يوجد نوعان رئيسيان من الطاقة: الطاقة الحركية والطاقة الكامنة.الطاقة الحركيةهي طاقة حركة كائن أو جسيم ، والطاقة الكامنةهي الطاقة المرتبطة بموضع الجسم أو الجسيم.
في بعض الأحيان ، يشار إلى الطاقة الحركية والمحتملة المرتبطة بالعمليات الميكانيكية لجسم مجهري بشكل جماعيالطاقة الميكانيكيةواستبعاد أشكال الطاقة المرتبطة بالعمليات الحرارية والكيميائية والذرية.
إنه قانون أساسي للفيزياء يحفظ الطاقة الكلية في نظام مغلق. يشار إلى هذا باسمقانون حفظ الطاقة. أي ، في حين أن الطاقة قد تغير شكلها أو تنتقل من كائن إلى آخر ، فإن المقدار الإجمالي سيبقى دائمًا ثابتًا في نظام معزول تمامًا عن محيطه.
لتبسيط الحسابات في العديد من مسائل الفيزياء التمهيدية ، غالبًا ما يُفترض أن الاحتكاك وغيره قوى التبديد لا تذكر ، مما يؤدي إلى أن تكون الطاقة الميكانيكية الكلية لنظام مغلق منفصلة محفوظ.
يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية وأنواع أخرى من الطاقة عند وجود احتكاك ، وقد يكون من الصعب إعادة أي طاقة حرارية إلى طاقة ميكانيكية (ومن المستحيل جعلها تفعل ذلك تمامًا.) ولهذا السبب غالبًا ما يتم الحديث عن الطاقة الميكانيكية على أنها كمية منفصلة محفوظة ، ولكن ، مرة أخرى ، يتم حفظها فقط في حالة عدم وجود احتكاك.
وحدة SI للطاقة هي الجول (J) حيث 1 جول = 1 نيوتن × 1 متر.
أنواع الطاقة الكامنة
الطاقة الكامنة هي الطاقة الناتجة عن موضع أو ترتيب جسم أو جسيم. توصف أحيانًا بأنها طاقة مخزنة ، لكن هذا ليس دقيقًا تمامًا حيث يمكن أيضًا اعتبار الطاقة الحركية على أنها طاقة مخزنة لأنها لا تزال محتواة داخل الجسم الذي يتحرك. الأنواع الرئيسية للطاقة الكامنة هي:
الطاقة الكامنة المرنة، وهي طاقة على شكل تشوه لجسم مثل الزنبرك. عندما تضغط أو تمتد زنبركًا إلى ما وراء وضع التوازن (السكون) ، فسيكون له طاقة وضع مرنة. عندما يتم إطلاق هذا الربيع ، ستتحول هذه الطاقة الكامنة المرنة إلى طاقة حركية.
في حالة وجود كتلة معلقة من زنبرك يتم شدها وتحريرها بعد ذلك ، فإن الكتلة سوف تتأرجح لأعلى ولأسفل عندما تصبح الطاقة الكامنة المرنة الطاقة الحركية ، ثم يتم تحويلها مرة أخرى إلى الإمكانات وما إلى ذلك (مع تغيير بعض الطاقة الميكانيكية إلى أشكال غير ميكانيكية بسبب احتكاك.)
تُعطى معادلة الطاقة الكامنة المخزنة في الربيع من خلال:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
أينكهل ثابت الربيع و Δx هو الإزاحة من التوازن.
طاقة الجاذبية الكامنةهي الطاقة الناتجة عن موضع الجسم في مجال الجاذبية. عندما يتم إطلاق جسم في مثل هذا المجال ، فإنه سوف يتسارع ، وتتحول تلك الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية.
طاقة وضع الجاذبية لجسم ذي كتلةمبالقرب من سطح الأرض من خلال:
PE_ {grav} = mgh
أينزهل ثابت الجاذبية 9.8 م / ث2، وحهو الارتفاع فوق مستوى سطح الأرض.
على غرار طاقة الجاذبية الكامنة ،طاقة الوضع الكهربائيهي نتيجة الأجسام ذات الشحنة الموضوعة في مجال كهربائي. إذا تم إطلاقها في هذا المجال ، فسوف تتسارع على طول خطوط المجال تمامًا كما تفعل كتلة ساقطة ، وستتحول طاقة وضعهم الكهربائي إلى طاقة حركية.
صيغة طاقة الوضع الكهربي هي الشحنة النقطيةفمسافةصمن نقطة تهمةساعطي من قبل:
PE_ {elec، \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
أينكهو ثابت كولوم 8.99 × 109 نانومتر2/ ج2.
