Energia

Pomppivalla pallolla energia muuttuu vuoroin potentiaali- vuoroin liike-energiaksi. Mekaaninen energia, eli potentiaali- ja liike-energian summa, pienenee kitkan ja äänen tuottamisen vuoksi. 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. Fysiikan, erityisesti termodynamiikan, kehitys on kuitenkin johtanut energian käsitteen laajenemiseen, eikä tämä määritelmä mutkattomasti sovellu kaikkiin energian muotoihin. SI-järjestelmässä energian ja myös työn yksikkö on joule. Myös muita energian yksiköitä käytetään yleisesti.

Energia voi ilmetä erilaisissa muodoissa, joita ovat muun muassa liike-energia, potentiaalienergia, lämpöenergia ja sähkömagneettinen energia. Energian 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. Eksergia on se osuus energiasta, joka voi tehdä työtä, anergia on se osa, jota ei voi täten hyödyntää, esimerkiksi lämpöenergia ympäristön lämpötilassa. 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.

Liike-energia

Pääartikkeli: 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

$E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2},$

missä m on kappaleen massa ja v sen nopeus.

Potentiaalienergia

Pääartikkeli: 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 energia 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.

$E_{\text{pot}}=m\cdot g\cdot h,$

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.

Kappaleen liikuttamiseen tarvittava energia

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

$W=F\cdot s.$

Tämä energia voi mennä joko kappaleen kiihdyttämiseen tai 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:

$E_{\text{sähkö}}=\int _{t_{1}}^{t_{2}}P\,dt.$

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 0...t

$E_{\text{sähkö}}=\int _{0}^{t}UI\,dt.$

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

$E_{\text{sähkö}}=P\cdot t=U\cdot I\cdot t.$

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:

$E_{\text{lämpö}}=C\Delta T.$

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. Biologisissa systeemeissä ilmenevien energiavirtojen sekä energialajien keskinäisen muuttumisen tutkimusta nimitetään bioenergetiikaksi. Se on keskeistä esimerkiksi aineenvaihdunnan ymmärtämisen näkökulmasta.

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 energialähteitä. 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
  • Metaani
  • 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

Energian ja työn yksikkö SI-järjestelmässä on joule. Yksi joule on työ, joka tehdään, kun yhden newtonin suuruinen voima siirtää kappaletta yhden metrin matkan voiman suuntaan, tai tähän tarvittava määrä energiaa. Samoin yksi joule vastaa yhden ampeerin sähkövirran ajamista yhden ohmin resistanssin läpi yhden sekunnin ajan, tai yhden watin teholla työskentelyä yhden sekunnin ajan. Myös muita energian yksiköitä käytetään. Sähköenergian yksikkönä käytetään usein kilowattituntia (1 kWh = 3,6 MJ = 3 600 000 J).

Muunnoksia eräiden yleisesti käytettyjen energian yksiköiden välillä:

	joule	wattitunti	elektronivoltti	kalori
1 J = 1 kg·m2 s−2 =	1	2,778 · 10−4	6,241 · 1018	0,239
1 W·h =	3600	1	2,247 · 1022	859,8
1 eV =	1,602 · 10−19	4,45 · 10−23	1	3,827 · 10−20
1 cal =	4,1868	1,163 · 10−3	2,613 · 1019	1

Katso myös

• Relativistinen dispersiorelaatio

Kirjallisuutta

• Enqvist, Kari: Monimutkaisuus: Elävän olemassaolomme perusta. Helsinki: WSOY, 2007. ISBN 978-951-0-32679-4
• Vaclav Smil: Energia ja sivilisaatio – historia. Terra cognita, 2019.
• 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)
• Opetus TV, Mekaniikka: Energia

Energiantuotanto

Käsitteitä	energiansäästö hajautettu tuotanto kaukolämpö lämmöntuotanto sähköntuotanto säätövoima varavoima lämpöenergian varastointi energian varastointi
Uusiutumaton energia	Fossiilinen hiilivoima maakaasuvoima maaöljy Muut turvevoima ydinvoima
Uusiutuva energia	aaltovoima aurinkoenergia biomassa geoterminen energia tuulivoima vesivoima