Съществуват две основни форми на енергия: кинетична енергия и потенциална енергия.Кинетична енергияе енергията на движение на обект или частица ипотенциална енергияе енергията, свързана с позицията на обект или частица.
Понякога кинетичната и потенциалната енергия, свързани с механични процеси на макроскопичен обект, се наричат колективно катомеханична енергияи изключват форми на енергия, свързани с термични, химични и атомни процеси.
Основният закон на физиката е, че общата енергия в затворена система се запазва. Това е посочено катозаконът за запазване на енергията. Тоест, докато енергията може да промени формата или да се прехвърли от един обект на друг, общото количество винаги ще остане постоянно в система, която е перфектно изолирана от заобикалящата я среда.
За да се опростят изчисленията в много уводни физически проблеми, често се приема, че триенето и други дисипативните сили са незначителни, което води до отделната обща механична енергия на затворена система консервирани.
Механичната енергия може да се преобразува в топлинна и други видове енергия, когато има триене, и може да бъде трудно да се получи каквато и да е топлинна енергия, която да се превърне обратно в механична енергия (и е невъзможно да го накарате да го направи изцяло.) Ето защо често се говори за механична енергия като за отделно запазено количество, но отново се запазва само когато няма триене.
Единицата за енергия на SI е джаулът (J), където 1 джаул = 1 нютон × 1 метър.
Видове потенциална енергия
Потенциалната енергия е енергия, дължаща се на положението или разположението на обект или частица. Понякога се описва като съхранена енергия, но това не е съвсем точно, тъй като кинетичната енергия може да се разглежда и като съхранена енергия, тъй като тя все още се съдържа в обекта, който се движи. Основните видове потенциална енергия са:
Еластична потенциална енергия, което е енергия под формата на деформация на обект като пружина. Когато компресирате или разтегнете пружина отвъд нейното равновесно (покойно) положение, тя ще има еластична потенциална енергия. Когато тази пружина бъде освободена, тази еластична потенциална енергия ще се трансформира в кинетична енергия.
В случай на маса, окачена на пружина, която след това се разтяга и освобождава, масата ще трепне нагоре и надолу, когато еластичната потенциална енергия стане кинетична енергия, след това се трансформира обратно в потенциал и т.н. (като част от механичната енергия се променя в немеханични форми поради триене.)
Уравнението за потенциалната енергия, съхранявана в пружина, се дава от:
PE_ {пружина} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Къдетоке пролетната константа и Δx е изместването от равновесието.
Гравитационна потенциална енергияе енергията, дължаща се на положението на обекта в гравитационно поле. Когато обект в такова поле бъде освободен, той ще се ускори и тази потенциална енергия ще се трансформира в кинетична енергия.
Гравитационната потенциална енергия за обект на масамблизо до повърхността на Земята се дава от:
PE_ {гравиране} = mgh
Къдетоже гравитационната константа 9,8 m / s2, изе височината над нивото на земята.
Подобно на гравитационната потенциална енергия,електрическа потенциална енергияе резултат от позициониране на обекти с заряд в електрическо поле. Ако бъдат освободени в това поле, те ще се ускорят по линиите на полето, точно както падащата маса, и тяхната електрическа потенциална енергия ще се трансформира в кинетична енергия.
Формулата за електрическа потенциална енергия е с точков зарядqразстояниеrот точково зарежданеВъпрос:се дава от:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} заряд} = \ frac {kqQ} {r}
Къдетоке константата на Кулон 8,99 × 109 Нм2/° С2.
Вероятно сте запознати с терминаволтаж, което се отнася до количество, нареченоелектрически потенциал. Електрическата потенциална енергия на зарядqможе да се намери от електрическия потенциал (напрежение,V) от следното:
PE_q = qV
Химическа потенциална енергияе енергията, съхранявана в химическите връзки и подреждането на атомите. Тази енергия може да се трансформира в други форми по време на химични реакции. Пример за това е пожар - докато огънят гори, потенциалната енергия в химическите връзки на изгарящия материал се трансформира в топлина и лъчиста енергия. Когато ядете храна, процесите в тялото преобразуват химическата енергия в енергията, необходима на тялото ви, за да остане жив и да изпълнява всички основни задачи на живота.
Ядрена потенциална енергияе енергия в атомно ядро. Когато нуклоните (протони и неутрони) вътре в ядрото се пренареждат чрез комбиниране, разпадане или променяйки се от едно към друго (или чрез синтез, делене или разпад) ядрената потенциална енергия се трансформира или освободен.
Известният E = mc2 уравнението описва количеството енергия,Е., освободени по време на такива процеси по отношение на масатами скоростта на светлината° С. Ядрата могат да се окажат с по-ниска обща маса след разпадане или сливане и тази разлика в масата директно се превежда в количеството ядрена потенциална енергия, което се преобразува в други форми, например лъчиста и термична.
Видове кинетична енергия
Кинетичната енергия е енергията на движението. Докато обект с потенциална енергия има потенциал да се движи, обект с кинетична енергия е в движение. Основните видове кинетична енергия са:
Механична кинетична енергия, което е кинетичната енергия на макроскопичен обект на масамдвижещи се със скоростv. Дава се по формулата:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Съвети
За обект, падащ поради гравитацията, запазването на механичната енергия ни позволява да определим неговата скорост при падане, без да използваме стандартните уравнения за постоянно ускорение на движението. Просто определете общата механична енергия, преди обектът да започне да пада (mgh), а след това на каквато и височина да е, разликата в потенциалната енергия трябва да бъде равна на 1 / 2mv2. След като познаете кинетичната енергия, можете да решите заv.
