Видове енергия

Какво означава да имаш енергия? Помисли за това как се чувстваш, когато се събудиш сутрин. Ако имаш много енергия, това вероятно означава, че чувстваш бодрост, готовност да излезеш навън и способност да свършиш нужното през деня. Ако нямаш енергия (може би поради липса на осемчасов сън), тогава може да не ти се става от леглото, да не чувстваш желание да се движиш и да правиш нещата, които трябва да свършиш.

Въпреки че тази дефиниция за енергия е от ежедневието, а не от науката, тя има доста общо с по-формалната дефиниция на енергия (и може да ти даде полезен начин за запомнянето ѝ). По-точно, енергията се дефинира като способността да се извърши работа – която, за целите на биологията, може да бъде приета за способността да се направи някакъв вид промяна. Енергията може да приеме много различни форми: например всички знаем за светлината, топлината и електричната енергия.

Тук ще разгледаме някои видове енергия, които са особено важни в биологичните системи, включително кинетична енергия (енергията на движението), потенциална енергия (енергия, която идва от положението или структурата) и химична енергия (потенциалната енергия на химичните връзки). Енергията никога не се губи, но може да бъде преобразувана от една от тези форми в друга.

Когато един предмет е в движение, има енергия, свързана с този предмет. Защо това е така? Местещите се предмети са способни да създават промяна, или, казано другояче, да вършат работа. Например помисли за една голяма разбиваща стоманена топка. Дори бавно движеща се стоманена топка може да причини много щети на друг предмет като една празна къща. Въпреки това топка, която не се движи, не върши никаква работа (не събаря никакви сгради).

Енергията, свързана с движението на обекта, се нарича кинетична енергия. Летящ куршум, вървящ човек и електромагнитна радиация като светлината ще имат кинетична енергия. Друг вид кинетична енергия е енергията, свързана с постоянното случайно сблъскване на атоми или молекули. Това се нарича също и топлинна енергия – колкото повече е топлинната енергия, толкова повече е кинетичната енергия на атомното движение и обратно. Средната топлинна енергия на една група молекули е това, което наричаме температура, и когато топлинната енергия преминава между два обекта, тя се нарича топлина.

Нека се върнем на нашия пример с разбиващата топка. Неподвижната разбиваща топка няма никаква кинетична енергия. Но какво ще стане, ако я повдигнем два етажа нагоре с кран и я провесим над една кола? В този случай разбиващата топка не се движи, но тя в действителност притежава енергия. Енергията на провесената разбиваща топка отразява потенциала ѝ да извършва работа (в този случай щета). Ако разбиващата топка бъде пусната, тя ще свърши работа, като сплеска като палачинка нечия нещастна кола. Колкото по-тежка е топката, толкова по-голяма е нейната енергия.

Този вид енергия е познат като потенциална енергия и това е енергията на даден обект, породена от неговата позиция или структура. Например енергията в химичните връзки на една молекула се поражда от структурата на молекулата и позициите на нейните атоми един спрямо друг. Ето защо химичната енергия, или енергията, съхранена в химичните връзки, се смята за форма на потенциална енергия. Някои ежедневни примери на потенциална енергия включват енергията на водата, задържана зад язовирна стена, или на човек, който е на път да скочи от самолет.

Енергията на един обект може да бъде превърната от една форма в друга. Да разгледаме нашия любим пример – разбиващата топка. Ако разбиващата топка виси неподвижно няколко етажа над земята, тя няма кинетична енергия, но има висока потенциална енергия. След като я освободим, нейната кинетична енергия започва да се увеличава, защото набира скорост поради гравитацията, докато нейната потенциална енергия започва да намалява, защото тя вече не е толкова далече от земята. Точно преди да удари земята топката няма почти никаква потенциална енергия и много кинетична енергия.

Същите видове преобразувания са възможни с химичната енергия и виждаме много примери за това в ежедневието си. Например октанът, въглеводород, съдържащ се в бензина, има химична енергия (потенциална енергия) поради молекулярната си структура, показана по-горе. Тази енергия може да бъде освободена в двигателя на една кола, когато бензинът започне да гори, произвеждайки газове с висока температура, които задвижват буталата на двигателя и, в крайна сметка, движат колата напред (кинетична енергия)${}^1$‍. Част от химичната енергия е преобразувана в кинетична енергия на колата, докато друга част е преобразувана в топлинна енергия под формата на топлината, освобождавана от двигателя.

Енергията може да промени формата си по подобен начин и в живите организми. Например енергията, съхранявана във връзките на малката молекула АТФ (потенциална енергия), може да захрани движението на един двигателен протеин и товара му по микротубулния тракт, или контракцията (съкращението) на мускулните клетки за задвижване на един крайник (кинетична енергия).