Es gibt zwei Hauptformen von Energie: kinetische Energie und potentielle Energie.Kinetische Energiedie Bewegungsenergie eines Objekts oder Teilchens ist undpotenzielle Energieist die Energie, die mit der Position eines Objekts oder Teilchens verbunden ist.
Manchmal werden die kinetische und potentielle Energie, die mit mechanischen Prozessen eines makroskopischen Objekts verbunden sind, zusammenfassend als. bezeichnetmechanische Energieund schließen Energieformen aus, die mit thermischen, chemischen und atomaren Prozessen verbunden sind.
Es ist ein grundlegendes Gesetz der Physik, dass die Gesamtenergie in einem geschlossenen System erhalten bleibt. Dies wird als bezeichnetder Energieerhaltungssatz. Das heißt, während Energie ihre Form ändern oder von einem Objekt auf ein anderes übertragen kann, bleibt die Gesamtmenge in einem von seiner Umgebung perfekt isolierten System immer konstant.
Um die Berechnungen in vielen einführenden Physikproblemen zu vereinfachen, wird oft angenommen, dass Reibung und andere dissipative Kräfte sind vernachlässigbar, was dazu führt, dass die gesamte mechanische Energie eines geschlossenen Systems getrennt ist konserviert.
Mechanische Energie kann bei Reibung in thermische und andere Energiearten umgewandelt werden, und es kann schwierig sein, thermische Energie wieder in mechanische Energie umzuwandeln (und es ist unmöglich, dies vollständig zu erreichen.) Aus diesem Grund wird mechanische Energie oft als separate Erhaltungsgröße bezeichnet, aber auch hier bleibt sie nur dann erhalten, wenn keine Reibung.
Die SI-Einheit für Energie ist Joule (J), wobei 1 Joule = 1 Newton × 1 Meter ist.
Arten potentieller Energie
Potentielle Energie ist Energie aufgrund der Position oder Anordnung eines Objekts oder Teilchens. Sie wird manchmal als gespeicherte Energie beschrieben, aber dies ist nicht ganz korrekt, da kinetische Energie auch als gespeicherte Energie betrachtet werden kann, da sie immer noch in dem sich bewegenden Objekt enthalten ist. Die wichtigsten Arten von potentieller Energie sind:
Elastische potentielle Energie, die Energie in Form einer Verformung eines Objekts wie einer Feder ist. Wenn Sie eine Feder über ihre Gleichgewichtsposition (Ruheposition) hinaus komprimieren oder dehnen, verfügt sie über eine elastische potentielle Energie. Wenn diese Feder freigegeben wird, wird diese elastische potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt.
Im Falle einer Masse, die an einer Feder hängt, die dann gedehnt und freigegeben wird, schwingt die Masse auf und ab, wenn die elastische potentielle Energie wird kinetische Energie, wird dann wieder in Potential umgewandelt und so weiter (wobei ein Teil der mechanischen Energie aufgrund von Reibung.)
Die Gleichung für die in einer Feder gespeicherte potentielle Energie lautet:
PE_{Frühling}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
Wokdie Federkonstante und Δx die Verschiebung aus dem Gleichgewicht ist.
Gravitationspotentiale Energieist die Energie aufgrund der Position eines Objekts in einem Gravitationsfeld. Wenn ein Objekt in einem solchen Feld freigesetzt wird, beschleunigt es und diese potentielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt.
Die potentielle Gravitationsenergie für ein Objekt mit Masseichnahe der Erdoberfläche ist gegeben durch:
PE_{grav}=mgh
WoGist die Gravitationskonstante 9,8 m/s2, undhaist die Höhe über dem Boden.
Ähnlich der potentiellen Gravitationsenergie,elektrische potentielle Energieist das Ergebnis von Objekten mit Ladung, die in einem elektrischen Feld positioniert werden. Wenn sie in diesem Feld freigesetzt werden, beschleunigen sie entlang der Feldlinien wie eine fallende Masse, und ihre elektrische potentielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt.
Die Formel für die elektrische potentielle Energie ist eine Punktladungqein Abstandrab PunktladungQwird gegeben von:
PE_{elec,\text{ }poiny\text{ }charge}=\frac{kqQ}{r}
Wokist die Coulomb-Konstante 8,99 × 109 Nm2/C2.