من المحتمل أن تكون على دراية بالمصطلحالجهد االكهربى، والتي تشير إلى كمية تسمىالجهد الكهربائي. طاقة الوضع الكهربائي لشحنة مافيمكن العثور عليها من الجهد الكهربائي (الجهد ،الخامس) بواسطة المتابعة:
PE_q = qV
طاقة الوضع الكيميائيهي الطاقة المخزنة في الروابط الكيميائية وترتيبات الذرات. يمكن تحويل هذه الطاقة إلى أشكال أخرى أثناء التفاعلات الكيميائية. النار مثال على ذلك - عندما تحترق النار ، تتحول الطاقة الكامنة في الروابط الكيميائية للمادة المحترقة إلى حرارة وطاقة مشعة. عندما تأكل الطعام ، تقوم العمليات في جسمك بتحويل الطاقة الكيميائية إلى الطاقة التي يحتاجها جسمك للبقاء على قيد الحياة وأداء جميع مهام الحياة الأساسية.
الطاقة النووية الكامنةهي الطاقة في نواة الذرة. عندما تقوم النوكليونات (البروتونات والنيوترونات) داخل النواة بإعادة ترتيب نفسها عن طريق الجمع أو التفكك أو التغيير من واحد إلى آخر (إما من خلال الاندماج أو الانشطار أو الاضمحلال) يتم تحويل الطاقة الكامنة النووية أو صدر.
الشهير E = mc2 تصف المعادلة كمية الطاقة ،ه، التي تم إطلاقها خلال هذه العمليات من حيث الكتلةموسرعة الضوءج. يمكن أن تنتهي النوى بكتلة إجمالية أقل بعد الاضمحلال أو الاندماج ، وهذا الفرق في الكتلة مباشرة يترجم إلى كمية الطاقة النووية الكامنة التي يتم تحويلها إلى أشكال أخرى ، مثل المشعة و حراري.
أنواع الطاقة الحركية
الطاقة الحركية هي الطاقة للحركة. في حين أن الجسم الذي يحتوي على طاقة كامنة لديه القدرة على الحركة ، فإن الجسم ذو الطاقة الحركية يخضع للحركة. الأنواع الرئيسية للطاقة الحركية هي:
الطاقة الحركية الميكانيكية، وهي الطاقة الحركية لجسم عياني للكتلةمتتحرك بسرعةالخامس. يتم إعطاؤه بواسطة الصيغة:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
نصائح
بالنسبة لجسم يسقط بسبب الجاذبية ، فإن الحفاظ على الطاقة الميكانيكية يسمح لنا بتحديد سرعته أثناء سقوطه دون استخدام معادلات التسارع الثابتة القياسية للحركة. ما عليك سوى تحديد إجمالي الطاقة الميكانيكية قبل أن يبدأ الجسم في السقوط (mgh) ، وعند أي ارتفاع ، يجب أن يساوي الفرق في الطاقة الكامنة 1/2mv2. بمجرد أن تعرف الطاقة الحركية ، يمكنك حلهاالخامس.
طاقة حرارية، والمعروفة أيضًا باسم الطاقة الحرارية ، هي نتيجة اهتزاز الجزيئات في مادة ما. كلما تحركت الجزيئات بشكل أسرع ، زادت الطاقة الحرارية وزادت حرارة الجسم. كلما كانت الحركة أبطأ ، كان الجسم أكثر برودة. في الحد الذي تتوقف فيه جميع الحركة ، تكون درجة حرارة الجسم تساوي صفرًا مطلقًا بوحدة كلفن.
درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية الانتقالية لكل جزيء. يتم الحصول على الطاقة الحرارية للغاز الأحادي المثالي من خلال الصيغة:
E_ {Thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
أيننهو عدد الذرات ،تيهي درجة الحرارة في كلفن ، وكبهل ثابت بولتزمان 1.381 × 10-23 ي / ك.
ظاهريًا ، يمكن فهم هذا على أنه نفس النوع من الطاقة الحركية الميكانيكية. إنها نتيجة حركة الأجسام (الجزيئات في هذه الحالة) فعليًا بسرعة معينة. لكن كل هذه الحركة تحدث على نطاق مجهري داخل جسم أكبر ، لذلك من المنطقي معالجتها بشكل مختلف - خاصة لأنه من المستحيل حساب حركة كل جزيء مميز بداخله شيئا ما!
لاحظ أيضًا أنه ليس من المنطقي الخلط بين هذا وبين الطاقة الحركية الميكانيكية لأن هذه الطاقة ليست كذلك تتحول ببساطة إلى طاقة كامنة بنفس الطريقة التي تتحول بها الطاقة الحركية للكرة التي تُلقى في الهواء هو.
طاقة الأمواجويبدوتشكل نوعًا إضافيًا من الطاقة الحركية ، وهي الطاقة المرتبطة بحركة الموجة. مع الموجة ، ينتقل الاضطراب عبر وسيط. أي نقطة في هذا الوسط سوف تتأرجح في مكانها مع مرور الموجة - إما بمحاذاة اتجاه الحركة (أموجه طويلة) أو عموديًا عليها (أموجة عرضية) ، مثل ما يُرى بموجة على سلسلة.
بينما تتأرجح النقاط في الوسط في مكانها ، ينتقل الاضطراب نفسه من مكان إلى آخر. هذا شكل من أشكال الطاقة الحركية لأنه ناتج عن تحرك مادة فيزيائية.
