто з дуже малою кількістю корисних речовин та низькою поживністю. Алкоголь, солодощі, чіпси – це деякі приклади такої їжі. Їх краще виключити з раціону, або, принаймні, обмежити, тому що вони не забезпечують організм достатньою кількістю необхідних для життя корисних речовин.

Калорії у спорті

Енергія потрібна людині та тваринам, щоб підтримати основний обмін речовин, тобто метаболізм організму у стані спокою. Це — енергія для підтримки роботи мозку, тканин та інших органів. Також енергія потрібна для щоденного фізичного навантаження та вправ. При зменшенні жирової та збільшення м'язової маси основний обмін речовин прискорюється, а потреба в енергії — збільшується. Тому будь-яка програма з оздоровлення організму та схуднення повинна ґрунтуватися не тільки на зменшенні жиру, але і на збільшенні м'язової маси. Для цього важливо не лише правильно харчуватися, а й займатися спортом, особливо вправами, які допомагають розвивати м'язи.

Кількість енергії, витраченої при вправах, залежить від того, були вони аеробними, або анаеробними. При аеробних вправах кисень розщеплює глюкозу і при цьому виділяється енергія. Під час анаеробних вправ кисень для цього процесу не використовується; натомість енергія виробляється при реакції креатинфосфату з глюкозою. Анаеробні вправи сприяють зростанню м'язів, вони короткочасні та інтенсивні. Прикладами таких видів спорту є біг на короткі дистанції та важка атлетика. Їх неможливо продовжувати довго через те, що в процесі одержання енергії виробляється молочна кислота. Її надлишок у крові викликає біль, і якщо людина, незважаючи на це продовжує вправу, вона може знепритомніти. Аеробні вправи, навпаки, можна продовжувати протягом тривалого часу, оскільки вони менш інтенсивні, і головне в них - витривалість. До таких вправ відносяться біг на довгі дистанції, плавання та аеробіка. З їх допомогою розвивається витривалість м'язів серця та дихальної системи, а також спалюється жир та покращується кровообіг.

Енергія та боротьба із зайвою вагою

Незважаючи на те, що нестача енергії, по відношенню до витрат, зазвичай веде до схуднення, це не завжди так, і часто після початкового схуднення людина перестає худнути або навіть набирає вагу, незважаючи на суворе дотримання дієти. Це відбувається через адаптацію організму до нестачі калорій, наприклад, внаслідок уповільнення обміну речовин. У таких випадках радять змінити порядок вправ і меню, наприклад, тимчасово змінити вид спорту і спробувати змінювати денну норму калорій.Наприклад, щодня можна споживати або більше, або менше калорій щодо встановленої денної норми, або можна замість денної норми встановити тижневу норму споживання калорій.

Дуже важливо пам'ятати, що для підтримки швидкого та здорового обміну речовин організму потрібна м'язова маса. Тому здорові дієти повинні поєднуватись з вправами, спрямованими на розвиток м'язів. Жир важить менше, ніж м'язи, тому коли внаслідок дієт та вправ збільшується м'язова та зменшується жирова маса, то загальна вага збільшується, незважаючи на те, що організм стає здоровішим. Тому при оздоровленні організму слідкувати лише за втратою ваги неправильно. Кінцевою метою краще поставити втрату жиру та розвиток м'язів. Це стосується як чоловіків, так і жінок. Крім зважування можна вимірювати відсоток жирових тканин в організмі або перевіряти зміни в об'ємі талії, стегон та інших частин тіла, де організм відкладає жир. Дієтологи та тренери радять прагнути до зниження відсотка жиру до 14-24% жінок, і 6-17% чоловіків.

Ще один варіант дієти - поступове збільшення або зменшення кількості калорій у їжі протягом певного часу. Після цього необхідно завжди повертатись назад до встановленої норми. Дієтологи також радять урізноманітнити кількість продуктів під час кожного прийому їжі, а також основний вид їжі. Наприклад, можна спробувати першого дня з'їсти на обід трохи багатих на вуглеводи продуктів, а наступного дня з'їсти великий обід з овочів і білкових продуктів.Головне, щоб організм не звикав до однакового виду їжі та кількості калорій при кожному прийомі їжі, і не міг пристосуватися до нестачі енергії, уповільнюючи метаболізм. Багато дієт і вправ спрямовані на те, щоб прискорити метаболізм, тому що це дозволяє організму витрачати енергію, а не відкладати її в жир. Тому, складаючи план харчування та вправ, необхідно пам'ятати про проблему адаптації організму. Також важливо займатися анаеробними вправами, щоб збільшити м'язову масу. Система різних вправ, до яких організм не може повністю звикнути, також допоможе уникнути адаптації.

Енергетичні напої

Рекламодавці часто використовують слово "енергія" в рекламних цілях. Так, наприклад, рекламуються енергетичні напої, що підвищують працездатність та бадьорість. Вони зазвичай містяться психостимулятори, такі як кофеїн, багато цукру, і іноді — вітаміни та екстракти лікувальних трав. Психостимулятори використовують для того, щоб за короткий термін організм виробив максимальну кількість енергії. При цьому підвищується струм крові, артеріальний тиск, пульс і температура. У мозок надходить більше кисню, і посилюються відчуття бадьорості, сили та енергії. Енергетичні напої, незважаючи на їх назву, не можна вживати під час занять спортом, оскільки вони порушують електролітичний баланс в організмі. Високий вміст психостимуляторів дійсно на короткий час підвищує бадьорість, але незабаром після цього відбувається спад і «ломка», що нагадує період відвикання від цукру, кофеїну та алкоголю. Багато хто відчуває інші побічні явища, включаючи нудоту, блювання, головний біль, високий артеріальний тиск, і безсоння. Лікарі рекомендують утриматися від споживання енергетичних напоїв. Використання природної енергії організму та своєчасний відпочинок набагато краще для організму, ніж вживання психостимуляторів.