Sie kennen wahrscheinlich den BegriffStromspannung, die sich auf eine Größe namens. beziehtelektrisches Potenzial. Die elektrische potentielle Energie einer Ladungqkann aus dem elektrischen Potential (Spannung,V) wie folgt:
PE_q=qV
Chemische potentielle Energieist Energie, die in den chemischen Bindungen und Anordnungen von Atomen gespeichert ist. Diese Energie kann bei chemischen Reaktionen in andere Formen umgewandelt werden. Ein Beispiel dafür ist ein Feuer – beim Brennen des Feuers wird potentielle Energie in den chemischen Bindungen des brennenden Materials in Wärme und Strahlungsenergie umgewandelt. Wenn Sie Nahrung zu sich nehmen, wandeln Prozesse in Ihrem Körper chemische Energie in die Energie um, die Ihr Körper braucht, um am Leben zu bleiben und alle grundlegenden Lebensaufgaben zu erfüllen.
Potentielle Kernenergieist Energie in einem Atomkern. Wenn sich die Nukleonen (Protonen und Neutronen) innerhalb eines Kerns neu anordnen, indem sie sich kombinieren, auseinanderbrechen oder Wechsel von einem zum anderen (entweder durch Fusion, Spaltung oder Zerfall) nukleare potentielle Energie umgewandelt wird oder veröffentlicht.
Das berühmte E = mc2 Gleichung beschreibt die Energiemenge,E, freigesetzt bei solchen Prozessen in Bezug auf die Masseichund die Lichtgeschwindigkeit speedc. Kerne können nach Zerfall oder Fusion eine geringere Gesamtmasse aufweisen, und dieser Massenunterschied direkt übersetzt in die Menge an potentieller Kernenergie, die in andere Formen umgewandelt wird, wie Strahlung und Thermal.
Arten von kinetischer Energie
Kinetische Energie ist die Bewegungsenergie. Während ein Objekt mit potenzieller Energie das Potenzial hat, sich zu bewegen, bewegt sich ein Objekt mit kinetischer Energie. Die wichtigsten Arten von kinetischer Energie sind:
Mechanische kinetische Energie, das ist die kinetische Energie eines makroskopischen Objekts der Masseichmit Geschwindigkeit bewegenv. Es ist durch die Formel gegeben:
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
Tipps
Für ein Objekt, das aufgrund der Schwerkraft fällt, ermöglicht uns die Erhaltung der mechanischen Energie, seine Fallgeschwindigkeit zu bestimmen, ohne die standardmäßigen konstanten Bewegungsbeschleunigungsgleichungen zu verwenden. Bestimmen Sie einfach die gesamte mechanische Energie, bevor das Objekt zu fallen beginnt (mgh), und dann muss die Differenz der potentiellen Energie in jeder Höhe 1/2 mv. betragen2. Sobald Sie die kinetische Energie kennen, können Sie nachv.
Wärmeenergie, auch Wärmeenergie genannt, entsteht durch das Schwingen der Moleküle in einem Stoff. Je schneller sich die Moleküle bewegen, desto größer ist die thermische Energie und desto heißer das Objekt. Je langsamer die Bewegung, desto kälter das Objekt. An der Grenze, an der alle Bewegungen aufhören, ist die Temperatur des Objekts absolut 0 in Einheiten von Kelvin.
Die Temperatur ist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Translationsenergie pro Molekül. Die thermische Energie eines idealen einatomigen Gases ergibt sich aus der Formel:
E_{thermisch}=\frac{3}{2}Nk_BT
WoNeinist die Anzahl der Atome,Tist die Temperatur in Kelvin undkBist die Boltzmann-Konstante 1,381 × 10-23 J/K.
Oberflächlich betrachtet kann dies als dasselbe verstanden werden, was mechanische kinetische Energie ist. Es ist das Ergebnis von Objekten (in diesem Fall Moleküle), die sich physisch mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen. Aber diese Bewegung findet alles im mikroskopischen Maßstab innerhalb eines größeren Objekts statt, daher ist es sinnvoll, sie zu behandeln anders – vor allem, weil es unmöglich ist, die Bewegung jedes einzelnen Moleküls innerhalb von zu erklären etwas!
Beachten Sie auch, dass es nicht sinnvoll ist, dies mit mechanischer kinetischer Energie zu verwechseln, da diese Energie nicht so ist einfach in potentielle Energie umgewandelt wie die kinetische Energie eines Balls, der in die Luft geworfen wird ist.
WellenenergieundKlangbilden eine zusätzliche Art von kinetischer Energie, die mit der Wellenbewegung verbunden ist. Bei einer Welle wandert eine Störung durch ein Medium. Jeder Punkt in diesem Medium schwingt beim Durchlaufen der Welle an Ort und Stelle – entweder ausgerichtet auf die Bewegungsrichtung (aLongitudinalwelle) oder senkrecht dazu (atransversale Welle), wie man es bei einer Welle an einer Schnur sieht.
Während die Punkte im Medium auf der Stelle schwingen, wandert die Störung selbst von einem Ort zum anderen. Dies ist eine Form von kinetischer Energie, da sie das Ergebnis der Bewegung eines physikalischen Materials ist.
