To hovedformer af energi findes: kinetisk energi og potentiel energi.Kinetisk energier bevægelsesenergien for et objekt eller en partikel, ogpotentiel energier den energi, der er forbundet med placeringen af et objekt eller en partikel.
Undertiden kaldes den kinetiske og potentielle energi forbundet med mekaniske processer i et makroskopisk objekt samlet sommekanisk energiog udelukke energiformer forbundet med termiske, kemiske og atomare processer.
Det er en grundlæggende fysiklov, at den samlede energi i et lukket system bevares. Dette kaldesloven om bevarelse af energi. Det vil sige, at mens energi kan ændre form eller overføre fra et objekt til et andet, vil den samlede mængde altid forblive konstant i et system, der er perfekt isoleret fra dets omgivelser.
For at forenkle beregninger i mange indledende fysikproblemer antages det ofte, at friktion og andet spredende kræfter er ubetydelige, hvilket resulterer i, at den lukkede systems samlede mekaniske energi er separat bevaret.
Mekanisk energi kan omdannes til termisk energi og andre typer energi, når friktion er til stede, og det kan være svært at få nogen termisk energi til at vende tilbage til mekanisk energi (og umuligt at få det til at gøre det helt.) Dette er grunden til, at man ofte taler om mekanisk energi som en separat konserveret mængde, men igen bevares den kun, når der ikke er nogen friktion.
SI-enheden for energi er joule (J), hvor 1 joule = 1 newton × 1 meter.
Typer af potentiel energi
Potentiel energi er energi på grund af et objekt eller en partikels position eller arrangement. Det beskrives undertiden som lagret energi, men dette er ikke helt nøjagtigt, da kinetisk energi også kan betragtes som lagret energi, fordi den stadig er indeholdt i objektet, der bevæger sig. Hovedtyperne af potentiel energi er:
Elastisk potentiel energi, som er energi i form af deformation af et objekt såsom en fjeder. Når du komprimerer eller strækker en fjeder ud over dens ligevægt (hvileposition), vil den have elastisk potentiel energi. Når dette forår frigives, vil denne elastiske potentielle energi transformere til kinetisk energi.
I tilfælde af en masse ophængt fra en fjeder, der derefter strækkes og frigives, vil massen svinge op og ned, når elastisk potentiel energi bliver kinetisk energi transformeres derefter tilbage til potentialet og så videre (hvor noget af den mekaniske energi ændres til ikke-mekaniske former på grund af friktion.)
Ligningen for den potentielle energi lagret i en fjeder er givet ved:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Hvorker fjederkonstanten og Δx er forskydningen fra ligevægt.
Gravitationspotentiel energier energien på grund af et objekts position i et tyngdefelt. Når et objekt i et sådant felt frigives, vil det accelerere, og den potentielle energi vil transformere til kinetisk energi.
Gravitationspotentialenergien for et objekt med massemnær jordens overflade er givet af:
PE_ {grav} = mgh
Hvorger tyngdekonstanten 9,8 m / s2ogher højden over jordoverfladen.
Svarende til gravitationel potentiel energi,elektrisk potentiel energier resultatet af genstande med ladning, der er placeret i et elektrisk felt. Hvis de frigives i dette felt, vil de accelerere langs feltlinjerne ligesom en faldende masse gør, og deres elektriske potentielle energi vil transformere til kinetisk energi.
Formlen for elektrisk potentiel energi har en punktladningqen afstandrfra punktafgiftSpørgsmåler givet af:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Hvorker Coulombs konstante 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Du er sandsynligvis bekendt med udtrykketspænding, der henviser til en kaldet mængdeelektrisk potentiale. Den elektriske potentielle energi af en ladningqkan findes fra det elektriske potentiale (spænding,V) af følgende:
PE_q = qV
Kemisk potentiel energier energi lagret i kemiske bindinger og atomer. Denne energi kan omdannes til andre former under kemiske reaktioner. En brand er et eksempel på dette - når ilden brænder, omdannes potentiel energi i de kemiske bindinger af det brændende materiale til varme og strålingsenergi. Når du spiser mad, omdanner processer i din krop kemisk energi til den energi, din krop har brug for for at holde sig i live og udføre alle basale opgaver ved at leve.
