Esistono due forme principali di energia: energia cinetica ed energia potenziale.Energia cineticaè l'energia del moto di un oggetto o particella, eenergia potenzialeè l'energia associata alla posizione di un oggetto o particella.
A volte l'energia cinetica e potenziale associata ai processi meccanici di un oggetto macroscopico è indicata collettivamente comeenergia meccanicaed escludere forme di energia associate a processi termici, chimici e atomici.
È una legge fondamentale della fisica che l'energia totale in un sistema chiuso si conserva. Questo è indicato comela legge di conservazione dell'energia. Cioè, mentre l'energia può cambiare forma o trasferirsi da un oggetto all'altro, la quantità totale rimarrà sempre costante in un sistema perfettamente isolato dall'ambiente circostante.
Per semplificare i calcoli in molti problemi di fisica introduttivi, si presume spesso che l'attrito e altri le forze dissipative sono trascurabili, per cui l'energia meccanica totale di un sistema chiuso è separata a conservato.
L'energia meccanica può essere convertita in energia termica e di altro tipo quando è presente l'attrito e può essere difficile convertire l'energia termica in energia meccanica (ed è impossibile farlo del tutto.) Questo è il motivo per cui l'energia meccanica è spesso considerata una quantità conservata separata, ma, ancora una volta, è conservata solo quando non c'è attrito.
L'unità SI per l'energia è il joule (J) dove 1 joule = 1 newton × 1 metro.
Tipi di energia potenziale
L'energia potenziale è l'energia dovuta alla posizione o alla disposizione di un oggetto o di una particella. A volte è descritto come energia immagazzinata, ma questo non è del tutto accurato poiché l'energia cinetica può anche essere pensata come energia immagazzinata perché è ancora contenuta all'interno dell'oggetto che si sta muovendo. I principali tipi di energia potenziale sono:
Energia potenziale elastica, che è energia sotto forma di deformazione di un oggetto come una molla. Quando comprimi o allunghi una molla oltre la sua posizione di equilibrio (riposo), avrà energia potenziale elastica. Quando questa molla viene rilasciata, questa energia potenziale elastica si trasformerà in energia cinetica.
Nel caso di una massa sospesa da una molla che viene poi allungata e rilasciata, la massa oscillerà su e giù quando l'energia potenziale elastica diventa l'energia cinetica, quindi viene trasformata di nuovo in potenziale e così via (con parte dell'energia meccanica che viene trasformata in forme non meccaniche a causa di attrito.)
L'equazione per l'energia potenziale immagazzinata in una molla è data da:
PE_{primavera}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
DoveKè la costante della molla e x è lo spostamento dall'equilibrio.
Energia potenziale gravitazionaleè l'energia dovuta alla posizione di un oggetto in un campo gravitazionale. Quando un oggetto in un tale campo viene rilasciato, accelererà e quell'energia potenziale si trasformerà in energia cinetica.
L'energia potenziale gravitazionale per un oggetto di massamvicino alla superficie terrestre è data da:
PE_{grav}=mg
Dovegè la costante gravitazionale 9,8 m/s2, ehè l'altezza sopra il livello del suolo.
Simile all'energia potenziale gravitazionale,energia potenziale elettricaè il risultato di oggetti con carica posizionati in un campo elettrico. Se rilasciati in questo campo, accelereranno lungo le linee di campo proprio come fa una massa in caduta e la loro energia potenziale elettrica si trasformerà in energia cinetica.
La formula per l'energia potenziale elettrica è di una carica puntiformequna distanzardal punto addebitoQè dato da:
PE_{elec,\text{ }pungente\text{ }carica}=\frac{kqQ}{r}
DoveKè la costante di Coulomb 8.99 × 109 Nm2/C2.
