Kinetická a potenciální energie: Jaký je rozdíl? (s příklady)

Existují dvě hlavní formy energie: kinetická energie a potenciální energie.Kinetická energieje energie pohybu předmětu nebo částice apotenciální energieje energie spojená s polohou předmětu nebo částice.

Někdy se kinetická a potenciální energie spojená s mechanickými procesy makroskopického objektu souhrnně označuje jakomechanická energiea vyloučit formy energie spojené s tepelnými, chemickými a atomovými procesy.

Základní fyzikální zákon spočívá v zachování celkové energie v uzavřeném systému. Toto se označuje jakozákon zachování energie. To znamená, že zatímco energie může měnit formu nebo se přenášet z jednoho objektu do druhého, celkové množství vždy zůstane konstantní v systému, který je dokonale izolován od svého okolí.

Pro zjednodušení výpočtů v mnoha úvodních fyzikálních problémech se často předpokládá tření a další disipativní síly jsou zanedbatelné, což vede k tomu, že celková mechanická energie uzavřeného systému je samostatně konzervovaný.

Mechanická energie může být přeměněna na tepelnou a jiné druhy energie, když je přítomno tření, a může být obtížné získat jakoukoli tepelnou energii, aby se změnila zpět na mechanickou energii (A je nemožné to udělat úplně.) Proto se o mechanické energii často mluví jako o samostatné konzervované veličině, ale opět je zachována pouze tehdy, když neexistuje tření.

Jednotkou SI pro energii je joule (J), kde 1 joule = 1 newton × 1 metr.

Potenciální energie je energie způsobená polohou nebo uspořádáním předmětu nebo částice. Někdy se to popisuje jako akumulovaná energie, ale to není zcela přesné, protože kinetickou energii lze také považovat za akumulovanou energii, protože je stále obsažena v objektu, který se pohybuje. Hlavní typy potenciální energie jsou:

​Elastická potenciální energie, což je energie ve formě deformace předmětu, jako je pružina. Když stlačíte nebo natáhnete pružinu za její rovnovážnou (klidovou) polohu, bude mít pružnou potenciální energii. Po uvolnění této pružiny se tato elastická potenciální energie přemění na energii kinetickou.

V případě hmoty zavěšené na pružině, která se poté natáhne a uvolní, bude hmota kmitat nahoru a dolů, jakmile se stane elastická potenciální energie kinetická energie, poté se transformuje zpět na potenciál a tak dále (přičemž se část mechanické energie mění na nemechanické formy v důsledku tření.)

Rovnice pro potenciální energii uloženou v pružině je dána vztahem:

Kdekje pružinová konstanta a Δx je posunutí z rovnováhy.

​Gravitační potenciální energieje energie způsobená polohou objektu v gravitačním poli. Když se objekt v takovém poli uvolní, zrychlí se a tato potenciální energie se přemění na energii kinetickou.

Gravitační potenciální energie pro objekt hmotnostimblízko povrchu Země je dán vztahem:

KdeGje gravitační konstanta 9,8 m / s², ahje výška nad úrovní terénu.

Podobně jako gravitační potenciální energie,elektrická potenciální energieje výsledkem umístění předmětů s nábojem v elektrickém poli. Pokud se uvolní v tomto poli, budou akcelerovat podél siločar, stejně jako klesající hmota, a jejich elektrická potenciální energie se přemění na kinetickou energii.

Vzorec pro elektrickou potenciální energii má bodový nábojqvzdálenostrz bodového nábojeQdarováno:

Kdekje Coulombova konstanta 8,99 × 10⁹ Nm²/C².

Pravděpodobně jste obeznámeni s tímto výrazemNapětí, který odkazuje na volané množstvíelektrický potenciál. Elektrická potenciální energie nábojeqlze zjistit z elektrického potenciálu (napětí,PROTI) tímto:

​Chemická potenciální energieje energie uložená v chemických vazbách a uspořádáních atomů. Tato energie může být během chemických reakcí přeměněna na jiné formy. Příkladem toho je oheň - jak oheň hoří, potenciální energie v chemických vazbách hořícího materiálu se transformuje na teplo a sálavou energii. Když jíte jídlo, procesy ve vašem těle přeměňují chemickou energii na energii, kterou vaše tělo potřebuje, aby zůstalo naživu a plnilo všechny základní životní úkoly.

​Jaderná potenciální energieje energie v atomovém jádru. Když se nukleony (protony a neutrony) uvnitř jádra přeskupí kombinací, rozpadem nebo změna z jednoho na druhý (buď fúzí, štěpením nebo rozpadem) se transformuje jaderná potenciální energie nebo propuštěn.

Slavný E = mc² rovnice popisuje množství energie,E, uvolněné během těchto procesů z hlediska hmotnostima rychlost světlaC. Jádra mohou po rozpadu nebo fúzi skončit s nižší celkovou hmotou a tento hmotnostní rozdíl přímo převádí na množství jaderné potenciální energie, které se přemění na jiné formy, jako je radiační a tepelný.

Kinetická energie je energie pohybu. Zatímco objekt s potenciální energií má potenciál k pohybu, objekt s kinetickou energií prochází pohybem. Hlavní typy kinetické energie jsou:

​Mechanická kinetická energie, což je kinetická energie makroskopického objektu hmotympohybující se rychlostíproti. Je to dáno vzorcem:

• U objektu padajícího v důsledku gravitace nám zachování mechanické energie umožňuje určit jeho rychlost při pádu bez použití standardních pohybových rovnic konstantního zrychlení. Jednoduše určete celkovou mechanickou energii předtím, než objekt začne padat (mgh), a potom v jakékoli výšce musí být rozdíl v potenciální energii roven 1 / 2mv². Jakmile znáte kinetickou energii, můžete ji vyřešitproti​.

