energiayhtälöt

Energiayhtälöt ovat fysiikan laskukaavoja, jotka kuvaavat energian muutoksia ja siirtymistä eri systeemeissä. Ne kattavat mekaniikan, termodynamiikan, suhteellisuusteorian ja virtausfysiikan sekä pätevät sekä analyyttisissä laskuissa että kokeellisessa työssä. Yhtälöt voidaan muodostaa energian säilymisen perusideasta tai energian konversiosta työn, lämmön ja potentiaalien välillä.

Mekaniikassa keskeisiä käsitteitä ovat kineettinen energia K ja potentiaalien energia U. Kineettinen energia on K = 1/2 m v^2 ja potentiaalien energia riippuu voimakentästä, yleisimmin U = m g h gravitaatiossa. Kokonaisenergia E = K + U. Jos systeemissä voimat ovat konservatiivisia, kokonaisenergia E säilyy, eli ΔE = 0. Työ-energian lauseelta löytyy: ΔK = W_total, missä W_total on kaikkien voimien tekemä työ järjestelmään.

Termodynamiikassa ensimmäinen pääsääntö ilmaisee energian säilyvyyden lämpötilojen muutoksissa: ΔU = Q − W, jossa Q on vastaanotettu lämpö ja W on järjestelmän tekemä työ. Eri konventioissa signaaleja voidaan esittää eri tavoin, mutta idea pysyy: energiatasapaino mittaa lämmön, työn ja sisäisen energian muutoksia. Ideaalikaasujen yhteydessä sisäinen energia U voi riippua vain lämpötilasta, jolloin ΔU = n Cv ΔT.

Relatiivisessa fysiiikassa energian peruslause on E = m c^2, massan ja energian equivalenssi. Liikkuvalle kappaleelle kokonaiset energia muodostuu restienergiasta ja liike-energiasta, ja tiloissa, joissa momentum p otetaan huomioon, E^2 = (pc)^2 + (mc^2)^2.

Fluids-tieteen yhteydessä Bernoullin yhtälö havainnollistaa energiankulun yhtenäisyyttä virtauksessa: p + 1/2 ρ v^2 + ρ g h = const along a streamline, edellyttäen epäkitkainen, liikuttumaton neste sekä staattinen tilannetekijä. Nämä esimerkit osoittavat energyyehtöjen laajat sovellusalat ja niiden perusidean: energia muuttuu tai jakautuu järjestelmän sisällä energialähteiden ja voiman vaikutuksesta.