Probabilmente hai familiarità con il terminevoltaggio, che si riferisce a una quantità chiamatapotenziale elettrico. L'energia potenziale elettrica di una caricaqsi ricava dal potenziale elettrico (tensione,V) con la seguente:
PE_q=qV
Energia potenziale chimicaè l'energia immagazzinata nei legami chimici e nelle disposizioni degli atomi. Questa energia può essere trasformata in altre forme durante le reazioni chimiche. Un incendio ne è un esempio: quando il fuoco brucia, l'energia potenziale nei legami chimici del materiale in fiamme si trasforma in calore ed energia radiante. Quando mangi cibo, i processi nel tuo corpo convertono l'energia chimica nell'energia di cui il tuo corpo ha bisogno per rimanere in vita ed eseguire tutti i compiti di base della vita.
Energia potenziale nucleareè l'energia in un nucleo atomico. Quando i nucleoni (protoni e neutroni) all'interno di un nucleo si riorganizzano combinandosi, rompendosi o passando dall'una all'altra (attraverso fusione, fissione o decadimento) l'energia potenziale nucleare viene trasformata o rilasciato.
Il famoso E = mc2 l'equazione descrive la quantità di energia,E, rilasciato durante tali processi in termini di massame la velocità della lucec. I nuclei possono finire con una massa totale inferiore dopo il decadimento o la fusione e questa differenza di massa direttamente si traduce nella quantità di energia potenziale nucleare che viene convertita in altre forme, come radiante e termico.
Tipi di energia cinetica
L'energia cinetica è l'energia del movimento. Mentre un oggetto con energia potenziale ha il potenziale per muoversi, un oggetto con energia cinetica è in movimento. I principali tipi di energia cinetica sono:
Energia cinetica meccanica, che è l'energia cinetica di un oggetto macroscopico di massammuoversi con velocitàv. È dato dalla formula:
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
Suggerimenti
Per un oggetto che cade a causa della gravità, la conservazione dell'energia meccanica ci permette di determinare la sua velocità mentre cade senza usare le equazioni standard di accelerazione costante del moto. Determinare semplicemente l'energia meccanica totale prima che l'oggetto inizi a cadere (mgh), e quindi a qualunque altezza si trovi, la differenza di energia potenziale deve essere pari a 1/2mv2. Una volta che conosci l'energia cinetica, puoi risolvere perv.
Energia termica, noto anche come energia termica, è il risultato delle molecole in una sostanza che vibra. Più velocemente si muovono le molecole, maggiore è l'energia termica e più caldo è l'oggetto. Più lento è il movimento, più freddo è l'oggetto. Nel limite in cui tutto il movimento si ferma, la temperatura dell'oggetto è 0 assoluto in unità di Kelvin.
La temperatura è una misura dell'energia cinetica traslazionale media per molecola. L'energia termica di un gas monoatomico ideale è data dalla formula:
E_{termico}=\frac{3}{2}Nk_BT
Dovenoè il numero di atomi,Tè la temperatura in Kelvin, eKBè la costante di Boltzmann 1.381 × 10-23 J/K.
In superficie, questo può essere inteso come lo stesso tipo di cosa che è l'energia cinetica meccanica. È il risultato di oggetti (molecole in questo caso) che si muovono fisicamente a una certa velocità. Ma questo movimento sta accadendo tutto su scala microscopica all'interno di un oggetto più grande, quindi ha senso trattarlo in modo diverso, soprattutto perché è impossibile spiegare il movimento di ciascuna molecola distinta all'interno di qualcosa!
Nota anche che non ha senso confondere questo con l'energia cinetica meccanica poiché questa energia non è così semplicemente trasformato in energia potenziale allo stesso modo dell'energia cinetica di una palla lanciata in aria è.
Energia delle ondeesuonoformano un ulteriore tipo di energia cinetica, che è l'energia associata al moto ondoso. Con un'onda, un disturbo viaggia attraverso un mezzo. Qualsiasi punto in quel mezzo oscillerà in posizione mentre l'onda passa attraverso - sia allineato con la direzione del movimento (aonda longitudinale) o perpendicolare ad esso (aOnda trasversale), come si vede con un'onda su una corda.
