Postoje dva glavna oblika energije: kinetička i potencijalna energija.Kinetička energijaje energija kretanja predmeta ili čestice ipotencijalna energijaje energija povezana s položajem predmeta ili čestice.
Ponekad se kinetička i potencijalna energija povezana s mehaničkim procesima makroskopskog objekta zajednički nazivajumehanička energijai isključuju oblike energije povezane s toplinskim, kemijskim i atomskim procesima.
Temeljni je zakon fizike da se ukupna energija u zatvorenom sustavu čuva. To se nazivazakon očuvanja energije. Odnosno, dok energija može promijeniti oblik ili se prenijeti s jednog predmeta na drugi, ukupna količina uvijek će ostati konstantna u sustavu koji je savršeno izoliran od svoje okoline.
Da bi se pojednostavili izračuni u mnogim uvodnim problemima iz fizike, često se pretpostavlja da su trenje i drugo disipativne sile su zanemarive, što rezultira odvojenom ukupnom mehaničkom energijom zatvorenog sustava konzervirano.
Mehanička energija se može pretvoriti u toplinsku i druge vrste energije kada je prisutno trenje, a može biti teško dobiti bilo kakvu toplinsku energiju koja bi se vratila u mehaničku energiju (i nemoguće je navesti da to učini u cijelosti.) Zbog toga se o mehaničkoj energiji često govori kao o zasebnoj očuvanoj veličini, ali, opet, ona se čuva samo kad nema trenje.
SI jedinica za energiju je džul (J) gdje je 1 džul = 1 njutn × 1 metar.
Vrste potencijalne energije
Potencijalna energija je energija zbog položaja ili rasporeda predmeta ili čestica. Ponekad se opisuje kao pohranjena energija, ali to nije sasvim točno jer se kinetička energija može smatrati i pohranjenom energijom jer je još uvijek sadržana u objektu koji se kreće. Glavne vrste potencijalne energije su:
Elastična potencijalna energija, koja je energija u obliku deformacije predmeta poput opruge. Kada stisnete ili istegnete oprugu izvan njenog ravnotežnog (odmarajućeg) položaja, ona će imati elastičnu potencijalnu energiju. Kad se oslobodi ovo proljeće, ta će se elastična potencijalna energija transformirati u kinetičku.
U slučaju mase ovješene o oprugu koja se zatim rasteže i oslobađa, masa će oscilirati gore-dolje kako elastična potencijalna energija postaje kinetička energija, zatim se transformira natrag u potencijal i tako dalje (pri čemu se dio mehaničke energije mijenja u nemehaničke oblike uslijed trenje.)
Jednadžba potencijalne energije pohranjene u opruzi dana je:
PE_ {opruga} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Gdjekje konstanta opruge i Δx pomak iz ravnoteže.
Gravitacijska potencijalna energijaje energija zbog položaja objekta u gravitacijskom polju. Kada se objekt u takvom polju oslobodi, ubrzat će se, a ta će se potencijalna energija transformirati u kinetičku.
Gravitacijska potencijalna energija za objekt masemu blizini površine Zemlje daje:
PE_ {grav} = mgh
Gdjegje gravitacijska konstanta 9,8 m / s2, ihje visina iznad razine tla.
Slično gravitacijskoj potencijalnoj energiji,električna potencijalna energijarezultat je smještaja predmeta s nabojem u električnom polju. Ako se puste u ovo polje, ubrzat će duž linija polja baš kao što pada masa, a njihova električna potencijalna energija transformirat će se u kinetičku energiju.
