שתי צורות עיקריות של אנרגיה קיימות: אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית.אנרגיה קינטיתהיא אנרגיית התנועה של אובייקט או חלקיק, ואנרגיה פוטנציאליתהיא האנרגיה הקשורה למיקום של אובייקט או חלקיק.
לעיתים האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית הקשורה לתהליכים מכניים של אובייקט מקרוסקופי מכונה ביחדאנרגיה מכניתולא לכלול צורות אנרגיה הקשורות לתהליכים תרמיים, כימיים ואטומים.
זהו חוק יסודי של הפיזיקה כי האנרגיה הכוללת במערכת סגורה נשמרת. זה מכונהחוק שימור האנרגיה. כלומר, בעוד שאנרגיה עשויה לשנות צורה או להעביר מאובייקט אחד לאחר, הסכום הכולל תמיד יישאר קבוע במערכת מבודדת לחלוטין מסביבתה.
כדי לפשט חישובים בבעיות פיסיקה רבות בהיכרות, לעתים קרובות מניחים שחיכוכים ואחרים כוחות פיזור זניחים, מה שמביא לכך שהאנרגיה המכנית הכוללת של מערכת סגורה תהיה בנפרד מְשׁוּמָר.
ניתן להמיר אנרגיה מכנית לסוגי אנרגיה תרמית ואחרים כאשר קיים חיכוך, וזה יכול להיות קשה להשיג שום אנרגיה תרמית שתחזור לאנרגיה מכנית (ואי אפשר לגרום לזה לעשות זאת לחלוטין.) זו הסיבה שמדברים לעתים קרובות על אנרגיה מכנית ככמות שמורה נפרדת, אך, שוב, היא נשמרת רק כשאין חיכוך.
יחידת ה- SI לאנרגיה היא הג'אול (J) כאשר 1 ג'ול = 1 ניוטון × 1 מטר.
סוגי אנרגיה פוטנציאלית
אנרגיה פוטנציאלית היא אנרגיה הנובעת ממיקום או סידור של אובייקט או חלקיק. לעיתים היא מתוארת כאנרגיה מאוחסנת, אך הדבר אינו מדויק לחלוטין מכיוון שאפשר לחשוב על אנרגיה קינטית כאנרגיה מאוחסנת מכיוון שהיא עדיין כלולה בתוך האובייקט שנע. הסוגים העיקריים של אנרגיה פוטנציאלית הם:
אנרגיה אלסטית פוטנציאלית, שהיא אנרגיה בצורה של דפורמציה של אובייקט כמו קפיץ. כאשר אתה דוחס או מותח קפיץ מעבר למצב שיווי המשקל (מנוחה), תהיה לו אנרגיה פוטנציאלית אלסטית. כאשר הקפיץ הזה ישוחרר, אנרגיה פוטנציאלית אלסטית זו תהפוך לאנרגיה קינטית.
במקרה של מסה שתלויה בקפיץ שנמתח ואז משתחרר, המסה תנודד מעלה ומטה ככל שהאנרגיה הפוטנציאלית האלסטית הופכת להיות אנרגיה קינטית, ואז הופכת חזרה לפוטנציאל וכן הלאה (כאשר חלק מהאנרגיה המכנית משתנה לצורות לא מכניות בגלל חיכוך.)
המשוואה לאנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת בקפיץ ניתנת על ידי:
PE_ {קפיץ} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
איפהkהוא הקפיץ הקבוע ו- Δx הוא העקירה משיווי המשקל.
אנגריה פוטנציאלית של כוח המשיכההיא האנרגיה הנובעת ממיקום האובייקט בשדה הכבידה. כאשר עצם בשדה כזה משתחרר, הוא יואץ, ואנרגיה פוטנציאלית זו תהפוך לאנרגיה קינטית.
אנרגיית הפוטנציאל הכבידה של אובייקט מסהMליד פני כדור הארץ ניתן על ידי:
PE_ {grav} = מ"ג
איפהזהוא קבוע הכבידה 9.8 מ / ש2, וחהוא הגובה מעל פני הקרקע.
בדומה לאנרגיה פוטנציאלית כבידתית,אנרגיה פוטנציאלית חשמליתהיא תוצאה של עצמים עם מטען שמוצבים בשדה חשמלי. אם ישתחררו בשדה זה, הם יאיצו לאורך קווי השדה בדיוק כמו שמסת נופלת, ואנרגיית הפוטנציאל החשמלית שלהם תהפוך לאנרגיה קינטית.
הנוסחה לאנרגיה פוטנציאלית חשמלית היא של מטען נקודתישמרחקרמטעינה נקודתיתשניתן ע"י:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
איפהkהוא קבוע של 8.99 × 10 של קולומב9 Nm2/ ג2.
