Υπάρχουν δύο κύριες μορφές ενέργειας: κινητική ενέργεια και πιθανή ενέργεια.Κινητική ενέργειαείναι η ενέργεια της κίνησης ενός αντικειμένου ή σωματιδίου, καιδυναμική ενέργειαείναι η ενέργεια που σχετίζεται με τη θέση ενός αντικειμένου ή σωματιδίου.
Μερικές φορές η κινητική και δυνητική ενέργεια που σχετίζεται με μηχανικές διεργασίες ενός μακροσκοπικού αντικειμένου αναφέρονται συλλογικά ωςμηχανική ενέργειακαι αποκλείουν μορφές ενέργειας που σχετίζονται με θερμικές, χημικές και ατομικές διεργασίες.
Είναι ένας θεμελιώδης νόμος της φυσικής ότι η συνολική ενέργεια σε ένα κλειστό σύστημα διατηρείται. Αυτό αναφέρεται ωςο νόμος της διατήρησης της ενέργειας. Δηλαδή, ενώ η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μορφή ή να μεταφερθεί από ένα αντικείμενο σε άλλο, το συνολικό ποσό θα παραμένει πάντα σταθερό σε ένα σύστημα που είναι τέλεια απομονωμένο από το περιβάλλον του.
Για την απλοποίηση των υπολογισμών σε πολλά εισαγωγικά προβλήματα φυσικής, θεωρείται συχνά ότι η τριβή και άλλα οι δυνάμεις διάχυσης είναι αμελητέες, με αποτέλεσμα η συνολική μηχανική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος να είναι χωριστά διατηρημένο.
Η μηχανική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε θερμική και σε άλλους τύπους ενέργειας όταν υπάρχει τριβή και μπορεί να είναι δύσκολο να πάρει οποιαδήποτε θερμική ενέργεια για να μετατραπεί σε μηχανική ενέργεια (και αδύνατο να το κάνουμε εντελώς.) Γι 'αυτό η μηχανική ενέργεια αναφέρεται συχνά ως ξεχωριστή διατηρημένη ποσότητα, αλλά, και πάλι, διατηρείται μόνο όταν δεν υπάρχει τριβή.
Η μονάδα SI για ενέργεια είναι το joule (J) όπου 1 joule = 1 newton × 1 μέτρο.
Τύποι δυναμικής ενέργειας
Η πιθανή ενέργεια είναι ενέργεια λόγω της θέσης ή της διάταξης ενός αντικειμένου ή σωματιδίου. Μερικές φορές περιγράφεται ως αποθηκευμένη ενέργεια, αλλά αυτό δεν είναι απολύτως ακριβές, καθώς η κινητική ενέργεια μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως αποθηκευμένη ενέργεια, επειδή εξακολουθεί να περιέχεται στο αντικείμενο που κινείται. Οι κύριοι τύποι πιθανής ενέργειας είναι:
Ελαστική δυναμική ενέργεια, η οποία είναι ενέργεια με τη μορφή παραμόρφωσης ενός αντικειμένου όπως ένα ελατήριο. Όταν συμπιέζετε ή τεντώνετε ένα ελατήριο πέρα από τη θέση ισορροπίας (ανάπαυσης), θα έχει ελαστική δυναμική ενέργεια. Όταν απελευθερωθεί αυτό το ελατήριο, αυτή η ελαστική δυναμική ενέργεια θα μετατραπεί σε κινητική ενέργεια.
Στην περίπτωση μάζας που αιωρείται από ένα ελατήριο το οποίο στη συνέχεια τεντώνεται και απελευθερώνεται, η μάζα θα ταλαντεύεται πάνω-κάτω καθώς γίνεται ελαστική δυναμική ενέργεια κινητική ενέργεια, στη συνέχεια μετατρέπεται σε δυναμικό και ούτω καθεξής (με μέρος της μηχανικής ενέργειας να μετατρέπεται σε μη μηχανικές μορφές λόγω τριβή.)
Η εξίσωση για την πιθανή ενέργεια που αποθηκεύεται σε μια πηγή δίνεται από:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Δέλτα x ^ 2
Οπουκείναι η σταθερά ελατηρίου και Δx είναι η μετατόπιση από την ισορροπία.
Εν δυνάμει βαρυτική ενέργειαείναι η ενέργεια που οφείλεται στη θέση ενός αντικειμένου σε ένα βαρυτικό πεδίο. Όταν ένα αντικείμενο σε ένα τέτοιο πεδίο απελευθερωθεί, θα επιταχυνθεί και αυτή η πιθανή ενέργεια θα μετατραπεί σε κινητική ενέργεια.