Kerneenergipotentialeer energi i en atomkerne. Når nukleoner (protoner og neutroner) inde i en kerne omarrangerer sig ved at kombinere, bryde fra hinanden eller skifter fra den ene til den anden (enten gennem fusion, fission eller henfald) transformeres atomkraftenergi eller frigivet.
Den berømte E = mc2 ligning beskriver mængden af energi,Efrigivet under sådanne processer med hensyn til massenmog lysets hastighedc. Kerner kan ende med lavere total masse efter henfald eller fusion, og denne masseforskel direkte oversættes til den mængde nuklear potentiel energi, der konverteres til andre former, såsom strålende og termisk.
Typer af kinetisk energi
Kinetisk energi er bevægelsesenergien. Mens et objekt med potentiel energi har potentialet til at bevæge sig, gennemgår et objekt med kinetisk energi bevægelse. Hovedtyperne af kinetisk energi er:
Mekanisk kinetisk energi, som er den kinetiske energi af et makroskopisk objekt af massembevæger sig med hastighedv. Det er givet ved formlen:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Tips
For et objekt, der falder på grund af tyngdekraften, giver bevarelsen af mekanisk energi os mulighed for at bestemme dens hastighed, når den falder uden at bruge de faste konstante accelerationsligninger for bevægelse. Du skal blot bestemme den samlede mekaniske energi inden objektet begynder at falde (mgh), og i hvilken højde den end er, skal forskellen i potentiel energi være lig med 1 / 2mv2. Når du kender kinetisk energi, kan du løse detv.
Termisk energi, også kendt som varmeenergi, er resultatet af molekylerne i et stof, der vibrerer. Jo hurtigere molekylerne bevæger sig, jo større er den termiske energi og jo varmere objektet. Jo langsommere bevægelse, jo koldere er objektet. I grænsen, hvor al bevægelse stopper, er objektets temperatur absolut 0 i enheder af Kelvin.
Temperatur er et mål for den gennemsnitlige translationelle kinetiske energi pr. Molekyle. Den termiske energi af en ideel monatomisk gas er givet med formlen:
E_ {termisk} = \ frac {3} {2} Nk_BT
HvorNer antallet af atomer,Ter temperaturen i Kelvin, ogkBer Boltzmanns konstante 1.381 × 10-23 J / K.
På overfladen kan dette forstås som den samme slags ting som mekanisk kinetisk energi er. Det er resultatet af objekter (molekyler i dette tilfælde), der fysisk bevæger sig med en bestemt hastighed. Men denne bevægelse sker alt sammen i den mikroskopiske skala inden for et større objekt, så det giver mening at behandle det forskelligt - især fordi det er umuligt at redegøre for bevægelsen af hvert enkelt molekyle inde i noget!
Bemærk også, at det ikke giver mening at forveksle dette med mekanisk kinetisk energi, da denne energi ikke er det simpelthen transformeret til potentiel energi på samme måde den kinetiske energi fra en kugle, der kastes i luften er.
Bølgeenergioglyddanner en yderligere type kinetisk energi, som er energien forbundet med bølgebevægelse. Med en bølge bevæger en forstyrrelse sig gennem et medium. Ethvert punkt i dette medium vil svinge på plads, når bølgen passerer igennem - enten på linje med bevægelsesretningen (alangsgående bølge) eller vinkelret på den (atværgående bølge), som det ses med en bølge på en streng.
Mens punkterne i mediet svinger på plads, bevæger selve forstyrrelsen sig fra et sted til et andet. Dette er en form for kinetisk energi, fordi det er resultatet af et fysisk materiale, der bevæger sig.