סביר להניח שאתה מכיר את המונחמתח, שמתייחס לכמות שנקראתפוטנציאל חשמלי. האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של מטעןשניתן למצוא מהפוטנציאל החשמלי (מתח,ו) על ידי הדברים הבאים:
PE_q = qV
אנרגיה פוטנציאלית כימיתהיא אנרגיה המאוחסנת בקשרים כימיים ובסידורי האטומים. ניתן להפוך אנרגיה זו לצורות אחרות במהלך תגובות כימיות. אש היא דוגמה לכך - כאשר האש בוערת, אנרגיה פוטנציאלית בקשרים הכימיים של החומר הבוער הופכת לחום ולאנרגיה קורנת. כשאתה אוכל מזון, תהליכים בגופך הופכים אנרגיה כימית לאנרגיה שגופך זקוק לה כדי להישאר בחיים ולבצע את כל משימות החיים הבסיסיות.
אנרגיה פוטנציאלית גרעיניתהיא אנרגיה בגרעין אטומי. כאשר הגרעינים (פרוטונים ונויטרונים) בתוך גרעין מתארכים מחדש על ידי שילוב, פירוק או שינוי מאחד לשני (באמצעות היתוך, ביקוע או ריקבון) הופכת אנרגיה פוטנציאלית גרעינית או מְשׁוּחרָר.
E = mc המפורסם2 משוואה מתארת את כמות האנרגיה,ה, שוחרר במהלך תהליכים כאלה מבחינת המסהMומהירות האורג. גרעינים יכולים להסתיים במסה כוללת נמוכה יותר לאחר ריקבון או היתוך, והפרש מסה זה ישירות מתרגם לכמות האנרגיה הפוטנציאלית הגרעינית המומר לצורות אחרות, כגון קורן ו תֶרמִי.
סוגי אנרגיה קינטית
אנרגיה קינטית היא אנרגיית התנועה. בעוד שלאובייקט עם אנרגיה פוטנציאלית יש פוטנציאל לנוע, אובייקט עם אנרגיה קינטית עובר תנועה. הסוגים העיקריים של אנרגיה קינטית הם:
אנרגיה קינטית מכנית, שהיא האנרגיה הקינטית של אובייקט מסה מקרוסקופיMנע במהירותv. זה ניתן על ידי הנוסחה:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
טיפים
עבור אובייקט הנופל בגלל כוח הכבידה, שימור האנרגיה המכנית מאפשר לנו לקבוע את מהירותו בזמן שהוא נופל מבלי להשתמש במשוואות התנועה הקבועות הסטנדרטיות. כל שעליך לעשות הוא לקבוע את סך האנרגיה המכנית לפני שהאובייקט מתחיל ליפול (mgh) ואז בכל גובה שהוא נמצא, ההבדל באנרגיה הפוטנציאלית חייב להיות שווה ל -1 / 2mv2. ברגע שאתה יודע אנרגיה קינטית, אתה יכול לפתור את זהv.
אנרגיית תרמית, המכונה גם אנרגיית חום, היא תוצאה של המולקולות בחומר הרוטט. ככל שהמולקולות מסתובבות מהר יותר, כך האנרגיה התרמית גדולה יותר והאובייקט חם יותר. ככל שהתנועה איטית יותר כך האובייקט קר יותר. בגבול שבו כל התנועה נעצרת, הטמפרטורה של האובייקט היא מוחלטת 0 ביחידות קלווין.
טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית התרגומית הממוצעת למולקולה. האנרגיה התרמית של גז מונוטומי אידיאלי ניתנת על ידי הנוסחה:
E_ {תרמי} = \ frac {3} {2} Nk_BT
איפהנהוא מספר האטומים,טהיא הטמפרטורה בקלווין, וkבהוא 1.381 × 10 הקבוע של בולצמן-23 J / K.
על פני השטח, ניתן להבין זאת כאותו סוג של דבר שהוא אנרגיה קינטית מכנית. זו תוצאה של עצמים (מולקולות במקרה זה) שנעים פיזית במהירות מסוימת. אבל כל התנועה הזו מתרחשת בקנה מידה מיקרוסקופי בתוך אובייקט גדול יותר, ולכן הגיוני לטפל בו אחרת - במיוחד משום שאי אפשר להסביר את התנועה של כל מולקולה נפרדת בתוכה משהו!
שימו לב גם שזה לא הגיוני לבלבל את זה עם אנרגיה קינטית מכנית מכיוון שאנרגיה זו אינה כל כך פשוט הפך לאנרגיה פוטנציאלית באותו אופן לאנרגיה הקינטית של כדור שנזרק באוויר הוא.
אנרגיית גלונשמעיוצרים סוג נוסף של אנרגיה קינטית, שהיא האנרגיה הקשורה לתנועת גל. עם גל, הפרעה עוברת דרך מדיום. כל נקודה במדיום ההוא תתנודד במקומה כאשר הגל עובר - או מיושר לכיוון התנועה (אגל אורך) או בניצב אליו (אגל רוחבי), כמו שנראה עם גל על חוט.