Η δυναμική βαρυτική ενέργεια για ένα αντικείμενο μάζαςΜκοντά στην επιφάνεια της Γης δίνεται από:
PE_ {grav} = mgh
Οπουσολείναι η σταθερά βαρύτητας 9,8 m / s2, καιηείναι το ύψος πάνω από το επίπεδο του εδάφους.
Παρόμοια με τη βαρυτική ενέργεια,ηλεκτρική ενέργειαείναι το αποτέλεσμα αντικειμένων με φορτίο να τοποθετούνται σε ηλεκτρικό πεδίο. Εάν απελευθερωθούν σε αυτό το πεδίο, θα επιταχυνθούν κατά μήκος των γραμμών του πεδίου όπως κάνει η μάζα που πέφτει και η ηλεκτρική τους ενέργεια θα μετατραπεί σε κινητική ενέργεια.
Η φόρμουλα για ηλεκτρικό δυναμικό είναι οριακής φόρτισηςεμια απόστασηραπό τη χρέωση σημείουΕρδίνεται από:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Οπουκείναι η σταθερά του Coulomb 8,99 × 109 Νμ2/ΝΤΟ2.
Είναι πιθανότατα εξοικειωμένοι με τον όροΤάση, που αναφέρεται σε μια ποσότητα που ονομάζεταιηλεκτρικό δυναμικό. Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ενός φορτίουεμπορεί να βρεθεί από το ηλεκτρικό δυναμικό (τάση,Βαπό τα ακόλουθα:
PE_q = qV
Χημική δυνητική ενέργειαείναι η ενέργεια που αποθηκεύεται στους χημικούς δεσμούς και τις διευθετήσεις των ατόμων. Αυτή η ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε άλλες μορφές κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων. Μια φωτιά είναι ένα παράδειγμα αυτού - καθώς η φωτιά καίει, η πιθανή ενέργεια στους χημικούς δεσμούς του υλικού καύσης μετατρέπεται σε θερμότητα και ακτινοβολία ενέργειας. Όταν τρώτε τροφή, οι διαδικασίες στο σώμα σας μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ενέργεια που χρειάζεται το σώμα σας για να παραμείνει ζωντανός και να εκτελέσει όλες τις βασικές εργασίες της ζωής.
Πυρηνική δυνητική ενέργειαείναι ενέργεια σε έναν ατομικό πυρήνα. Όταν τα νουκλεόνια (πρωτόνια και νετρόνια) μέσα σε έναν πυρήνα αναδιατάσσονται, συνδυάζοντας, διαλύοντας ή αλλαγή από το ένα στο άλλο (είτε μέσω σύντηξης, σχάσης ή αποσύνθεσης) η πυρηνική δυναμική ενέργεια μεταμορφώνεται ή απελευθερώθηκε.
Το διάσημο E = mc2 η εξίσωση περιγράφει την ποσότητα ενέργειας,μι, απελευθερώθηκε κατά τη διάρκεια τέτοιων διαδικασιών ως προς τη μάζαΜκαι την ταχύτητα του φωτόςντο. Οι πυρήνες μπορούν να καταλήξουν με χαμηλότερη συνολική μάζα μετά από αποσύνθεση ή σύντηξη, και αυτή η μάζα διαφέρει άμεσα μεταφράζεται στην ποσότητα ενέργειας πυρηνικού δυναμικού που μετατρέπεται σε άλλες μορφές, όπως ακτινοβολία και θερμικός.
Τύποι κινητικής ενέργειας
Η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια της κίνησης. Ενώ ένα αντικείμενο με δυνητική ενέργεια έχει τη δυνατότητα να κινηθεί, ένα αντικείμενο με κινητική ενέργεια κινείται. Οι κύριοι τύποι κινητικής ενέργειας είναι:
Μηχανική κινητική ενέργεια, η οποία είναι η κινητική ενέργεια ενός μακροσκοπικού αντικειμένου μάζαςΜκινείται με ταχύτηταβ. Δίνεται από τον τύπο:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Συμβουλές
Για ένα αντικείμενο που πέφτει λόγω της βαρύτητας, η διατήρηση της μηχανικής ενέργειας μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε την ταχύτητά του καθώς πέφτει χωρίς τη χρήση των τυπικών εξισώσεων σταθερής επιτάχυνσης κίνησης. Απλά προσδιορίστε τη συνολική μηχανική ενέργεια πριν αρχίσει να πέφτει το αντικείμενο (καμ), και έπειτα σε όποιο ύψος είναι, η διαφορά στην πιθανή ενέργεια πρέπει να είναι ίση με 1 / 2mv2. Μόλις ξέρετε την κινητική ενέργεια, μπορείτε να λύσετεβ.