Formula za električnu potencijalnu energiju ima točkasti nabojqudaljenostrod točkovnog nabojaPdaje:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} naboj} = \ frac {kqQ} {r}
Gdjekje Coulombova konstanta 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Vjerojatno vam je poznat pojamnapon, koji se odnosi na količinu koja se nazivaelektrični potencijal. Električna potencijalna energija nabojaqmože se naći iz električnog potencijala (napona,V) prema sljedećem:
PE_q = qV
Kemijska potencijalna energijaje energija pohranjena u kemijskim vezama i rasporedima atoma. Ova se energija može transformirati u druge oblike tijekom kemijskih reakcija. Primjer za to je vatra - dok vatra gori, potencijalna energija u kemijskim vezama gorućeg materijala pretvara se u toplinu i energiju zračenja. Kada jedete hranu, procesi u vašem tijelu pretvaraju kemijsku energiju u energiju koja je vašem tijelu potrebna da bi ostalo živo i izvršavalo sve osnovne zadatke življenja.
Nuklearna potencijalna energijaje energija u atomskoj jezgri. Kad se nukleoni (protoni i neutroni) unutar jezgre preurede kombinirajući se, rastavljajući ili mijenjajući se od jedne do druge (bilo fuzijom, cijepanjem ili raspadom) nuklearna potencijalna energija transformira se ili pušten.
Poznati E = mc2 jednadžba opisuje količinu energije,E, oslobođeni tijekom takvih procesa u smislu masemi brzina svjetlostic. Nukleusi mogu završiti s manjom ukupnom masom nakon raspada ili fuzije, a ta razlika u masi izravno prevodi u količinu nuklearne potencijalne energije koja se pretvara u druge oblike, poput zračenja i toplinska.
Vrste kinetičke energije
Kinetička energija je energija kretanja. Dok objekt s potencijalnom energijom ima potencijal za kretanje, objekt s kinetičkom energijom se kreće. Glavne vrste kinetičke energije su:
Mehanička kinetička energija, koja je kinetička energija makroskopskog predmeta masemkrećući se brzinomv. Daje se formulom:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Savjeti
Za objekt koji pada uslijed gravitacije, očuvanje mehaničke energije omogućuje nam određivanje njegove brzine dok pada bez korištenja standardnih jednadžbi konstantnog ubrzanja gibanja. Jednostavno odredite ukupnu mehaničku energiju prije nego što objekt počne padati (mgh), a onda na kojoj god visini bila, razlika u potencijalnoj energiji mora biti jednaka 1 / 2mv2. Jednom kad spoznate kinetičku energiju, možete je riješitiv.
Termalna energija, također poznat i kao toplinska energija, rezultat je vibracija molekula u tvari. Što se molekule brže kreću, to je toplinska energija veća i topliji je objekt. Što je kretanje sporije, objekt je hladniji. U granici u kojoj se zaustavlja svako kretanje, temperatura objekta je apsolutnih 0 u jedinicama Kelvina.
Temperatura je mjera prosječne translacijske kinetičke energije po molekuli. Toplinska energija idealnog monatomskog plina daje se formulom:
E_ {termički} = \ frac {3} {2} Nk_BT
GdjeNje broj atoma,Tje temperatura u Kelvinu ikBje Boltzmannova konstanta 1,381 × 10-23 J / K.
Na površini se to može shvatiti kao ista vrsta stvari koja je mehanička kinetička energija. Rezultat je to objekata (u ovom slučaju molekula) koji se fizički kreću određenom brzinom. Ali ovo se kretanje događa na mikroskopskoj skali unutar većeg objekta, pa ima smisla tretirati ga drugačije - pogotovo jer je nemoguće objasniti kretanje svake pojedine molekule unutar nešto!
Također imajte na umu da nema smisla miješati ovo s mehaničkom kinetičkom energijom jer ta energija nije takva jednostavno transformirana u potencijalnu energiju na isti način kao i kinetička energija lopte koja se baca u zrak je.
Energija valovaizvuktvore dodatnu vrstu kinetičke energije, koja je energija povezana s gibanjem valova. S valom poremećaj putuje kroz medij. Bilo koja točka u tom mediju oscilirat će na mjestu dok val prolazi - bilo poravnato sa smjerom kretanja (auzdužni val) ili okomito na njega (apoprečni val), kakav se vidi s valom na žici.