בעוד הנקודות במדיום מתנודדות במקום, ההפרעה עצמה עוברת ממקום למקום אחר. זוהי סוג של אנרגיה קינטית מכיוון שהיא תוצאה של חומר פיזי הנע.
האנרגיה הקשורה לגל היא בדרך כלל ביחס ישר לריבוע משרעת הגל. הקשר המדויק, לעומת זאת, תלוי בסוג הגל והמדיום דרכו הוא נע.
סוג אחד של גל הוא גל קול, שהוא גל אורכי. כלומר, היא נובעת מדחיסות (אזורים בהם המדיום דחוס) וריפציות (אזורים שבהם המדיום דחוס פחות) בחומר, בדרך כלל, או חומר אחר.
אנרגיה קורנתקשור לאנרגיית גל, אבל זה לא ממש אותו דבר. זו אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית. יתכן שאתה מכיר את האור הנראה לעין, אך אנרגיה זו מגיעה בסוגים שאיננו יכולים לראות גם כמו גלי רדיו, מיקרוגל, אינפרא אדום, אולטרה סגול, קרני רנטגן וקרני גמא. זו אנרגיה המובלת על ידי פוטונים - חלקיקי אור. אמרו כי פוטונים מציגים דואליות של חלקיקים / גל, כלומר הם פועלים גם כמו גל וגם חלקיק.
אנרגיה קורנת שונה מגלים רגילים בצורה קריטית מאוד: היא אינה דורשת מדיום שדרכו ניתן לנסוע. בגלל זה הוא יכול לנסוע דרך הוואקום של החלל. כל הקרינה האלקטרומגנטית נעה במהירות האור (המהירות המהירה ביותר ביקום!) בוואקום.
שים לב שלפוטון אין מסה, ולכן איננו יכולים פשוט להשתמש במשוואת האנרגיה הקינטית המכנית כדי לקבוע את האנרגיה הקינטית הקשורה. במקום זאת, האנרגיה הקשורה לקרינה אלקטרומגנטית ניתנת על ידי E = hf, איפהfהוא תדר וחהוא קבוע של פלאנק 6.626 × 10-34 ג'ס.
אנרגיה חשמלית: האנרגיה הקינטית הקשורה למטען נע היא אותה אנרגיה קינטית מכנית 1 / 2mv2; עם זאת, מטען נע מייצר גם שדה מגנטי. לשדה מגנטי זה, בדיוק כמו שדה כבידה או חשמלי, יכולת להקנות אנרגיה פוטנציאלית לכל מה שיכול "להרגיש" אותו - כגון מגנט או מטען נע אחר.
טרנספורמציות אנרגיה
האנרגיה הכוללת של מערכת סגורה נשמרת. כלומר, הסכום הכולל, בכל הצורות, נשאר קבוע גם אם הוא מועבר בין אובייקטים במערכת או משנה צורה או סוג.
דוגמה מעולה לכך היא מה שקורה לאנרגיה הקינטית, הפוטנציאלית והסך הכל של כדור שנזרק לאוויר. נניח שכדור של 0.5 ק"ג משוגר מעלה מעל פני הקרקע במהירות התחלתית של 20 מ"ש. אנו יכולים להשתמש במשוואות הקינמטיות הבאות כדי לקבוע את גובה המהירות של הכדור בכל שנייה בנסיעתו:
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
אם אנו משועריםזכ -10 מ 'לשנייה2, אנו מקבלים את התוצאות המוצגות בטבלה הבאה:
עכשיו בואו נסתכל על זה מנקודת מבט אנרגטית. בכל שנייה של נסיעה נוכל לחשב את האנרגיה הפוטנציאלית באמצעותmghואת האנרגיה הקינטית באמצעות 1 / 2mv2. האנרגיה הכוללת היא סכום השניים. הוספת עמודות לטבלה שלנו עבור אנרגיה פוטנציאלית, קינטית וסך הכל, אנו מקבלים:
•••na
כפי שאתה יכול לראות, בתחילת דרכו, כל האנרגיה של הכדור היא קינטית. ככל שהוא עולה, מהירותו פוחתת וגובהה עולה, ואנרגיה קינטית הופכת לאנרגיה פוטנציאלית. כאשר הוא נמצא בנקודה הגבוהה ביותר שלו, כל הקינטיקה הראשונית הפכה לפוטנציאל ואז התהליך הופך את עצמו כשהוא נופל חזרה למטה. לאורך כל הדרך, האנרגיה הכוללת נותרה קבועה.
אם הדוגמה שלנו הייתה כוללת חיכוך או כוחות פיזור אחרים, אז בעוד האנרגיה הכוללת עדיין תישמר, האנרגיה המכנית הכוללת לא הייתה. האנרגיה המכנית הכוללת תשווה את ההפרש בין האנרגיה הכוללת לאנרגיה שהפכה לסוגים אחרים, כגון אנרגיה תרמית או קולית.