Existen dos formas principales de energía: energía cinética y energía potencial.Energía cinéticaes la energía de movimiento de un objeto o partícula, yenergía potenciales la energía asociada con la posición de un objeto o partícula.
A veces, la energía cinética y potencial asociada con los procesos mecánicos de un objeto macroscópico se denominan colectivamente comoenergía mecánicay excluir formas de energía asociadas con procesos térmicos, químicos y atómicos.
Es una ley fundamental de la física que se conserva la energía total en un sistema cerrado. Esto se conoce comola ley de conservación de la energía. Es decir, si bien la energía puede cambiar de forma o transferirse de un objeto a otro, la cantidad total siempre permanecerá constante en un sistema perfectamente aislado de su entorno.
Para simplificar los cálculos en muchos problemas de introducción a la física, a menudo se supone que la fricción y otros Las fuerzas disipativas son despreciables, lo que da como resultado que la energía mecánica total de un sistema cerrado se separe conservado.
La energía mecánica se puede convertir en energía térmica y otros tipos de energía cuando hay fricción, y puede ser difícil conseguir que la energía térmica se convierta de nuevo en energía mecánica. (e imposible lograr que lo haga por completo). Por eso, a menudo se habla de la energía mecánica como una cantidad conservada separada, pero, nuevamente, solo se conserva cuando fricción.
La unidad SI para la energía es el joule (J) donde 1 joule = 1 newton × 1 metro.
Tipos de energía potencial
La energía potencial es la energía debida a la posición o disposición de un objeto o partícula. A veces se describe como energía almacenada, pero esto no es del todo exacto ya que la energía cinética también se puede considerar como energía almacenada porque todavía está contenida dentro del objeto que se está moviendo. Los principales tipos de energía potencial son:
Energía potencial elástica, que es energía en forma de deformación de un objeto como un resorte. Cuando comprime o estira un resorte más allá de su posición de equilibrio (reposo), tendrá energía potencial elástica. Cuando se suelta este resorte, esta energía potencial elástica se transformará en energía cinética.
En el caso de una masa suspendida de un resorte que luego se estira y suelta, la masa oscilará hacia arriba y hacia abajo a medida que la energía potencial elástica se vuelve energía cinética, luego se transforma de nuevo a potencial y así sucesivamente (con algo de la energía mecánica que se cambia a formas no mecánicas debido a fricción.)
La ecuación de la energía potencial almacenada en un resorte viene dada por:
PE_ {resorte} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Dóndekes la constante del resorte y Δx es el desplazamiento desde el equilibrio.
Energía potencial gravitacionales la energía debida a la posición de un objeto en un campo gravitacional. Cuando se libera un objeto en tal campo, se acelerará y esa energía potencial se transformará en energía cinética.
La energía potencial gravitacional de un objeto de masa.metrocerca de la superficie de la Tierra viene dada por:
PE_ {grav} = mgh
Dóndegramoes la constante gravitacional 9,8 m / s2, yhes la altura sobre el nivel del suelo.
Similar a la energía potencial gravitacional,energia potencial electricaes el resultado de objetos con carga colocados en un campo eléctrico. Si se liberan en este campo, acelerarán a lo largo de las líneas del campo al igual que lo hace una masa en caída, y su energía potencial eléctrica se transformará en energía cinética.
La fórmula de la energía potencial eléctrica es de carga puntualquna distanciardesde la carga puntualQes dado por:
PE_ {elec, \ text {} puntiagudo \ text {} cargo} = \ frac {kqQ} {r}
Dóndekes la constante de Coulomb 8,99 × 109 Nuevo Méjico2/C2.
Probablemente esté familiarizado con el términoVoltaje, que se refiere a una cantidad llamadapotencial eléctrico. La energía potencial eléctrica de una carga.qse puede encontrar a partir del potencial eléctrico (voltaje,V) por el siguiente:
PE_q = qV
Energía potencial químicaes la energía almacenada en los enlaces químicos y las disposiciones de los átomos. Esta energía se puede transformar en otras formas durante las reacciones químicas. Un incendio es un ejemplo de esto: cuando el fuego arde, la energía potencial en los enlaces químicos del material en combustión se transforma en calor y energía radiante. Cuando ingieres alimentos, los procesos de tu cuerpo convierten la energía química en la energía que tu cuerpo necesita para mantenerse con vida y realizar todas las tareas básicas de la vida.
Energía potencial nucleares energía en un núcleo atómico. Cuando los nucleones (protones y neutrones) dentro de un núcleo se reorganizan combinándose, separándose o cambiando de uno a otro (ya sea por fusión, fisión o desintegración) la energía potencial nuclear se transforma o liberado.
El famoso E = mc2 la ecuación describe la cantidad de energía,mi, liberado durante tales procesos en términos de la masametroy la velocidad de la luzC. Los núcleos pueden terminar con una masa total más baja después de la desintegración o fusión, y esta diferencia de masa directamente se traduce en la cantidad de energía potencial nuclear que se convierte en otras formas, como radiante y térmico.
Tipos de energía cinética
La energía cinética es la energía del movimiento. Mientras que un objeto con energía potencial tiene el potencial de moverse, un objeto con energía cinética está en movimiento. Los principales tipos de energía cinética son:
Energía cinética mecánica, que es la energía cinética de un objeto macroscópico de masametromoviéndose con velocidadv. Está dado por la fórmula:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Consejos
Para un objeto que cae debido a la gravedad, la conservación de la energía mecánica nos permite determinar su velocidad a medida que cae sin usar las ecuaciones de movimiento de aceleración constante estándar. Simplemente determine la energía mecánica total antes de que el objeto comience a caer (mgh), y luego, a cualquier altura a la que se encuentre, la diferencia de energía potencial debe ser igual a 1/2 mv2. Una vez que conozca la energía cinética, puede resolverv.