​Termální energie, známá také jako tepelná energie, je výsledkem vibrací molekul v látce. Čím rychleji se molekuly pohybují, tím větší je tepelná energie a tím je předmět teplejší. Čím pomalejší pohyb, tím chladnější objekt. V limitu, kde se zastaví veškerý pohyb, je teplota objektu absolutní 0 v jednotkách Kelvina.

Teplota je měřítkem průměrné translační kinetické energie na molekulu. Tepelná energie ideálního monatomického plynu je dána vzorcem:

KdeNje počet atomů,Tje teplota v Kelvinech ak_Bje Boltzmannova konstanta 1,381 × 10^-23 J / K.

Na povrchu to lze chápat jako stejný druh věci, jakou je mechanická kinetická energie. Je to výsledek objektů (v tomto případě molekul), které se fyzicky pohybují určitou rychlostí. Ale tento pohyb se odehrává v mikroskopickém měřítku ve větším objektu, takže má smysl s ním zacházet jinak - zejména proto, že je nemožné vysvětlit pohyb každé odlišné molekuly uvnitř něco!

Všimněte si také, že nemá smysl zaměňovat to s mechanickou kinetickou energií, protože to tak není jednoduše přeměněna na potenciální energii stejným způsobem jako kinetická energie míče hozeného do vzduchu je.

​Vlnová energieazvuktvoří další typ kinetické energie, což je energie spojená s vlnovým pohybem. S vlnou naruší porucha médium. Jakýkoli bod v tomto médiu bude kmitat na místě, když vlna prochází - buď zarovnaný se směrem pohybu (apodélná vlna) nebo kolmo na něj (apříčná vlna), jak je vidět s vlnou na provázku.

Zatímco body v médiu oscilují na místě, samotná porucha se šíří z jednoho místa na druhé. Toto je forma kinetické energie, protože je výsledkem pohybu fyzického materiálu.

Energie spojená s vlnou je obvykle přímo úměrná druhé mocnině amplitudy vlny. Přesný vztah však závisí na typu vlny a médiu, kterým prochází.

Jedním typem vlny je zvuková vlna, což je podélná vlna. To znamená, že je výsledkem stlačení (oblasti, ve kterých je médium stlačeno) a vzácných funkcí (oblastí, ve kterých je médium méně stlačeno) ve vzduchu nebo jiném materiálu.

​Zářivá energiesouvisí s vlnovou energií, ale není to úplně stejné. Jedná se o energii ve formě elektromagnetického záření. Možná dobře znáte viditelné světlo, ale tato energie přichází v typech, které také nevidíme, jako jsou rádiové vlny, mikrovlny, infračervené, ultrafialové, rentgenové a gama paprsky. Je to energie nesená fotony - částicemi světla. O fotonech se říká, že vykazují dualitu částice / vlna, což znamená, že působí jak jako vlna, tak jako částice.

Sálavá energie se od běžných vln liší velmi kritickým způsobem: nevyžaduje médium, kterým by mohla cestovat. Z tohoto důvodu může cestovat vakuem vesmíru. Veškeré elektromagnetické záření se pohybuje rychlostí světla (nejvyšší rychlost ve vesmíru!) Ve vakuu.

Foton nemá hmotnost, takže nemůžeme jednoduše použít rovnici mechanické kinetické energie k určení související kinetické energie. Místo toho je energie spojená s elektromagnetickým zářením dána vztahem E = hf, kdeFje frekvence ahje Planckova konstanta 6 626 × 10^-34 Js.

​Elektrická energie: Kinetická energie spojená s pohyblivým nábojem je stejná mechanická kinetická energie 1 / 2mv²; pohybující se náboj však také generuje magnetické pole. Toto magnetické pole, stejně jako gravitační nebo elektrické pole, má schopnost předávat potenciální energii všemu, co ji může „cítit“ - například magnetu nebo jinému pohybujícímu se náboji.

Celková energie uzavřeného systému je zachována. To znamená, že celková částka ve všech formách zůstává konstantní, i když je přenášena mezi objekty v systému nebo mění formu nebo typ.

Ukázkovým příkladem toho je to, co se stane s kinetickou, potenciální a celkovou energií koule vyhozené do vzduchu. Předpokládejme, že 0,5 kg míč vystřelí vzhůru od úrovně země počáteční rychlostí 20 m / s. Můžeme použít následující kinematické rovnice k určení výšky a rychlosti koule v každé sekundě jejího pohybu:

Pokud se přiblížímeGjako 10 m / s², dostaneme výsledky uvedené v následující tabulce:

Nyní se na to podívejme z energetické perspektivy. Pro každou sekundu cesty můžeme vypočítat potenciální energii pomocímgha kinetická energie s využitím 1 / 2mv². Celková energie je součtem těchto dvou. Přidáním sloupců do naší tabulky pro potenciální, kinetickou a celkovou energii získáme:

•••na

Jak vidíte, na začátku jeho dráhy je veškerá energie míče kinetická. Jak stoupá, jeho rychlost klesá a zvyšuje se výška a kinetická energie se transformuje na potenciální energii. Když je v nejvyšším bodě, veškerá počáteční kinetika se změnila na potenciál a poté se proces obrátí, když spadne zpět dolů. Během celé dráhy zůstala celková energie konstantní.

Pokud by náš příklad zahrnoval tření nebo jiné disipativní síly, pak by celková energie zůstala zachována, celková mechanická energie by ne. Celková mechanická energie by se rovnala rozdílu mezi celkovou energií a energií, která se transformovala na jiné typy, jako je tepelná nebo zvuková energie.