Термална енергия, известен също като топлинна енергия, е резултат от вибрирането на молекулите в веществото. Колкото по-бързо се движат молекулите, толкова по-голяма е топлинната енергия и по-горещ обектът. Колкото по-бавно е движението, толкова по-студен е обектът. В ограничението, където всяко движение спира, температурата на обекта е абсолютна 0 в единици Келвин.
Температурата е мярка за средната транслационна кинетична енергия на молекула. Топлинната енергия на идеалния едноатомен газ се дава по формулата:
E_ {термичен} = \ frac {3} {2} Nk_BT
Къдетоне броят на атомите,Tе температурата в Келвин, икБ.е константата на Болцман 1,381 × 10-23 J / K.
На повърхността това може да се разбере като същото нещо, което е механичната кинетична енергия. Това е резултат от обекти (в този случай молекули), които се движат физически с определена скорост. Но това движение се случва в микроскопичен мащаб в рамките на по-голям обект, така че има смисъл да се третира по различен начин - особено защото е невъзможно да се отчете движението на всяка отделна молекула вътре в нещо!
Имайте предвид също, че няма смисъл да се бърка това с механична кинетична енергия, тъй като тази енергия не е такава просто се трансформира в потенциална енергия по същия начин, както кинетичната енергия на топка, хвърлена във въздуха е.
Вълнова енергияизвукобразуват допълнителен вид кинетична енергия, която е енергията, свързана с вълновото движение. С вълна смущение пътува през среда. Всяка точка в тази среда ще трепне на място при преминаване на вълната - или подравнена с посоката на движение (анадлъжна вълна) или перпендикулярно на него (aнапречна вълна), какъвто се вижда с вълна на низ.
Докато точките в средата трептят на място, самото смущение пътува от едно място на друго. Това е форма на кинетична енергия, защото е резултат от физически материал, който се движи.
Енергията, свързана с вълна, обикновено е право пропорционална на квадрата на амплитудата на вълната. Точната връзка обаче зависи от вида на вълната и средата, през която тя пътува.
Един тип вълна е звукова вълна, която е надлъжна вълна. Тоест, това е резултат от компресии (области, в които средата е компресирана) и разреждания (области, в които средата е по-малко компресирана) във, най-често въздух или друг материал.
Лъчиста енергияе свързано с вълновата енергия, но не е съвсем същото. Това е енергия под формата на електромагнитно излъчване. Може да сте най-добре запознати с видимата светлина, но тази енергия идва от видове, които също не можем да видим, като радиовълни, микровълни, инфрачервени лъчи, ултравиолетови лъчи, рентгенови лъчи и гама лъчи. Това е енергия, носена от фотони - частици светлина. Казва се, че фотоните проявяват двойственост частица / вълна, което означава, че те действат едновременно като вълна и частица.
Лъчистата енергия се различава от редовните вълни по много критичен начин: тя не изисква среда, през която да пътува. Поради това той може да пътува през вакуума на пространството. Всички електромагнитни лъчения се движат със скоростта на светлината (най-бързата скорост във Вселената!) Във вакуум.
Имайте предвид, че фотонът няма маса, така че не можем просто да използваме уравнението на механичната кинетична енергия, за да определим свързаната с него кинетична енергия. Вместо това енергията, свързана с електромагнитното излъчване, се дава от E = hf, къдетоее честота изе константата на Планк 6,626 × 10-34 Js.
Електрическа енергия: Кинетичната енергия, свързана с движещ се заряд, е същата механична кинетична енергия 1 / 2mv2; движещият се заряд обаче генерира и магнитно поле. Това магнитно поле, подобно на гравитационното или електрическото поле, има способността да придава потенциална енергия на всичко, което може да го „усети“ - например магнит или друг движещ се заряд.
Енергийни трансформации
Цялата енергия на затворена система се запазва. Тоест, общата сума във всички форми остава постоянна, дори ако се прехвърля между обекти в системата или променя формата или типа.
Ярък пример за това е какво се случва с кинетичната, потенциалната и общата енергия на топката, хвърлена във въздуха. Да предположим, че 0,5-килограмова топка се изстрелва нагоре от нивото на земята с начална скорост 20 m / s. Можем да използваме следните кинематични уравнения, за да определим височината и скоростта на топката във всяка секунда от нейното движение:
v_f = v_i + at = 20 \ text {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} при ^ 2 = (20 \ text {m / s}) t- \ frac { g} {2} t ^ 2
Ако приближимжкато 10 m / s2, получаваме резултатите, показани в следната таблица:
Сега нека погледнем от енергийна перспектива. За всяка секунда от пътуването можем да изчислим използваната потенциална енергияmghи кинетичната енергия, използваща 1 / 2mv2. Общата енергия е сумата от двете. Добавяйки колони към нашата таблица за потенциална, кинетична и обща енергия, получаваме:
•••na
Както можете да видите, в началото на пътя му цялата енергия на топката е кинетична. Когато се издига, скоростта му намалява и височината се увеличава, а кинетичната енергия се трансформира в потенциална енергия. Когато е в най-високата си точка, цялата първоначална кинетика се е превърнала в потенциал и след това процесът се обръща, когато пада обратно. По време на целия път общата енергия остава постоянна.
Ако нашият пример включваше триене или други дисипативни сили, тогава, докато общата енергия все още ще бъде запазена, общата механична енергия няма. Общата механична енергия би била равна на разликата между общата енергия и енергията, трансформирана в други видове, като топлинна или звукова енергия.