Θερμική ενέργεια, επίσης γνωστό ως θερμική ενέργεια, είναι το αποτέλεσμα των μορίων σε μια ουσία που δονείται. Όσο πιο γρήγορα κινούνται τα μόρια, τόσο μεγαλύτερη είναι η θερμική ενέργεια και τόσο πιο ζεστό είναι το αντικείμενο. Όσο πιο αργή είναι η κίνηση, τόσο πιο κρύο είναι το αντικείμενο. Στο όριο όπου σταματά όλη η κίνηση, η θερμοκρασία του αντικειμένου είναι απόλυτη 0 σε μονάδες Kelvin.
Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης μεταφραστικής κινητικής ενέργειας ανά μόριο. Η θερμική ενέργεια ενός ιδανικού ατομικού αερίου δίνεται από τον τύπο:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
ΟπουΝείναι ο αριθμός των ατόμων,Τείναι η θερμοκρασία σε Kelvin, καικσιείναι η σταθερά του Boltzmann 1,381 × 10-23 Κ / Κ.
Στην επιφάνεια, αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό ως το ίδιο πράγμα με τη μηχανική κινητική ενέργεια. Είναι το αποτέλεσμα αντικειμένων (μόρια σε αυτήν την περίπτωση) που κινούνται φυσικά με μια συγκεκριμένη ταχύτητα. Όμως αυτή η κίνηση συμβαίνει σε μικροσκοπική κλίμακα μέσα σε ένα μεγαλύτερο αντικείμενο, επομένως είναι λογικό να το αντιμετωπίσουμε διαφορετικά - ειδικά επειδή είναι αδύνατο να ληφθεί υπόψη η κίνηση κάθε ξεχωριστού μορίου στο εσωτερικό του κάτι!
Σημειώστε επίσης ότι δεν έχει νόημα να το συγχέουμε με τη μηχανική κινητική ενέργεια, καθώς αυτή η ενέργεια δεν είναι έτσι απλά μεταμορφώθηκε σε δυνητική ενέργεια με τον ίδιο τρόπο που η κινητική ενέργεια μιας μπάλας ρίχνεται στον αέρα είναι.
Κυματική ενέργειακαιήχοςσχηματίζουν έναν επιπλέον τύπο κινητικής ενέργειας, που είναι η ενέργεια που σχετίζεται με την κίνηση των κυμάτων. Με ένα κύμα, μια διαταραχή ταξιδεύει μέσα από ένα μέσο. Οποιοδήποτε σημείο σε αυτό το μέσο θα ταλαντευτεί στη θέση του καθώς περνάει το κύμα - είτε ευθυγραμμισμένο με την κατεύθυνση κίνησης (αδιαμήκη κύμα) ή κάθετα σε αυτό (αεγκάρσιο κύμα), όπως φαίνεται με ένα κύμα σε μια χορδή.
Ενώ τα σημεία στο μέσο ταλαντεύονται στη θέση τους, η ίδια η διαταραχή ταξιδεύει από το ένα μέρος στο άλλο. Αυτή είναι μια μορφή κινητικής ενέργειας επειδή είναι το αποτέλεσμα μιας φυσικής κίνησης υλικού.
Η ενέργεια που σχετίζεται με ένα κύμα είναι συνήθως άμεσα ανάλογη με το τετράγωνο του πλάτους του κύματος. Η ακριβής σχέση, ωστόσο, εξαρτάται από τον τύπο του κύματος και το μέσο μέσω του οποίου ταξιδεύει.
Ένας τύπος κυμάτων είναι ένα ηχητικό κύμα, το οποίο είναι ένα διαμήκες κύμα. Δηλαδή, προκύπτει από συμπίεση (περιοχές στις οποίες συμπιέζεται το μέσο) και από σπάνιες κινήσεις (περιοχές στις οποίες το μέσο είναι λιγότερο συμπιεσμένο), συνήθως, στον αέρα ή σε άλλο υλικό.
Ακτινοβολία ενέργειαςσχετίζεται με την ενέργεια των κυμάτων, αλλά δεν είναι το ίδιο. Αυτή είναι η ενέργεια με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Μπορεί να είστε πιο εξοικειωμένοι με το ορατό φως, αλλά αυτή η ενέργεια έρχεται σε τύπους που δεν μπορούμε να δούμε επίσης, όπως ραδιοκύματα, μικροκύματα, υπέρυθρες, υπεριώδεις ακτίνες Χ και ακτίνες γάμμα. Είναι ενέργεια που μεταφέρεται από φωτόνια - σωματίδια φωτός. Τα φωτόνια λέγεται ότι εμφανίζουν διττότητα σωματιδίων / κυμάτων, που σημαίνει ότι ενεργούν τόσο σαν κύμα όσο και σωματίδιο.
