Kaksi pääasiallista energiamuotoa on: kineettinen energia ja potentiaalinen energia.Kineettinen energiaon kohteen tai hiukkasen liikeenergia jaMahdollinen energiaon kohteen tai hiukkasen sijaintiin liittyvä energia.
Joskus makroskooppisen kohteen mekaanisiin prosesseihin liittyvään kineettiseen ja potentiaaliseen energiaan viitataan yhdessä nimellämekaaninen energiaja sulkea pois lämpö-, kemiallisiin ja atomiprosesseihin liittyvät energiamuodot.
Fysiikan peruslaki on, että suljetussa järjestelmässä oleva kokonaisenergia säilyy. Tätä kutsutaanenergiansäästölaki. Toisin sanoen, vaikka energia voi muuttaa muotoa tai siirtyä kohteesta toiseen, kokonaismäärä pysyy aina vakiona järjestelmässä, joka on täysin eristetty ympäristöstään.
Lukujen yksinkertaistamiseksi monissa fysiikan johdantokysymyksissä oletetaan usein, että kitka ja muut haihtumisvoimat ovat merkityksettömiä, minkä seurauksena suljetun järjestelmän kokonaismekaaninen energia on erikseen säilynyt.
Mekaaninen energia voidaan muuntaa lämpö- ja muuksi energiaksi kitkan esiintyessä, ja voi olla vaikeaa saada mitään lämpöenergiaa muuttumaan takaisin mekaaniseksi energiaksi (ja mahdotonta saada se tekemään niin kokonaan.) Siksi mekaanisesta energiasta puhutaan usein erillisenä konservoituna suureena, mutta jälleen kerran se säilyy vain, kun ei ole olemassa kitka.
SI-energiayksikkö on joule (J), jossa 1 joule = 1 newton × 1 metri.
Potentiaalisen energian tyypit
Potentiaalinen energia on kohteen tai hiukkasen sijainnista tai järjestelystä johtuvaa energiaa. Sitä kuvataan joskus varastoiduksi energiaksi, mutta tämä ei ole täysin tarkka, koska kineettistä energiaa voidaan ajatella myös varastoituna energiana, koska se on edelleen liikkuvan kohteen sisällä. Tärkeimmät potentiaalisen energian tyypit ovat:
Joustava potentiaalienergia, joka on energiaa muodonmuutoksen muodossa esine, kuten jousi. Kun puristat tai venytät jousta tasapainotilan (lepoasennon) ulkopuolelle, sillä on joustava potentiaalienergia. Kun tämä jousi vapautetaan, tämä elastinen potentiaalienergia muuttuu kineettiseksi energiaksi.
Jos massa on ripustettu jousesta, joka sitten venytetään ja vapautetaan, massa värähtelee ylös ja alas elastisen potentiaalienergian muuttuessa kineettinen energia, muuttuu sitten takaisin potentiaaliksi ja niin edelleen (osa mekaanisesta energiasta muuttuu ei-mekaaniseksi muodoksi kitka.)
Jouselle varastoidun potentiaalisen energian yhtälö saadaan:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Missäkon jousivakio ja Δx on siirtymä tasapainosta.
Gravitaatiopotentiaalienergiaon energia, joka johtuu kohteen sijainnista painovoimakentässä. Kun tällaisessa kentässä oleva objekti vapautuu, se kiihtyy ja potentiaalinen energia muuttuu kineettiseksi energiaksi.
Massakohteen gravitaatiopotentiaalienergiamlähellä maapallon pintaa antaa:
PE_ {grav} = mgh
Missägon painovoimavakio 9,8 m / s2jahon korkeus maanpinnan yläpuolella.
Samanlainen kuin painovoimapotentiaalienergia,sähköpotentiaalienergiaon seurausta esineistä, joissa varausta on sijoitettu sähkökenttään. Jos ne vapautuvat tältä kentältä, ne kiihtyvät kentän viivoja pitkin samalla tavalla kuin putoava massa, ja heidän sähköpotentiaaliensa energiansa muuttuu kineettiseksi energiaksi.
Sähköpotentiaalienergian kaava on pistemaksuinenqetäisyysrpisteestäQantaa:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Missäkon Coulombin vakio 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Olet todennäköisesti perehtynyt termiinJännite, joka viittaa nimettyyn määräänsähköinen potentiaali. Latauksen sähköinen potentiaalienergiaqlöytyy sähköpotentiaalista (jännite,V) seuraavasti:
PE_q = qV
Kemiallinen potentiaalienergiaon energia, joka on varastoitu atomien kemiallisiin sidoksiin ja järjestelyihin. Tämä energia voidaan muuntaa muiksi muodoiksi kemiallisten reaktioiden aikana. Tuli on esimerkki tästä - tulen palamisen aikana palavan materiaalin kemiallisissa sidoksissa oleva potentiaalinen energia muuttuu lämmöksi ja säteilyenergiaksi. Kun syöt ruokaa, kehosi prosessit muuntavat kemiallisen energian kehosi tarvitsemaan energiaan pysyäkseen hengissä ja suorittamaan kaikki elämisen perustehtävät.
