Eksisteerib kaks peamist energia vormi: kineetiline energia ja potentsiaalne energia.Kineetiline energiaon eseme või osakese liikumisenergia japotentsiaalne energiaon objekti või osakese asendiga seotud energia.
Mõnikord nimetatakse makroskoopilise objekti mehaaniliste protsessidega seotud kineetilist ja potentsiaalset energiat ühiseltmehaaniline energiaja välistada termiliste, keemiliste ja aatomiprotsessidega seotud energiavormid.
Füüsika põhiseadus on see, et kogu energia suletud süsteemis on konserveeritud. Sellele viidatakse kuienergia jäävuse seadus. See tähendab, et kuigi energia võib muuta kuju või kanduda ühelt objektilt teisele, jääb kogu kogus alati ümbritsevast täielikult eraldatud süsteemis konstantseks.
Arvutuste lihtsustamiseks paljudes sissejuhatavates füüsikaülesannetes eeldatakse sageli, et hõõrdumine ja muu hajuvad jõud on tühised, mille tulemusena on suletud süsteemi kogu mehaaniline energia eraldi konserveeritud.
Mehaanilist energiat saab hõõrdumise korral muundada soojus- ja muud liiki energiaks ning võib olla raske saada soojusenergiat, mis muutuks tagasi mehaaniliseks (ja võimatu on seda täielikult teostada.) Seetõttu räägitakse mehaanilisest energiast sageli kui eraldi konserveeritud suurusest, kuid jällegi konserveeritakse seda ainult siis, kui puudub hõõrdumine.
SI energiaühik on džaul (J), kus 1 džaul = 1 njuuton × 1 meeter.
Potentsiaalse energia tüübid
Potentsiaalne energia on energia, mis on tingitud objekti või osakese asendist või paigutusest. Mõnikord kirjeldatakse seda kui salvestatud energiat, kuid see pole päris täpne, kuna kineetilist energiat võib pidada ka salvestatud energiaks, kuna see on endiselt liikuvas objektis. Peamised potentsiaalse energia tüübid on:
Elastne potentsiaalne energia, mis on energia eseme, näiteks vedru deformatsiooni kujul. Kui surute vedru kokku või sirutate selle tasakaalustusasendist väljapoole, on sellel potentsiaalne elastne energia. Selle kevade vabastamisel muundub see elastne potentsiaalne energia kineetiliseks energiaks.
Vedrust riputatud massi korral, mis seejärel venitatakse ja vabastatakse, võngub mass elastse potentsiaalse energia muutudes üles ja alla. kineetiline energia, muundatakse seejärel tagasi potentsiaaliks ja nii edasi (kusjuures osa mehaanilisest energiast muudetakse hõõrdumine.)
Allikas salvestatud potentsiaalse energia võrrandi annab:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Kuskon vedrukonstant ja Δx on nihe tasakaalust.
Gravitatsiooniline potentsiaalne energiaon energia, mis tuleneb objekti asukohast gravitatsiooniväljas. Kui sellises valdkonnas olev objekt vabaneb, siis see kiireneb ja see potentsiaalne energia muundub kineetiliseks energiaks.
Massiobjekti gravitatsioonipotentsiaalenergiamMaa pinna lähedal annab:
PE_ {grav} = mgh
Kusgon gravitatsioonikonstant 9,8 m / s2jahon kõrgus maapinnast.
Sarnaselt gravitatsioonipotentsiaaligaelektriline potentsiaalenergiaon laenguga objektide elektriväljas paiknemise tulemus. Sellel väljal vabanedes kiirendavad nad väljajooni mööda täpselt nagu langev mass ja nende elektriline potentsiaalenergia muundub kineetiliseks energiaks.
