Az energia két fő formája létezik: kinetikus energia és potenciális energia.Kinetikus energiaegy tárgy vagy részecske mozgási energiája, éshelyzeti energiaa tárgy vagy részecske helyzetéhez kapcsolódó energia.
Néha a makroszkopikus tárgy mechanikai folyamataival kapcsolatos kinetikai és potenciális energiára együttesen hivatkozunkmechanikus energiaés kizárja a termikus, kémiai és atomi folyamatokhoz kapcsolódó energiaformákat.
A fizika alapvető törvénye, hogy a zárt rendszer teljes energiája konzerválódik. Ezt nevezikaz energia megmaradásának törvénye. Vagyis, bár az energia megváltozhat, vagy egyik tárgyról a másikra átvihető, a teljes mennyiség mindig állandó marad egy olyan rendszerben, amely tökéletesen el van szigetelve a környezetétől.
Számos bevezető fizikai probléma számításainak egyszerűsítése érdekében gyakran feltételezik, hogy a súrlódás és egyéb a disszipatív erők elhanyagolhatóak, ami azt eredményezi, hogy egy zárt rendszer teljes mechanikai energiája külön-külön van konzervált.
A mechanikai energia súrlódás esetén hő- és más típusú energiává alakítható, és nehéz lehet bármilyen hőenergiát visszanyerni mechanikai energiává (és lehetetlen ezt teljes egészében elérni.) Ezért a mechanikus energiáról gyakran külön konzervált mennyiségként beszélnek, de megint csak akkor konzerválódik, ha nincs súrlódás.
Az energia SI mértékegysége a joule (J), ahol 1 joule = 1 newton × 1 méter.
A potenciális energia típusai
A potenciális energia egy tárgy vagy részecske helyzetének vagy elrendezésének köszönhető energia. Néha tárolt energiaként írják le, de ez nem teljesen pontos, mivel a kinetikus energia tárolt energiának is tekinthető, mert még mindig benne van a mozgó tárgyban. A potenciális energia fő típusai a következők:
Rugalmas potenciális energia, amely energia egy tárgy deformációja formájában, például egy rugó. Amikor a rugót az egyensúlyi (nyugalmi) helyzetén túl összenyomja vagy kinyújtja, rugalmas potenciális energiával rendelkezik. Amikor ez a rugó felszabadul, ez a rugalmas potenciális energia kinetikai energiává alakul.
Egy olyan rugónál függő tömeg esetén, amelyet aztán megnyújtunk és elengedünk, a tömeg felfelé és lefelé ingadozik, ahogy a rugalmas potenciális energia válik kinetikus energiát, majd visszaalakul a potenciálra és így tovább (a mechanikai energia egy részét nem mechanikus formává változtatják a súrlódás.)
A rugóban tárolt potenciális energia egyenletét az alábbiak adják meg:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Holka rugóállandó és Δx az egyensúlyból való elmozdulás.
Gravitációs potenciális energiaa tárgy gravitációs mezőben való elhelyezkedésének köszönhető energia. Amikor egy ilyen mezőben lévő tárgy felszabadul, felgyorsul, és ez a potenciális energia átalakul kinetikus energiává.
A tömeges tárgy gravitációs potenciális energiájama Föld felszíne közelében:
PE_ {grav} = mgh
Holga gravitációs állandó 9,8 m / s2, ésha talajszint feletti magasság.
Hasonló a gravitációs potenciális energiához,elektromos potenciális energiaannak az eredménye, hogy a töltéssel rendelkező tárgyak elektromos mezőben helyezkednek el. Ha felszabadulnak ezen a téren, akkor a mező vonala mentén felgyorsulnak, akárcsak egy zuhanó tömeg, és elektromos potenciális energiájuk kinetikus energiává alakul át.