Energía térmica, también conocida como energía térmica, es el resultado de la vibración de las moléculas de una sustancia. Cuanto más rápido se mueven las moléculas, mayor es la energía térmica y más caliente el objeto. Cuanto más lento sea el movimiento, más frío será el objeto. En el límite donde todo movimiento se detiene, la temperatura del objeto es 0 absoluto en unidades de Kelvin.
La temperatura es una medida de la energía cinética de traslación promedio por molécula. La energía térmica de un gas monoatómico ideal viene dada por la fórmula:
E_ {térmico} = \ frac {3} {2} Nk_BT
Dóndenortees el número de átomos,Tes la temperatura en Kelvin, ykBes la constante de Boltzmann 1.381 × 10-23 J / K.
En la superficie, esto puede entenderse como el mismo tipo de cosas que es la energía cinética mecánica. Es el resultado de objetos (moléculas en este caso) que se mueven físicamente a una cierta velocidad. Pero todo este movimiento ocurre a escala microscópica dentro de un objeto más grande, por lo que tiene sentido tratarlo de manera diferente, especialmente porque es imposible explicar el movimiento de cada molécula distinta dentro de ¡alguna cosa!
Tenga en cuenta también que no tiene sentido confundir esto con la energía cinética mecánica ya que esta energía no es tan simplemente se transforma en energía potencial de la misma manera que la energía cinética de una pelota lanzada al aire es.
Energía de olasysonarForman un tipo adicional de energía cinética, que es la energía asociada con el movimiento de las olas. Con una ola, una perturbación viaja a través de un medio. Cualquier punto de ese medio oscilará en su lugar a medida que pasa la onda, ya sea alineado con la dirección del movimiento (unonda longitudinal) o perpendicular a él (unonda transversal), como se ve con una ola en una cuerda.
Mientras los puntos en el medio oscilan en su lugar, la perturbación en sí viaja de un lugar a otro. Esta es una forma de energía cinética porque es el resultado del movimiento de un material físico.
La energía asociada con una onda suele ser directamente proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda. Sin embargo, la relación exacta depende del tipo de onda y del medio a través del cual viaja.
Un tipo de onda es una onda de sonido, que es una onda longitudinal. Es decir, es el resultado de compresiones (regiones en las que se comprime el medio) y rarefacciones (regiones en las que el medio está menos comprimido) en, más comúnmente, aire u otro material.
Energía radianteestá relacionado con la energía de las olas, pero no es exactamente lo mismo. Esta es energía en forma de radiación electromagnética. Puede que esté más familiarizado con la luz visible, pero esta energía viene en tipos que no podemos ver también, como ondas de radio, microondas, infrarrojos, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Es energía transportada por fotones, partículas de luz. Se dice que los fotones exhiben dualidad partícula / onda, lo que significa que actúan como una onda y una partícula.
La energía radiante se diferencia de las ondas regulares de una manera muy crítica: no requiere un medio a través del cual viajar. Debido a esto, puede viajar a través del vacío del espacio. Toda la radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz (¡la velocidad más rápida del universo!) En el vacío.
Tenga en cuenta que el fotón no tiene masa, por lo que no podemos simplemente usar la ecuación de energía cinética mecánica para determinar la energía cinética asociada. En cambio, la energía asociada con la radiación electromagnética viene dada por E = hf, dondeFes frecuencia yhes la constante de Planck 6,626 × 10-34 Js.
Energía eléctrica: La energía cinética asociada con una carga en movimiento es la misma energía cinética mecánica 1 / 2mv2; sin embargo, una carga en movimiento también genera un campo magnético. Ese campo magnético, al igual que un campo gravitacional o eléctrico, tiene la capacidad de impartir energía potencial a cualquier cosa que pueda "sentirlo", como un imán u otra carga en movimiento.
Transformaciones energéticas
Se conserva la energía total de un sistema cerrado. Es decir, la cantidad total, en todas las formas, permanece constante incluso si se transfiere entre objetos en el sistema o cambia de forma o tipo.
Un buen ejemplo de esto es lo que sucede con la energía cinética, potencial y total de una pelota lanzada al aire. Suponga que se lanza una pelota de 0.5 kg hacia arriba desde el nivel del suelo a una rapidez inicial de 20 m / s. Podemos usar las siguientes ecuaciones cinemáticas para determinar la altura y la velocidad de la pelota en cada segundo de su recorrido:
v_f = v_i + en = 20 \ text {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} en ^ 2 = (20 \ text {m / s}) t- \ frac { g} {2} t ^ 2
Si nos aproximamosgramocomo 10 m / s2, obtenemos los resultados que se muestran en la siguiente tabla:
Ahora veámoslo desde una perspectiva energética. Para cada segundo de viaje, podemos calcular la energía potencial usandomghy la energía cinética usando 1 / 2mv2. La energía total es la suma de los dos. Añadiendo columnas a nuestra tabla de energía potencial, cinética y total, obtenemos:
•••n / A
Como puede ver, al comienzo de su trayectoria, toda la energía de la pelota es cinética. A medida que asciende, su velocidad disminuye y la altura aumenta, y la energía cinética se transforma en energía potencial. Cuando está en su punto más alto, toda la cinética inicial se ha convertido en potencial, y luego el proceso se invierte a sí mismo mientras vuelve a caer. Durante todo el recorrido, la energía total se mantuvo constante.
Si nuestro ejemplo hubiera incluido fricción u otras fuerzas disipativas, entonces, mientras la energía total aún se conservaría, la energía mecánica total no lo haría. La energía mecánica total sería igual a la diferencia entre la energía total y la energía que se transforma en otros tipos, como la energía térmica o sonora.