Ydinpotentiaalienergiaon energia atomiatumassa. Kun ytimen sisällä olevat nukleonit (protonit ja neutronit) järjestyvät uudelleen yhdistymällä, hajoamalla tai siirtyminen yhdestä toiseen (joko fuusion, halkeamisen tai hajoamisen kautta) ydinpotentiaalienergia muunnetaan tai vapautettu.
Kuuluisa E = mc2 yhtälö kuvaa energian määrän,E, joka vapautuu tällaisten prosessien aikana massanamja valon nopeusc. Ytimet voivat päätyä pienempään kokonaismassaan hajoamisen tai fuusion jälkeen, ja tämä massaero on suoraan tarkoittaa ydinpotentiaalien määrää, joka muunnetaan muiksi muodoiksi, kuten säteilevä ja lämpö.
Kineettisen energian tyypit
Kineettinen energia on liikkeen energia. Vaikka esineellä, jolla on potentiaalienergiaa, on potentiaalia liikkua, esineellä, jolla on kineettistä energiaa, tapahtuu liike. Kineettisen energian päätyypit ovat:
Mekaaninen kineettinen energia, joka on makroskooppisen massaobjektin kineettinen energiamliikkuu nopeudellav. Se annetaan kaavalla:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Vinkkejä
Painovoiman vuoksi putoavalle esineelle mekaanisen energian säilyminen antaa meille mahdollisuuden määrittää sen nopeus putoamisen aikana käyttämättä vakionopeuden vakiokiihdytysyhtälöitä. Määritä yksinkertaisesti mekaaninen kokonaisenergia ennen kuin esine alkaa pudota (mgh) ja sitten missä tahansa korkeudessa, potentiaalienergian eron on oltava 1 / 2mv2. Kun tiedät kineettisen energian, voit ratkaista senv.
Lämpöenergia, joka tunnetaan myös nimellä lämpöenergia, on seurausta molekyylien värähtelystä aineessa. Mitä nopeammin molekyylit liikkuvat, sitä suurempi lämpöenergia on ja kuumempi esine. Hitaampi liike, kylmempi esine. Rajalla, jossa kaikki liikkeet pysähtyvät, kohteen lämpötila on absoluuttinen 0 Kelvin-yksikköinä.
Lämpötila on keskimääräisen translaation kineettisen energian mitta molekyyliä kohti. Ihanteellisen monatomisen kaasun lämpöenergia saadaan kaavalla:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
MissäNon atomien lukumäärä,Ton lämpötila Kelvineinä jakBon Boltzmannin vakio 1,381 × 10-23 J / K.
Pinnalla tämä voidaan ymmärtää samanlaisena kuin mekaaninen kineettinen energia. Se on seurausta esineistä (tässä tapauksessa molekyyleistä), jotka liikkuvat fyysisesti tietyllä nopeudella. Mutta tämä liike tapahtuu kaikki mikroskooppisessa mittakaavassa suuremman kohteen sisällä, joten on järkevää käsitellä sitä eri tavalla - varsinkin koska on mahdotonta ottaa huomioon kunkin erillisen molekyylin liike sisäpuolella jotain!
Huomaa myös, että ei ole järkevää sekoittaa tätä mekaaniseen kineettiseen energiaan, koska tämä energia ei ole niin muuttuu yksinkertaisesti potentiaaliseksi energiaksi samalla tavalla kuin ilmaan heitettävän pallon kineettinen energia On.
Aaltoenergiajaäänimuodostavat uuden tyyppisen kineettisen energian, joka on aaltoliikkeeseen liittyvä energia. Aallon myötä häiriö kulkee väliaineen läpi. Mikä tahansa piste tuossa väliaineessa heilahtaa paikalleen aallon kulkiessa - joko linjassa liikkeen suunnan kanssa (apitkittäinen aalto) tai kohtisuorassa sitä (apoikittainen aalto), kuten näkyy aallolla merkkijonossa.
Vaikka väliaineen pisteet heilahtavat paikoillaan, itse häiriö kulkee paikasta toiseen. Tämä on eräänlainen kineettinen energia, koska se on seurausta fyysisen materiaalin liikkumisesta.