Az elektromos potenciális energia képlete pont töltésűqtávolságrponttöltéstőlQáltal adva:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
HolkCoulomb állandó értéke 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Valószínűleg ismeri a kifejezéstfeszültség, amely az úgynevezett mennyiségre utalelektromos potenciál. A töltés elektromos potenciális energiájaqaz elektromos potenciálból (feszültség,V) az alábbiak szerint:
PE_q = qV
Kémiai potenciálenergiaaz atomok kémiai kötéseiben és elrendeződéseiben tárolt energia. Ez az energia a kémiai reakciók során más formákká alakulhat át. A tűz erre példa - a tűz égésekor az égő anyag kémiai kötéseiben lévő potenciális energia hővé és sugárzó energiává alakul. Ha ételt eszel, a testedben zajló folyamatok átalakítják a kémiai energiát abba az energiába, amelyre a testednek szüksége van életben maradásához és az élet minden alapvető feladatának elvégzéséhez.
Nukleáris energiaenergia az atommagban. Amikor a mag belsejében található nukleonok (protonok és neutronok) kombinálódva, szétválva vagy egyikről a másikra váltva (akár fúzió, akár hasadás, akár bomlás révén) a nukleáris energia átalakul, ill megjelent.
A híres E = mc2 az egyenlet az energia mennyiségét írja le,E, az ilyen folyamatok során a tömeg szempontjából szabadul felmés a fénysebességc. A magok bomlás vagy fúzió után alacsonyabb össztömegre juthatnak, és ez a tömegkülönbség közvetlenül a nukleáris energiamennyiséget jelenti, amely más formákká alakul át, például sugárzó és termikus.
A kinetikus energia típusai
A kinetikus energia a mozgás energiája. Míg egy potenciális energiájú tárgy mozoghat, addig a mozgási energiájú tárgy mozgásban van. A kinetikus energia fő típusai:
Mechanikai mozgási energia, amely egy makroszkopikus tömegtárgy kinetikus energiájamsebességgel haladvav. A képlet adja meg:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Tippek
A gravitáció miatt eső tárgyak esetében a mechanikai energia megőrzése lehetővé teszi számunkra, hogy meghatározzuk annak sebességét, ahogy esik, anélkül, hogy a mozgás standard állandó gyorsulási egyenleteit használnánk. Egyszerűen határozza meg a teljes mechanikai energiát, mielőtt az objektum zuhanni kezdene (mgh), majd bármilyen magasságban van, a potenciális energia különbségének meg kell egyeznie 1 / 2mv-vel2. Miután ismeri a kinetikus energiát, megoldhatjav.
Hőenergia, más néven hőenergia, az anyag molekuláinak rezgése. Minél gyorsabban mozognak a molekulák, annál nagyobb a hőenergia, és a tárgy forróbb. Minél lassabb a mozgás, annál hidegebb az objektum. Abban a határban, ahol minden mozgás leáll, az objektum hőmérséklete abszolút 0, Kelvin egységben kifejezve.
A hőmérséklet az egy molekulára jutó átlagos transzlációs mozgási energia mértéke. Az ideális egyatomú gáz hőenergiáját a következő képlet adja meg:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
HolNaz atomok száma,Ta hőmérséklet Kelvinben, éskBa Boltzmann-féle állandó 1,381 × 10-23 J / K.
A felszínen ez ugyanolyan dologként értelmezhető, mint a mechanikai kinetikus energia. Ez olyan tárgyak (ebben az esetben molekulák) eredménye, amelyek fizikailag bizonyos sebességgel mozognak. De ez a mozgás mikroszkópos skálán történik egy nagyobb tárgyon belül, ezért van értelme kezelni másképp - főleg azért, mert lehetetlen számba venni az egyes molekulák belső mozgását valami!
Vegye figyelembe azt is, hogy nincs értelme összekeverni ezt a mechanikai mozgási energiával, mivel ez az energia nem így van egyszerűen átalakul potenciális energiává ugyanúgy, mint a levegőbe dobott labda mozgási energiája van.
Hullámenergiaéshangképeznek egy újabb típusú kinetikus energiát, amely a hullámmozgással társított energia. Hullámmal a zavar egy közegen halad át. Az adott közeg bármely pontja a helyén ingadozik, amikor a hullám áthalad - vagy a mozgás irányához igazítva (ahosszanti hullám) vagy arra merőleges (akeresztirányú hullám), mint amilyen a húron látható hullámmal látható.
Míg a közeg pontjai a helyükben ingadoznak, maga a zavar egyik helyről a másikra halad. Ez a kinetikus energia egyik formája, mert egy fizikai anyag mozgásának eredménye.