Elektrilise potentsiaalenergia valem on punktlaengqvahemaarpunktlaengustQannab:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Kuskon Coulombi konstant 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Tõenäoliselt olete terminiga tuttavPinge, mis viitab kogusele, mida nimetatakseelektriline potentsiaal. Laengu elektriline potentsiaalne energiaqvõib leida elektripotentsiaalist (pinge,V) järgmiselt:
PE_q = qV
Keemiline potentsiaalne energiaon energia, mis on salvestatud aatomite keemilistesse sidemetesse ja paigutustesse. Seda energiat saab keemiliste reaktsioonide käigus muundada. Tuli on selle näide - tule põlemisel muundatakse põleva materjali keemilistes sidemetes sisalduv potentsiaalne energia soojuseks ja kiirgusenergiaks. Toitu süües muudavad teie kehas toimuvad protsessid keemilise energia energiaks, mida keha vajab elus püsimiseks ja kõigi elamise põhiülesannete täitmiseks.
Tuuma potentsiaalne energiaon energia aatomituumas. Kui tuuma sees olevad nukleonid (prootonid ja neutronid) end ümber korraldavad, kombineerides, lõhkudes või ühelt teisele üleminek (kas termotuumasünteesi, lõhustumise või lagunemise kaudu) tuuma potentsiaalne energia muundatakse või vabastati.
Kuulus E = mc2 võrrand kirjeldab energia hulka,E, mis vabaneb selliste protsesside käigus massi osasmja valguse kiirusc. Tuumad võivad pärast lagunemist või sulandumist lõppkokkuvõttes olla väiksema kogumassiga ja see massivahe on otsene tähendab tuuma potentsiaalse energia hulka, mis muundatakse muudeks vormideks, näiteks kiirgus- ja soojus.
Kineetilise energia tüübid
Kineetiline energia on liikumise energia. Kui potentsiaalse energiaga objektil on potentsiaal liikuda, siis kineetilise energiaga objektil toimub liikumine. Kineetilise energia peamised tüübid on:
Mehaaniline kineetiline energia, mis on massi makroskoopilise objekti kineetiline energiamliikudes kiirusegav. Selle annab valem:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Näpunäited
Raskusjõu mõjul kukkuva objekti puhul võimaldab mehaanilise energia säilitamine meil kindlaks määrata selle kiiruse kukkumisel, kasutades standardseid liikumiskiiruse püsikiirusi. Lihtsalt määrake kogu mehaaniline energia enne objekti langemist (mgh) ja siis peab ükskõik millisel kõrgusel see olema, potentsiaalse energia erinevus olema võrdne 1 / 2mv2. Kui teate kineetilist energiat, saate selle lahendadav.
Soojusenergia, tuntud ka kui soojusenergia, on aine molekulide vibratsiooni tulemus. Mida kiiremini molekulid ringi liiguvad, seda suurem on soojusenergia ja objekt on kuumem. Mida aeglasem on liikumine, seda külmem on objekt. Piiril, kus kogu liikumine peatub, on objekti temperatuur absoluutne 0 kelvinite ühikutes.
Temperatuur on keskmise translatsiooni kineetilise energia mõõt molekuli kohta. Ideaalse üheaatomilise gaasi soojusenergia saadakse valemiga:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
KusNon aatomite arv,Ton temperatuur Kelvinis jakBon Boltzmanni konstant 1,381 × 10-23 J / K.
Pealtnäha võib seda mõista sama asjana, mis on mehaaniline kineetiline energia. See on objektide (antud juhul molekulide) tulemus, mis füüsiliselt teatud kiirusega liiguvad. Kuid kõik see liikumine toimub mikroskoopilises mõõtkavas suurema objekti sees, seega on mõttekas seda ravida erinevalt - eriti seetõttu, et on võimatu arvestada iga selle sees oleva molekuli liikumist midagi!
Pange tähele ka seda, et seda pole mõtet segi ajada mehaanilise kineetilise energiaga, kuna see energia pole nii muundatakse lihtsalt potentsiaalseks energiaks samamoodi õhku paiskuva palli kineetiline energia on.
Laineenergiajahelimoodustavad täiendava liiki kineetilise energia, mis on laine liikumisega seotud energia. Lainega liigub häire läbi keskkonna. Iga selle keskkonna punkt võnkub laine läbimisel paigas - kas joondatud liikumissuunaga (apikilaine) või sellega risti (apõiklaine), nagu on näha lainega nööril.
