תוֹכֶן
אחד החוקים הבסיסיים ביקום הוא שהאנרגיה לא נוצרת ולא נהרסת - היא רק משנה צורות. כתוצאה מכך קיימות נוסחאות רבות לאנרגיה. בכדי להבין כיצד הנוסחאות הללו הם ביטויים של אותו דבר, חשוב להבין תחילה למה מתכוונים הפיזיקאים כאשר הם מדברים על אנרגיה. הרעיון שלו מושרש במושגי הפיזיקה הקלאסית כפי שהודבר על ידי סר אייזק ניוטון.
הנוסחה לאנרגיית התנועה היא KE = .5 × m × v2 כאשר KE הוא אנרגיה קינטית בג'ואלים, m הוא מסה בקילוגרמים ו- v הוא המהירות במטר לשנייה.
כוח ועבודה
ניוטון שלושה חוקי תנועה מהווים את הבסיס לפיזיקה קלאסית. החוק הראשון מגדיר כוח כגורם לתנועה, והחוק השני מתייחס לכוח הפועל על חפץ לתאוצה שהוא עובר. אם כוח (F) מאיץ גוף דרך מרחק (d), הוא מבצע כמות עבודה (W) השווה לכוח כפול המרחק פעמים גורם החשבון בזווית שביניהם (θ, האות היוונית תטא) ). כביטוי מתמטי פירושו W = F × d × (cos (θ)). היחידות המטריות לכוח הן ניוטון, אלה למרחק הם מטרים ואלו לעבודה הן מטר ניוטון, או ג'ול. אנרגיה היא היכולת לביצוע עבודה והיא מתבטאת גם בג'אולים.
אנרגיה קינטית ופוטנציאלית
לאובייקט בתנועה יש אנרגיית התנועה שלו, המקבילה לעבודה שתידרש בכדי להביא אותו למנוחה. זה נקרא האנרגיה הקינטית שלו, והוא תלוי בריבוע המהירות של האובייקטים (v) וכן במחצית מהמסה שלו (m). מבחינה מתמטית זה בא לידי ביטוי כ E (k) = (.5) × m × v2. חפץ במנוחה בשדה הכבידה של כדור הארץ מחזיק באנרגיה פוטנציאלית מתוקף גובהו; אם זה היה נופל בחופשיות, הוא היה משיג אנרגיה קינטית השווה לאנרגיה פוטנציאלית זו. אנרגיה פוטנציאלית תלויה במסת העצמים, גובהה (h) והתאוצה כתוצאה מכוח הכבידה (g). מבחינה מתמטית זהו E (p) = m • h • g.
אנרגיה חשמלית
חישוב האנרגיה במערכות חשמל תלוי בכמות הזרם הזורם במוליך (I) ב אמפר, כמו גם בפוטנציאל החשמלי, או במתח (V), המניע את הזרם, בוולטים. הכפלת שני הפרמטרים הללו מעניקה את הכוח של החשמל (P) בוואט, והכפלת P בזמן שבו החשמל זורם (t) בשניות נותן את כמות האנרגיה החשמלית במערכת, בג'ואלים. הביטוי המתמטי לאנרגיה חשמלית במעגל מוליך הוא E (e) = P × t = V × I × t. על פי קשר זה, השארת נורה של 100 וואט בוערת למשך דקה, מוציאה 6,000 ג'ול אנרגיה. זה שווה לכמות האנרגיה הקינטית שיש לסלע של 1 קילוגרם אם תפיל אותו מגובה של 612 מטר (תוך התעלמות מחיכוך האוויר).
כמה צורות אנרגיה אחרות
האור שאנו רואים הוא תופעה אלקטרומגנטית שיש לה אנרגיה מכוח התנודות של חבילות גלים הנקראות פוטונים. הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק קבע כי האנרגיה של פוטון היא פרופורציונאלית לתדר (ו) איתו הוא רוטט, והוא חישב את קבוע המידתיות (h), המכונה פלאנקס קבוע לכבודו. הביטוי לאנרגיה של פוטון הוא אפוא E (p) = h × f. על פי תורת היחסות של אלברט איינשטיין, לכל חלקיק של חומר יש אנרגיה פוטנציאלית טבועה ביחס למסת החלקיקים ולריבוע מהירות האור (c). הביטוי הרלוונטי הוא E (m) = m × c2. חישובי אינסטאינים אוששו בהתפתחות פצצת האטום.