에너지에는 운동 에너지와 위치 에너지의 두 가지 주요 형태가 있습니다.운동 에너지물체 또는 입자의 운동 에너지이며잠재력물체 또는 입자의 위치와 관련된 에너지입니다.
때로는 거시적 물체의 기계적 과정과 관련된 운동 및 위치 에너지를 총칭하여 다음과 같이 지칭합니다.기계적 에너지열, 화학 및 원자 과정과 관련된 에너지 형태를 배제합니다.
폐쇄 시스템의 총 에너지가 보존되는 것은 물리학의 기본 법칙입니다. 이것은에너지 보존 법칙. 즉, 에너지가 형태를 바꾸거나 한 물체에서 다른 물체로 이동할 수 있지만 총량은 주변과 완벽하게 격리 된 시스템에서 항상 일정하게 유지됩니다.
많은 입문 물리학 문제에서 계산을 단순화하기 위해 종종 마찰 및 기타 분산력은 무시할 수 있으므로 폐쇄 시스템의 총 기계적 에너지가 개별적으로 발생합니다. 보존.
마찰이있을 때 기계적 에너지는 열 및 다른 유형의 에너지로 변환 될 수 있으며, 열 에너지를 다시 기계적 에너지로 전환하는 것은 어려울 수 있습니다. (완전히 그렇게하는 것은 불가능합니다.) 이것이 기계적 에너지가 종종 별도의 보존 된 양으로 언급되는 이유입니다. 그러나 다시 말하지만, 그것이없는 경우에만 보존됩니다. 마찰.
에너지의 SI 단위는 1 줄 = 1 뉴턴 × 1 미터 인 줄 (J)입니다.
잠재적 에너지의 유형
잠재 에너지는 물체 또는 입자의 위치 또는 배열로 인한 에너지입니다. 때로는 저장된 에너지로 설명되지만 운동 에너지는 움직이는 물체 내에 여전히 포함되어 있기 때문에 저장된 에너지로 생각할 수 있기 때문에 완전히 정확하지는 않습니다. 주요 잠재 에너지 유형은 다음과 같습니다.
탄성 위치 에너지, 이것은 스프링과 같은 물체의 변형 형태의 에너지입니다. 평형 (휴식) 위치를 넘어서 스프링을 압축하거나 늘리면 탄성 위치 에너지를 갖게됩니다. 이 봄이 풀리면이 탄성 위치 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다.
스프링에 매달린 질량이 늘어나고 풀린 경우, 질량은 탄성 위치 에너지가 될 때 위아래로 진동합니다. 운동 에너지는 전위 등으로 다시 변환됩니다 (일부 기계적 에너지는 다음으로 인해 비 기계적 형태로 변경됨). 마찰.)
용수철에 저장된 위치 에너지의 방정식은 다음과 같습니다.
PE_ {봄} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
어디케이스프링 상수이고 Δx는 평형으로부터의 변위입니다.
중력 위치 에너지중력장에서 물체의 위치로 인한 에너지입니다. 그러한 장에있는 물체가 방출되면 가속되고 그 위치 에너지는 운동 에너지로 변환됩니다.
질량 물체에 대한 중력 위치 에너지미디엄지구 표면 근처는 다음과 같이 주어진다.
PE_ {grav} = mgh
어디지중력 상수 9.8 m / s2, 및h지면 위의 높이입니다.
중력 위치 에너지와 유사하게전위 에너지전하를 가진 물체가 전기장에 배치 된 결과입니다. 이 필드에서 방출되면 질량이 떨어지는 것처럼 필드 라인을 따라 가속되고 전위 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다.
전위 에너지의 공식은 포인트 차지입니다큐거리아르 자형포인트 차지에서큐다음과 같이 지정됩니다.
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
어디케이쿨롱 상수 8.99 × 109 Nm2/씨2.