Mentre i punti nel mezzo oscillano sul posto, il disturbo stesso viaggia da un luogo all'altro. Questa è una forma di energia cinetica perché è il risultato di un movimento fisico di materiale.
L'energia associata a un'onda è in genere direttamente proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda. L'esatta relazione, tuttavia, dipende dal tipo di onda e dal mezzo attraverso il quale sta viaggiando.
Un tipo di onda è un'onda sonora, che è un'onda longitudinale. Cioè, risulta da compressioni (regioni in cui il mezzo è compresso) e rarefazioni (regioni in cui il mezzo è meno compresso) in, più comunemente, aria o un altro materiale.
Energia radianteè legato all'energia delle onde, ma non è proprio la stessa cosa. Questa è energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Potresti avere più familiarità con la luce visibile, ma questa energia è disponibile in tipi che non possiamo vedere anche noi, come onde radio, microonde, infrarossi, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. È energia trasportata da fotoni, particelle di luce. Si dice che i fotoni esibiscano la dualità particella/onda, nel senso che agiscono sia come un'onda che come una particella.
L'energia radiante differisce dalle onde regolari in un modo molto critico: non richiede un mezzo attraverso il quale viaggiare. Per questo motivo, può viaggiare attraverso il vuoto dello spazio. Tutte le radiazioni elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce (la velocità più elevata dell'universo!) nel vuoto.
Nota che il fotone non ha massa, quindi non possiamo semplicemente usare l'equazione dell'energia cinetica meccanica per determinare l'energia cinetica associata. L'energia associata alla radiazione elettromagnetica è invece data da E = hf, dovefè la frequenza ehè la costante di Planck 6.626 × 10-34 Js.
Energia elettrica: L'energia cinetica associata a una carica in movimento è la stessa energia cinetica meccanica 1/2mv2; tuttavia, una carica in movimento genera anche un campo magnetico. Quel campo magnetico, proprio come un campo gravitazionale o elettrico, ha la capacità di impartire energia potenziale a tutto ciò che può "sentirlo", come un magnete o un'altra carica in movimento.
Trasformazioni Energetiche
L'energia totale di un sistema chiuso si conserva. Cioè, l'importo totale, in tutte le forme, rimane costante anche se viene trasferito tra oggetti nel sistema o cambia forma o tipo.
Un primo esempio di ciò è ciò che accade all'energia cinetica, potenziale e totale di una palla lanciata in aria. Supponiamo che una palla di 0,5 kg venga lanciata verso l'alto dal livello del suolo a una velocità iniziale di 20 m/s. Possiamo usare le seguenti equazioni cinematiche per determinare l'altezza e la velocità della palla ad ogni secondo della sua corsa:
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
Se ci avviciniamogcome 10 m/s2, otteniamo i risultati mostrati nella tabella seguente:
Ora diamo un'occhiata da una prospettiva energetica. Per ogni secondo di viaggio, possiamo calcolare l'energia potenziale usandomghe l'energia cinetica usando 1/2mv2. L'energia totale è la somma delle due. Aggiungendo colonne alla nostra tabella per l'energia potenziale, cinetica e totale, otteniamo:
•••n / A
Come puoi vedere, all'inizio del suo percorso, tutta l'energia della palla è cinetica. Man mano che sale, la sua velocità diminuisce e l'altezza aumenta e l'energia cinetica si trasforma in energia potenziale. Quando è al suo punto più alto, tutta la cinetica iniziale si è trasformata in potenziale, e quindi il processo si inverte mentre ricade. Durante l'intero percorso, l'energia totale è rimasta costante.
Se il nostro esempio avesse incluso l'attrito o altre forze dissipative, allora, mentre l'energia totale sarebbe ancora conservata, l'energia meccanica totale no. L'energia meccanica totale sarebbe uguale alla differenza tra l'energia totale e l'energia che si è trasformata in altri tipi, come l'energia termica o sonora.