Aaltoon liittyvä energia on tyypillisesti suoraan verrannollinen aallon amplitudin neliöön. Tarkka suhde riippuu kuitenkin aallon tyypistä ja väliaineesta, jonka läpi se kulkee.
Yksi aaltotyyppi on ääniaalto, joka on pituussuuntainen aalto. Toisin sanoen se johtuu puristuksista (alueet, joissa väliaine puristetaan) ja harvinaisista vaikutuksista (alueet, joissa väliaine on vähemmän puristettu) ilmasta tai muusta materiaalista.
Säteilevä energialiittyy aaltoenergiaan, mutta se ei ole aivan sama. Tämä on energia sähkömagneettisen säteilyn muodossa. Näkyvä valo saattaa olla sinulle parhaiten tuttu, mutta tämä energia tulee tyyppeihin, joita emme myöskään näe, kuten radioaallot, mikroaallot, infrapuna-, ultravioletti-, röntgensäteet ja gammasäteet. Se on fotonien kuljettamaa energiaa - valohiukkasia. Fotonien sanotaan osoittavan hiukkasia / aaltoja kaksinaisuudessa, mikä tarkoittaa, että ne toimivat sekä aallon että partikkelin tavoin.
Säteilyenergia eroaa tavallisista aalloista erittäin kriittisellä tavalla: se ei vaadi väliainetta, jonka läpi kulkea. Tämän vuoksi se voi kulkea avaruuden tyhjiön läpi. Kaikki sähkömagneettinen säteily kulkee valon nopeudella (maailmankaikkeuden nopein nopeus!) Tyhjiössä.
Huomaa, että fotonilla ei ole massaa, joten emme voi yksinkertaisesti käyttää mekaanisen kineettisen energian yhtälöä määrittämään siihen liittyvää kineettistä energiaa. Sen sijaan sähkömagneettiseen säteilyyn liittyvä energia saadaan E = hf, missäfon taajuus jahon Planckin vakio 6,626 × 10-34 Js.
Sähköenergia: Liikkuvaan lataukseen liittyvä kineettinen energia on sama mekaaninen kineettinen energia 1 / 2mv2; liikkuva varaus kuitenkin synnyttää magneettikentän. Tällä magneettikentällä, aivan kuten gravitaatio- tai sähkökentällä, on kyky antaa potentiaalista energiaa kaikelle, mikä voi "tuntea" sen - kuten magneetille tai muulle liikkuvalle lataukselle.
Energian muunnokset
Suljetun järjestelmän kokonaisenergia säästyy. Toisin sanoen kokonaismäärä kaikissa muodoissa pysyy vakiona, vaikka se siirretään järjestelmän objektien välillä tai muuttaa muotoa tai tyyppiä.
Hieno esimerkki tästä on se, mitä tapahtuu ilmaan heitetyn pallon kineettiselle, potentiaaliselle ja kokonaisenergialle. Oletetaan, että 0,5 kg: n pallo laukaistaan ylöspäin maanpinnasta alkunopeudella 20 m / s. Voimme käyttää seuraavia kinemaattisia yhtälöitä pallon korkeuden ja nopeuden määrittämiseksi pallon jokaisessa sekunnissa:
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
Jos arvioimmeg10 m / s2, saamme seuraavassa taulukossa esitetyt tulokset:
Katsotaan nyt sitä energianäkökulmasta. Kutakin matkasekuntia kohden voimme laskea potentiaalisen energian käyttämällämghja kineettinen energia käyttäen 1 / 2mv2. Kokonaisenergia on näiden kahden summa. Lisäämällä taulukkoomme sarakkeita potentiaalisen, kineettisen ja kokonaisenergian saamiseksi:
•••na
Kuten voit nähdä, pallon koko polku on polunsa alkaessa kineettinen. Kun se nousee, sen nopeus pienenee ja korkeus kasvaa, ja kineettinen energia muuttuu potentiaaliseksi energiaksi. Kun se on korkeimmillaan, kaikki alkuperäiset kineettiset piirteet ovat muuttuneet potentiaaliksi, ja sitten prosessi kääntyy takaisin, kun se putoaa takaisin. Koko polun ajan kokonaisenergia pysyi vakiona.
Jos esimerkkimme olisi sisältänyt kitkaa tai muita haihtuvia voimia, niin vaikka kokonaisenergia säilyisi edelleen, mekaaninen kokonaisenergia ei. Mekaaninen kokonaisenergia olisi yhtä suuri kuin kokonaisenergian ja muun tyyppiseksi muunnetun energian, kuten lämpö- tai äänienergian, ero.