이 용어에 익숙 할 것입니다.전압라는 수량을 나타냅니다.전위. 전하의 전위 에너지큐전위 (전압,V) 다음에 의해 :
PE_q = qV
화학적 위치 에너지화학 결합과 원자 배열에 저장된 에너지입니다. 이 에너지는 화학 반응 중에 다른 형태로 변환 될 수 있습니다. 화재가 그 예입니다. 화재가 타면서 연소 물질의 화학적 결합에있는 위치 에너지가 열과 복사 에너지로 변환됩니다. 음식을 먹을 때 신체의 과정은 화학 에너지를 신체가 생존하고 모든 기본적인 생활 작업을 수행하는 데 필요한 에너지로 변환합니다.
원자력 위치 에너지원자핵의 에너지입니다. 핵 내부의 핵 (양성자 및 중성자)이 결합, 분해 또는 하나에서 다른 것으로 (융합, 핵분열 또는 붕괴를 통해) 변화하는 핵 위치 에너지는 변형되거나 출시되었습니다.
유명한 E = mc2 방정식은 에너지의 양을 설명하고,이자형, 질량 측면에서 이러한 프로세스 중에 방출미디엄그리고 빛의 속도씨. 핵은 붕괴 또는 융합 후 더 낮은 총 질량으로 끝날 수 있으며이 질량 차이는 직접적으로 복사와 같은 다른 형태로 변환되는 핵 위치 에너지의 양으로 변환됩니다. 열의.
운동 에너지의 유형
운동 에너지는 운동 에너지입니다. 위치 에너지를 가진 물체는 움직일 수있는 잠재력을 가지고 있지만 운동 에너지를 가진 물체는 움직입니다. 운동 에너지의 주요 유형은 다음과 같습니다.
기계적 운동 에너지, 이것은 거시적 질량 물체의 운동 에너지입니다.미디엄속도로 이동V. 공식은 다음과 같습니다.
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
팁
중력으로 인해 낙하하는 물체의 경우, 기계적 에너지를 보존하면 표준 등가 속도 운동 방정식을 사용하지 않고도 낙하 할 때의 속도를 결정할 수 있습니다. 물체가 떨어지기 시작하기 전에 총 기계적 에너지를 결정하기 만하면됩니다 (mgh) 그리고 그 높이에 관계없이 위치 에너지의 차이는 1 / 2mv와 같아야합니다.2. 운동 에너지를 알게되면 다음을 해결할 수 있습니다.V.
열 에너지열 에너지라고도하는는 물질의 분자가 진동하는 결과입니다. 분자가 더 빨리 움직일수록 열 에너지가 커지고 물체가 더 뜨거워집니다. 움직임이 느릴수록 물체가 더 차가워집니다. 모든 동작이 중지되는 한계에서 물체의 온도는 켈빈 단위로 절대 0입니다.
온도는 분자 당 평균 번역 운동 에너지의 척도입니다. 이상적인 단일 원자 가스의 열 에너지는 다음 공식으로 제공됩니다.
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
어디엔원자의 수,티켈빈 단위의 온도이고케이비볼츠만 상수 1.381 × 10-23 J / K.
표면적으로 이것은 기계적 운동 에너지와 같은 종류의 것으로 이해 될 수 있습니다. 물체 (이 경우 분자)가 물리적으로 특정 속도로 이동 한 결과입니다. 하지만이 움직임은 모두 더 큰 물체 내에서 미세한 규모로 발생하므로 처리하는 것이 합리적입니다. 다르게-특히 내부에있는 각각의 별개 분자의 움직임을 설명하는 것이 불가능하기 때문에 어떤 것!
또한이 에너지는 그렇지 않기 때문에 이것을 기계적 운동 에너지와 혼동하는 것은 말이되지 않습니다. 공의 운동 에너지가 공중에 던지는 것과 같은 방식으로 단순히 위치 에너지로 변환됩니다. 이다.
파동 에너지과소리파동과 관련된 에너지 인 추가 유형의 운동 에너지를 형성합니다. 파도와 함께 방해가 매체를 통해 이동합니다. 해당 매체의 모든 지점은 파동이 통과 할 때 제자리에서 진동합니다.종파) 또는 수직 (a횡파)와 같이 줄에 물결 모양으로 표시됩니다.
매체의 지점이 제자리에서 진동하는 동안 교란 자체는 한 곳에서 다른 곳으로 이동합니다. 이것은 물리적 물질이 움직이는 결과이기 때문에 운동 에너지의 한 형태입니다.