Kui keskkonnas olevad punktid võnkuvad paigas, liigub häire ise ühest kohast teise. See on kineetilise energia vorm, kuna see on füüsilise materjali liikumise tulemus.
Lainega seotud energia on tavaliselt otseselt proportsionaalne laine amplituudi ruuduga. Täpne suhe sõltub aga laine tüübist ja keskkonnast, mille kaudu see liigub.
Üheks lainetüübiks on helilaine, mis on pikilaine. See tuleneb kokkusurumisest (piirkonnad, kus keskkond on kokku surutud) ja haruldustest (piirkondades, kus keskkond on vähem kokku surutud) enamasti õhus või muus materjalis.
Kiirgav energiaon seotud laineenergiaga, kuid pole päris sama. See on energia elektromagnetilise kiirguse kujul. Nähtav valgus võib teile kõige paremini tuttav olla, kuid seda energiat saab sellist tüüpi, mida me samuti ei näe, näiteks raadiolained, mikrolained, infrapuna-, ultraviolett-, röntgen- ja gammakiired. See on footonite kantud energia - valguse osakesed. Väidetavalt avaldavad footonid osakese / laine duaalsust, see tähendab, et nad toimivad nii laine kui ka osakesena.
Kiirgusenergia erineb tavalistest lainetest väga kriitiliselt: see ei vaja liikumiseks keskkonda. Seetõttu võib see liikuda läbi ruumi vaakumi. Kogu elektromagnetiline kiirgus liigub valguse kiirusel (universumi kiireim kiirus!) Vaakumis.
Pange tähele, et footonil pole massi, seega ei saa me seotud kineetilise energia määramiseks kasutada lihtsalt mehaanilise kineetilise energia võrrandit. Selle asemel annab elektromagnetkiirgusega seotud energia E = hf, kusfon sagedus jahon Plancki konstant 6,626 × 10-34 Js.
Elektrienergia: Liikuva laenguga seotud kineetiline energia on sama mehaaniline kineetiline energia 1 / 2mv2; liikuv laeng tekitab aga ka magnetvälja. See magnetväli, nagu ka gravitatsiooniline või elektriväli, on võimeline andma potentsiaalset energiat kõigele, mis seda "tunnetada" saab - näiteks magnetile või muule liikuvale laengule.
Energia muundumine
Suletud süsteemi koguenergia on konserveeritud. See tähendab, et kogusumma kõigis vormides jääb konstantseks ka siis, kui see kantakse süsteemis olevate objektide vahel või muudetakse vormi või tüüpi.
Selle parim näide on see, mis juhtub õhku visatud palli kineetilise, potentsiaalse ja koguenergiaga. Oletame, et 0,5 kg kaaluv pall lastakse maapinnast ülespoole algkiirusega 20 m / s. Palli kõrguse ja liikumiskiiruse määramiseks selle igas sekundis saame kasutada järgmisi kinemaatilisi võrrandeid:
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
Kui lähenemeg10 m / s2, saame tulemused, mis on näidatud järgmises tabelis:
Nüüd vaatame seda energia perspektiivist. Iga reisi sekundi kohta saame arvutada potentsiaalse energia, kasutades sedamghja kineetiline energia, kasutades 1 / 2mv2. Koguenergia on nende kahe summa. Lisades oma tabelisse veerud potentsiaalse, kineetilise ja koguenergia saamiseks, saame:
•••na
Nagu näete, on kogu palli energia kineetiline oma raja alguses. Tõustes selle kiirus väheneb ja kõrgus suureneb ning kineetiline energia muundub potentsiaalseks energiaks. Kui see on kõige kõrgemas punktis, on kogu algkineetika muutunud potentsiaaliks ja siis protsess pöörab ennast tagasi, kui see tagasi langeb. Kogu raja vältel jäi koguenergia püsivaks.
Kui meie näide oleks sisaldanud hõõrdumist või muid hajutavaid jõude, siis kogu energia oleks siiski konserveeritud, kuid kogu mehaaniline energia mitte. Mehaaniline koguenergia võrduks kogu energia ja muud tüüpi energiaks, näiteks soojus- või helienergiaks muundatud energia vahe.