Η ενέργεια ακτινοβολίας διαφέρει από τα κανονικά κύματα με έναν πολύ κρίσιμο τρόπο: Δεν απαιτεί μέσο για να ταξιδέψετε. Εξαιτίας αυτού, μπορεί να ταξιδέψει μέσα από το κενό του διαστήματος. Όλες οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός (η ταχύτερη ταχύτητα στο σύμπαν!) Σε κενό.
Σημειώστε ότι το φωτόνιο δεν έχει μάζα, επομένως δεν μπορούμε απλώς να χρησιμοποιήσουμε την εξίσωση μηχανικής κινητικής ενέργειας για να προσδιορίσουμε τη σχετική κινητική ενέργεια. Αντ 'αυτού, η ενέργεια που σχετίζεται με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία δίνεται από το E = hf, όπουφάείναι συχνότητα καιηείναι η σταθερά του Planck 6,626 × 10-34 Js.
Ηλεκτρική ενέργεια: Η κινητική ενέργεια που σχετίζεται με ένα κινούμενο φορτίο είναι η ίδια μηχανική κινητική ενέργεια 1 / 2mv2; Ωστόσο, ένα κινούμενο φορτίο παράγει επίσης ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό το μαγνητικό πεδίο, όπως ένα βαρυτικό ή ηλεκτρικό πεδίο, έχει την ικανότητα να μεταδίδει πιθανή ενέργεια σε οτιδήποτε μπορεί να το «αισθανθεί» - όπως ένας μαγνήτης ή άλλο κινούμενο φορτίο.
Ενεργειακοί μετασχηματισμοί
Η συνολική ενέργεια ενός κλειστού συστήματος διατηρείται. Δηλαδή, το συνολικό ποσό, σε όλες τις μορφές, παραμένει σταθερό ακόμα κι αν μεταφέρεται μεταξύ αντικειμένων στο σύστημα ή αλλάζει μορφή ή τύπο.
Ένα πρωταρχικό παράδειγμα αυτού είναι τι συμβαίνει με την κινητική, τη δυναμική και τη συνολική ενέργεια μιας μπάλας που ρίχνεται στον αέρα. Ας υποθέσουμε ότι μια μπάλα 0,5 kg εκτοξεύεται προς τα πάνω από το επίπεδο του εδάφους με αρχική ταχύτητα 20 m / s. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις ακόλουθες κινηματικές εξισώσεις για να προσδιορίσουμε το ύψος και την ταχύτητα της μπάλας σε κάθε δευτερόλεπτο της διαδρομής της:
v_f = v_i + at = 20 \ text {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} στο ^ 2 = (20 \ text {m / s}) t- \ frac { g} {2} τ ^ 2
Αν προσεγγίσουμεσολως 10 m / s2, λαμβάνουμε τα αποτελέσματα που εμφανίζονται στον παρακάτω πίνακα:
Τώρα ας το δούμε από ενεργειακή σκοπιά. Για κάθε δευτερόλεπτο ταξιδιού, μπορούμε να υπολογίσουμε τη χρήση ενέργειαςκαμκαι η κινητική ενέργεια χρησιμοποιώντας 1 / 2mv2. Η συνολική ενέργεια είναι το άθροισμα των δύο. Προσθέτοντας στήλες στον πίνακα μας για πιθανή, κινητική και συνολική ενέργεια, έχουμε:
•••ναι
Όπως μπορείτε να δείτε, στην αρχή του μονοπατιού της, όλη η ενέργεια της μπάλας είναι κινητική. Καθώς ανεβαίνει, η ταχύτητά του μειώνεται και το ύψος αυξάνεται και η κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε δυνητική ενέργεια. Όταν βρίσκεται στο υψηλότερο σημείο του, όλη η αρχική κινητική έχει μετατραπεί σε δυναμικό και στη συνέχεια η διαδικασία αντιστρέφεται καθώς πέφτει προς τα κάτω. Σε όλη τη διαδρομή, η συνολική ενέργεια παρέμεινε σταθερή.
Εάν το παράδειγμά μας περιελάμβανε τριβή ή άλλες δυνάμεις διάχυσης, τότε, ενώ η συνολική ενέργεια θα διατηρούσε ακόμη, η συνολική μηχανική ενέργεια δεν θα. Η συνολική μηχανική ενέργεια θα ισούται με τη διαφορά μεταξύ της συνολικής ενέργειας και της ενέργειας που μετατράπηκε σε άλλους τύπους, όπως θερμική ή ηχητική ενέργεια.