파동과 관련된 에너지는 일반적으로 파동 진폭의 제곱에 정비례합니다. 그러나 정확한 관계는 파도의 유형과 그것이 통과하는 매체에 따라 다릅니다.
한 가지 유형의 파동은 종파 인 음파입니다. 즉, 압축 (매체가 압축되는 영역) 및 희소성 (매체가 덜 압축 된 영역), 가장 일반적으로 공기 또는 다른 재료에서 발생합니다.
복사 에너지파동 에너지와 관련이 있지만 완전히 같지는 않습니다. 이것은 전자기 복사 형태의 에너지입니다. 가시 광선에 가장 익숙 할 수도 있지만이 에너지는 전파, 마이크로파, 적외선, 자외선, X 선 및 감마선과 같이 우리도 볼 수없는 유형으로 제공됩니다. 그것은 빛의 입자 인 광자에 의해 운반되는 에너지입니다. 광자는 입자 / 파동 이중성을 나타내는 것으로 알려져 있습니다. 즉, 파동과 입자처럼 작용합니다.
복사 에너지는 매우 중요한 측면에서 일반 파동과 다릅니다. 매개체를 통과 할 필요가 없습니다. 이로 인해 공간의 진공을 통과 할 수 있습니다. 모든 전자기 복사는 진공 상태에서 빛의 속도 (우주에서 가장 빠른 속도!)로 이동합니다.
광자는 질량이 없으므로 단순히 기계적 운동 에너지 방정식을 사용하여 관련 운동 에너지를 결정할 수 없습니다. 대신 전자기 복사와 관련된 에너지는 E = hf로 주어집니다.에프주파수이고h플랑크 상수 6.626 × 10-34 Js.
전기 에너지: 움직이는 전하와 관련된 운동 에너지는 동일한 기계적 운동 에너지 1 / 2mv2; 그러나 이동 전하는 자기장도 생성합니다. 중력 또는 전기장과 마찬가지로 자기장은 자석이나 다른 이동 전하와 같이 자신을 "느끼는"모든 것에 위치 에너지를 전달하는 능력을 가지고 있습니다.
에너지 변환
폐쇄 시스템의 총 에너지는 보존됩니다. 즉, 모든 형식의 총 금액은 시스템의 개체간에 전송되거나 형식 또는 유형이 변경 되더라도 일정하게 유지됩니다.
이것의 가장 좋은 예는 공중에 던진 공의 운동, 잠재력 및 총 에너지에 일어나는 일입니다. 0.5kg의 공이 20m / s의 초기 속도로지면에서 위로 발사된다고 가정합니다. 다음 운동학 방정식을 사용하여 공이 이동하는 1 초마다 공의 높이와 속도를 결정할 수 있습니다.
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
우리가 대략지10m / s로2, 다음 표에 표시된 결과를 얻습니다.
이제 에너지 관점에서 살펴 보겠습니다. 1 초의 여행에 대해 다음을 사용하여 위치 에너지를 계산할 수 있습니다.mgh1 / 2mv를 사용한 운동 에너지2. 총 에너지는이 둘의 합입니다. 잠재, 운동 및 총 에너지에 대한 열을 테이블에 추가하면 다음을 얻을 수 있습니다.
•••나
보시다시피 경로의 시작 부분에서 공의 모든 에너지는 운동 적입니다. 상승함에 따라 속도는 감소하고 높이는 증가하며 운동 에너지는 위치 에너지로 변환됩니다. 그것이 가장 높은 지점에있을 때, 모든 초기 운동이 잠재력으로 바뀌고, 그 과정은 다시 떨어지면서 스스로 반전됩니다. 전체 경로 동안 총 에너지는 일정하게 유지되었습니다.
우리의 예가 마찰이나 다른 소산 력을 포함했다면, 총 에너지는 여전히 보존되지만 총 기계적 에너지는 그렇지 않을 것입니다. 총 기계적 에너지는 총 에너지와 열 또는 소리 에너지와 같은 다른 유형으로 변환 된 에너지의 차이와 같습니다.