A hullámhoz kapcsolódó energia jellemzően egyenesen arányos a hullám amplitúdójának négyzetével. A pontos kapcsolat azonban a hullám típusától és a közegtől függ, amelyen keresztül halad.
Az egyik hullámtípus a hanghullám, amely egy hosszirányú hullám. Vagyis a levegőben vagy más anyagban előforduló tömörítésekből (régiók, amelyekben a közeg összenyomódik) és ritkaságokból (olyan régiókból, amelyekben a közeg kevésbé összenyomódott) következik be.
Sugárzó energiaa hullámenergiához kapcsolódik, de nem teljesen ugyanaz. Ez az energia elektromágneses sugárzás formájában. Lehet, hogy Ön a legjobban ismeri a látható fényt, de ez az energia olyan típusokban érkezik, amelyeket mi sem láthatunk, például rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös, ultraibolya, röntgensugarak és gammasugarak. Ez a fotonok - fényrészecskék - által hordozott energia. A fotonokról azt mondják, hogy részecske / hullám kettősséget mutatnak, vagyis mind hullámként, mind részecskeként hatnak.
A sugárzó energia nagyon kritikus módon különbözik a szabályos hullámoktól: Nem szükséges közeg, amelyen keresztül lehet utazni. Emiatt a tér vákuumában utazhat. Minden elektromágneses sugárzás fénysebességgel (a világegyetem leggyorsabb sebességével!) Vákuumban halad.
Megjegyezzük, hogy a fotonnak nincs tömege, ezért nem egyszerűen használhatjuk a mechanikai kinetikai energiaegyenletet a kapcsolódó kinetikus energia meghatározására. Ehelyett az elektromágneses sugárzáshoz kapcsolódó energiát E = hf adja meg, aholfa frekvencia ésha Planck-féle állandó 6,626 × 10-34 Js.
Elektromos energia: A mozgó töltéshez tartozó mozgási energia azonos mechanikai mozgási energiával 1 / 2mv2; azonban egy mozgó töltés mágneses teret is létrehoz. Ez a mágneses mező, csakúgy, mint egy gravitációs vagy elektromos mező, képes arra, hogy potenciális energiát adjon bármire, ami "érezni tudja" - például mágnes vagy más mozgó töltés.
Energiaátalakulások
A zárt rendszer teljes energiája konzervált. Vagyis a teljes összeg minden formában állandó marad, még akkor is, ha a rendszerben lévő objektumok között átviszik, vagy megváltoztatja az űrlapot vagy a típust.
Kiváló példa erre, hogy mi történik a levegőbe dobott labda kinetikai, potenciális és teljes energiájával. Tegyük fel, hogy egy 0,5 kg-os golyót felfelé indítanak a talajszinttől 20 m / s kezdeti sebességgel. A következő kinematikai egyenleteket használhatjuk a gömb magasságának és sebességének meghatározásához menetének minden másodpercében:
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
Ha közelítünkg10 m / s sebességgel2, az alábbi táblázatban látható eredményeket kapjuk:
Most nézzük meg energetikai szempontból. Az utazás minden másodpercére kiszámíthatjuk a lehetséges energiátmghés a kinetikus energia 1 / 2mv felhasználásával2. A teljes energia a kettő összege. Oszlopokat hozzáadva a táblázatunkhoz a potenciális, a kinetikus és az összenergiáról, kapjuk:
•••na
Mint látható, útjának kezdetén a labda teljes energiája kinetikus. Emelkedésével a sebessége csökken és a magassága nő, és a mozgási energia potenciális energiává alakul. Amikor a legmagasabb ponton van, az összes kezdeti kinetika potenciálissá vált, majd a folyamat visszafordul, amikor visszaesik. Az egész út során a teljes energia állandó maradt.
Ha a példánk tartalmazott volna súrlódást vagy más disszipatív erőket, akkor, miközben a teljes energia továbbra is konzerválódott, a teljes mechanikus energia nem. A teljes mechanikai energia megegyezne a teljes energia és a más típusúvá, például hő- vagy hangenergiává átalakult energia közötti különbséggel.