عادة ما تتناسب الطاقة المرتبطة بالموجة بشكل مباشر مع مربع سعة الموجة. ومع ذلك ، فإن العلاقة الدقيقة تعتمد على نوع الموجة والوسيط الذي تنتقل عبره.
أحد أنواع الموجات هو الموجة الصوتية ، وهي موجة طولية. أي أنه ينتج عن الضغط (المناطق التي يتم فيها ضغط الوسيط) والخلخلة (المناطق التي يكون فيها الوسط أقل ضغطًا) في الهواء أو أي مادة أخرى بشكل شائع.
طاقة مشعةترتبط بطاقة الأمواج ، لكنها ليست متماثلة تمامًا. هذه طاقة في شكل إشعاع كهرومغناطيسي. قد تكون أكثر دراية بالضوء المرئي ، ولكن هذه الطاقة تأتي في أنواع لا يمكننا رؤيتها أيضًا ، مثل موجات الراديو ، والميكروويف ، والأشعة تحت الحمراء ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما. إنها طاقة تحملها الفوتونات - جسيمات الضوء. يُقال أن الفوتونات تُظهر ازدواجية جسيم / موجة ، مما يعني أنها تتصرف مثل الموجة والجسيم.
تختلف الطاقة المشعة عن الموجات العادية بطريقة حرجة للغاية: فهي لا تتطلب وسيطًا للسفر عبره. وبسبب هذا ، يمكنها السفر عبر فراغ الفضاء. تنتقل جميع الإشعاعات الكهرومغناطيسية بسرعة الضوء (أسرع سرعة في الكون!) في فراغ.
لاحظ أن الفوتون ليس له كتلة ، لذلك لا يمكننا ببساطة استخدام معادلة الطاقة الحركية الميكانيكية لتحديد الطاقة الحركية المصاحبة. بدلاً من ذلك ، تُعطى الطاقة المرتبطة بالإشعاع الكهرومغناطيسي بواسطة E = hf ، حيثFهو التردد وحهو ثابت بلانك 6.626 × 10-34 شبيبة.
الطاقة الكهربائية: الطاقة الحركية المرتبطة بالشحنة المتحركة هي نفس الطاقة الحركية الميكانيكية 1 / 2mv2; ومع ذلك ، فإن الشحنة المتحركة تولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا. هذا المجال المغناطيسي ، مثله مثل مجال الجاذبية أو المجال الكهربائي ، لديه القدرة على نقل الطاقة الكامنة إلى أي شيء يمكن أن "يشعر به" - مثل المغناطيس أو أي شحنة متحركة أخرى.
تحولات الطاقة
يتم الحفاظ على الطاقة الكلية للنظام المغلق. أي أن المبلغ الإجمالي ، في جميع الأشكال ، يظل ثابتًا حتى إذا تم نقله بين الكائنات في النظام أو قام بتغيير الشكل أو النوع.
وخير مثال على ذلك هو ما يحدث للطاقة الحركية والجهدية والإجمالية للكرة التي يتم رميها في الهواء. لنفترض أن كرة تزن 0.5 كجم تم إطلاقها لأعلى من مستوى الأرض بسرعة ابتدائية تبلغ 20 م / ث. يمكننا استخدام المعادلات الحركية التالية لتحديد ارتفاع وسرعة الكرة في كل ثانية من رحلتها:
v_f = v_i + at = 20 \ text {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} في ^ 2 = (20 \ text {m / s}) t- \ frac { ز} {2} ر ^ 2
إذا كنا تقريبيز10 م / ث2نحصل على النتائج الموضحة في الجدول التالي:
الآن دعونا ننظر إليها من منظور الطاقة. لكل ثانية من السفر ، يمكننا حساب الطاقة الكامنة باستخدامmghوالطاقة الحركية باستخدام 1 / 2mv2. مجموع الطاقة هو مجموع الاثنين. بإضافة أعمدة إلى طاولتنا للطاقة الكامنة والحركية والإجمالية ، نحصل على:
•••غ
كما ترى ، في بداية مسارها ، تكون كل طاقة الكرة حركية. مع ارتفاعه ، تنخفض سرعته ويزداد ارتفاعه ، وتتحول الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة. عندما تكون في أعلى نقطة لها ، فإن كل الحركية الأولية قد تحولت إلى جهد ، ثم تنعكس العملية نفسها عندما تتراجع إلى أسفل. خلال المسار بأكمله ، ظلت الطاقة الإجمالية ثابتة.
إذا تضمن مثالنا الاحتكاك أو قوى تبديد أخرى ، فعندئذٍ ، بينما ستظل الطاقة الكلية محفوظة ، فإن إجمالي الطاقة الميكانيكية لن يحدث. إجمالي الطاقة الميكانيكية يساوي الفرق بين إجمالي الطاقة والطاقة التي تحولت إلى أنواع أخرى ، مثل الطاقة الحرارية أو الصوتية.