Die mit einer Welle verbundene Energie ist normalerweise direkt proportional zum Quadrat der Amplitude der Welle. Der genaue Zusammenhang hängt jedoch von der Art der Welle und dem Medium ab, durch das sie sich bewegt.
Eine Art von Welle ist eine Schallwelle, die eine Longitudinalwelle ist. Das heißt, es resultiert aus Kompressionen (Bereichen, in denen das Medium komprimiert ist) und Verdünnungen (Bereichen, in denen das Medium weniger komprimiert ist) am häufigsten in Luft oder einem anderen Material.
Strahlungsenergiehängt mit der Wellenenergie zusammen, ist aber nicht ganz dasselbe. Dies ist Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung. Sie sind vielleicht mit sichtbarem Licht am vertrautesten, aber diese Energie kommt in Arten vor, die wir nicht so gut sehen können, wie Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlen. Es ist Energie, die von Photonen – Lichtteilchen – getragen wird. Photonen sollen Teilchen/Welle-Dualität aufweisen, was bedeutet, dass sie sich sowohl wie eine Welle als auch wie ein Teilchen verhalten.
Strahlungsenergie unterscheidet sich in sehr kritischer Weise von regulären Wellen: Sie benötigt kein Medium, durch das sie sich fortbewegen kann. Aus diesem Grund kann es durch das Vakuum des Weltraums reisen. Alle elektromagnetische Strahlung breitet sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit (der schnellsten im Universum!) aus.
Beachten Sie, dass das Photon keine Masse hat, daher können wir nicht einfach die mechanische kinetische Energiegleichung verwenden, um die zugehörige kinetische Energie zu bestimmen. Stattdessen ist die mit elektromagnetischer Strahlung verbundene Energie durch E = hf gegeben, wobeifist Frequenz undhaist die Plancksche Konstante 6,626 × 10-34 Js.
Elektrische Energie: Die mit einer bewegten Ladung verbundene kinetische Energie ist die gleiche mechanische kinetische Energie 1/2 mv2; eine bewegte Ladung erzeugt jedoch auch ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld hat, genau wie ein Gravitations- oder elektrisches Feld, die Fähigkeit, potenzielle Energie auf alles zu übertragen, was es „fühlen“ kann – wie beispielsweise ein Magnet oder eine andere sich bewegende Ladung.
Energietransformationen
Die Gesamtenergie eines geschlossenen Systems bleibt erhalten. Das heißt, der Gesamtbetrag bleibt in allen Formularen konstant, auch wenn er zwischen Objekten im System übertragen wird oder sich die Form oder der Typ ändert.
Ein Paradebeispiel dafür ist, was mit der kinetischen, potentiellen und Gesamtenergie eines in die Luft geworfenen Balls passiert. Angenommen, ein 0,5 kg schwerer Ball wird mit einer Anfangsgeschwindigkeit von 20 m/s vom Boden nach oben geworfen. Wir können die folgenden kinematischen Gleichungen verwenden, um die Höhe und Geschwindigkeit des Balls in jeder Sekunde seiner Reise zu bestimmen:
v_f=v_i+at=20\text{ m/s}-gt\\ y_f=y_i+v_it+\frac{1}{2}at^2=(20 \text{ m/s})t-\frac{ g}{2}t^2
Wenn wir uns annähernGals 10 m/s2, erhalten wir die Ergebnisse in der folgenden Tabelle:
Betrachten wir es nun aus einer energetischen Perspektive. Für jede Reisesekunde können wir die potentielle Energie berechnen mitmghund die kinetische Energie mit 1/2mv2. Die Gesamtenergie ist die Summe der beiden. Wenn wir unserer Tabelle Spalten für potentielle, kinetische und Gesamtenergie hinzufügen, erhalten wir:
•••n / A
Wie Sie sehen, ist die gesamte Energie des Balls am Anfang seiner Bahn kinetisch. Wenn es aufsteigt, nimmt seine Geschwindigkeit ab und seine Höhe zu, und kinetische Energie wird in potentielle Energie umgewandelt. Wenn er seinen höchsten Punkt erreicht hat, ist die gesamte anfängliche Kinetik in Potenzial umgewandelt, und dann kehrt sich der Prozess um, wenn er wieder abfällt. Während des gesamten Weges blieb die Gesamtenergie konstant.
Wenn in unserem Beispiel Reibung oder andere dissipative Kräfte enthalten wären, dann würde zwar die Gesamtenergie erhalten bleiben, die gesamte mechanische Energie jedoch nicht. Die gesamte mechanische Energie entspräche der Differenz zwischen der Gesamtenergie und der Energie, die in andere Arten wie Wärme- oder Schallenergie umgewandelt wurde.