Dok točke u mediju osciliraju na mjestu, sam poremećaj putuje s jednog mjesta na drugo. Ovo je oblik kinetičke energije jer je rezultat fizičkog kretanja materijala.
Energija povezana s valom obično je izravno proporcionalna kvadratu amplitude vala. Točan odnos, međutim, ovisi o vrsti vala i mediju kroz koji putuje.
Jedna vrsta valova je zvučni val, koji je uzdužni val. Odnosno, rezultat je kompresija (područja u kojima je medij komprimiran) i rijetkih pojava (područja u kojima je medij slabije komprimiran) u zraku ili drugom materijalu, najčešće.
Zračna energijaje povezan s energijom valova, ali nije posve isti. Ovo je energija u obliku elektromagnetskog zračenja. Možda vam je najpoznatija vidljiva svjetlost, ali ova energija dolazi u vrstama koje i mi ne možemo vidjeti, poput radio valova, mikrovalnih, infracrvenih, ultraljubičastih, X-zraka i gama zraka. To je energija koju nose fotoni - čestice svjetlosti. Za fotone se kaže da pokazuju dualnost čestica / val, što znači da djeluju i poput vala i čestice.
Energija zračenja razlikuje se od redovnih valova na vrlo kritičan način: nije joj potreban medij za putovanje. Zbog toga može putovati kroz vakuum prostora. Sva elektromagnetska zračenja putuju brzinom svjetlosti (najbrža brzina u svemiru!) U vakuumu.
Imajte na umu da foton nema masu, pa ne možemo jednostavno koristiti jednadžbu mehaničke kinetičke energije za određivanje pridružene kinetičke energije. Umjesto toga, energija povezana s elektromagnetskim zračenjem daje se E = hf, gdjefje frekvencija ihje Planckova konstanta 6,626 × 10-34 Js.
Električna energija: Kinetička energija povezana s pokretnim nabojem ista je mehanička kinetička energija 1 / 2mv2; međutim, pomični naboj također stvara magnetsko polje. To magnetsko polje, baš poput gravitacijskog ili električnog polja, ima sposobnost prenijeti potencijalnu energiju na sve što je može "osjetiti" - poput magneta ili drugog pokretnog naboja.
Transformacije energije
Ukupna energija zatvorenog sustava je sačuvana. Odnosno, ukupan iznos u svim oblicima ostaje konstantan čak i ako se prenosi između objekata u sustavu ili mijenja oblik ili vrstu.
Primarni primjer toga je što se događa s kinetičkom, potencijalnom i ukupnom energijom lopte bačene u zrak. Pretpostavimo da se lopta od 0,5 kg lansira prema gore od razine tla početnom brzinom od 20 m / s. Sljedeće kinematičke jednadžbe možemo koristiti za određivanje visine i brzine lopte u svakoj sekundi putovanja:
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
Ako aproksimiramogkao 10 m / s2, dobivamo rezultate prikazane u sljedećoj tablici:
Pogledajmo to sada iz energetske perspektive. Za svaku sekundu putovanja možemo izračunati potencijalnu energiju koristećimgha kinetička energija pomoću 1/2 mv2. Ukupna energija zbroj je dviju. Dodavanjem stupaca u našu tablicu za potencijalnu, kinetičku i ukupnu energiju dobivamo:
•••na
Kao što vidite, na početku svog puta sva energija lopte je kinetička. Kako se povećava, njegova se brzina smanjuje, a visina povećava, a kinetička energija pretvara se u potencijalnu energiju. Kad je na najvišoj točki, sva početna kinetika pretvorila se u potencijal, a zatim se proces preokreće samim sobom kad padne natrag. Tijekom cijelog puta ukupna energija ostala je konstantna.
Da je naš primjer uključivao trenje ili druge rasipajuće sile, dok bi ukupna energija i dalje bila sačuvana, ukupna mehanička energija ne bi. Ukupna mehanička energija bila bi jednaka razlici između ukupne energije i energije koja se transformirala u druge vrste, poput toplinske ili zvučne energije.