Energien forbundet med en bølge er typisk direkte proportional med kvadratet af bølgens amplitude. Det nøjagtige forhold afhænger dog af bølgetypen og mediet, gennem hvilket det bevæger sig.
En bølgetype er en lydbølge, som er en langsgående bølge. Det vil sige, det skyldes kompressioner (regioner, hvor mediet er komprimeret) og sjældne reaktioner (regioner, hvor mediet er mindre komprimeret) i, oftest, luft eller et andet materiale.
Strålende energier relateret til bølgeenergi, men det er ikke helt det samme. Dette er energi i form af elektromagnetisk stråling. Du er måske mest fortrolig med synligt lys, men denne energi kommer i typer, som vi ikke kan se så godt, såsom radiobølger, mikrobølger, infrarød, ultraviolet, røntgenstråler og gammastråler. Det er energi, der bæres af fotoner - lyspartikler. Fotoner siges at udvise partikel / bølgedualitet, hvilket betyder at de fungerer både som en bølge og en partikel.
Strålingsenergi adskiller sig fra almindelige bølger på en meget kritisk måde: Det kræver ikke et medium at rejse igennem. På grund af dette kan den rejse gennem rumets vakuum. Al elektromagnetisk stråling bevæger sig med lysets hastighed (den hurtigste hastighed i universet!) I et vakuum.
Bemærk, at fotonet ikke har masse, så vi kan ikke bare bruge den mekaniske kinetiske energiligning til at bestemme den tilknyttede kinetiske energi. I stedet for er energien forbundet med elektromagnetisk stråling givet af E = hf, hvorfer frekvens ogher Plancks konstante 6.626 × 10-34 Js.
Elektrisk energi: Den kinetiske energi forbundet med en bevægelig ladning er den samme mekaniske kinetiske energi 1 / 2mv2; dog genererer en bevægelig ladning også et magnetfelt. Dette magnetfelt har, ligesom et tyngdekraft- eller elektrisk felt, evnen til at give potentiel energi til alt, hvad der kan "mærke" det - såsom en magnet eller en anden bevægende ladning.
Energitransformationer
Den samlede energi i et lukket system er bevaret. Det vil sige, at den samlede mængde i alle former forbliver konstant, selvom den overføres mellem objekter i systemet eller ændrer form eller type.
Et godt eksempel på dette er, hvad der sker med den kinetiske, potentielle og samlede energi af en kugle, der kastes i luften. Antag, at en 0,5 kg kugle bliver lanceret opad fra jordoverfladen med en indledende hastighed på 20 m / s. Vi kan bruge følgende kinematiske ligninger til at bestemme kuglens højde og hastighed ved hvert sekund af dens rejse:
v_f = v_i + ved = 20 \ tekst {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} ved ^ 2 = (20 \ tekst {m / s}) t- \ frac { g} {2} t ^ 2
Hvis vi omtrentligegsom 10 m / s2, vi får resultaterne vist i følgende tabel:
Lad os nu se på det fra et energiperspektiv. For hvert sekund af rejsen kan vi beregne den potentielle energi ved hjælp afmghog den kinetiske energi ved hjælp af 1 / 2mv2. Den samlede energi er summen af de to. Ved at tilføje kolonner til vores tabel for potentiel, kinetisk og total energi får vi:
•••na
Som du kan se, er kuglens energi i starten af dens sti kinetisk. Når den stiger, falder dens hastighed, og højden øges, og kinetisk energi omdannes til potentiel energi. Når det er på sit højeste punkt, er al den oprindelige kinetik forvandlet til potentiale, og derefter vender processen sig, når den falder ned igen. I løbet af hele stien forblev den samlede energi konstant.
Hvis vores eksempel havde inkluderet friktion eller andre dissipative kræfter, ville den samlede mekaniske energi ikke, mens den samlede energi stadig ville blive bevaret. Den samlede mekaniske energi ville svare til forskellen mellem den samlede energi og den energi, der transformerede til andre typer, såsom termisk eller lydenergi.
