Egzistuoja dvi pagrindinės energijos formos: kinetinė energija ir potenciali energija.Kinetinė energijayra daikto ar dalelės judėjimo energija irpotencinė energijayra energija, susijusi su daikto ar dalelės padėtimi.
Kartais kinetinė ir potenciali energija, susijusi su makroskopinio objekto mechaniniais procesais, bendrai vadinamamechaninė energijair neįtraukti energijos formų, susijusių su terminiais, cheminiais ir atominiais procesais.
Tai yra pagrindinis fizikos dėsnis, kad visa energija uždaroje sistemoje yra išsaugoma. Tai vadinamaenergijos išsaugojimo dėsnis. Tai yra, nors energija gali pakeisti formą arba pereiti iš vieno objekto į kitą, visa suma visada išliks pastovi sistemoje, kuri yra visiškai izoliuota nuo aplinkos.
Norint supaprastinti daugelio įvadinių fizikos problemų skaičiavimus, dažnai manoma, kad trintis ir kita sklaidomosios jėgos yra nereikšmingos, todėl bendra uždaros sistemos mechaninė energija yra atskirai konservuotas.
Mechaninę energiją galima paversti šilumine ir kitokia energija, kai yra trintis, ir gali būti sunku gauti šilumos energijos, kuri vėl virstų mechanine energija. (ir neįmanoma to padaryti visiškai.) Štai kodėl dažnai apie mechaninę energiją kalbama kaip apie atskirą išsaugotą kiekį, tačiau, vėlgi, ji išsaugoma tik tada, kai nėra trintis.
SI energijos vienetas yra džaulis (J), kur 1 džaulis = 1 niutonas × 1 metras.
Potencialios energijos rūšys
Potenciali energija yra energija, atsirandanti dėl objekto ar dalelės padėties ar išdėstymo. Kartais ji apibūdinama kaip sukaupta energija, tačiau tai nėra visiškai tikslu, nes kinetinė energija taip pat gali būti laikoma sukaupta energija, nes ji vis tiek yra judančiame objekte. Pagrindiniai potencialios energijos tipai yra šie:
Elastinė potenciali energija, kuri yra energija objekto, pvz., spyruoklės, deformacijos pavidalu. Kai suspausite ar ištiesite spyruoklę už pusiausvyros (ramybės) padėties, ji turės elastinę potencialią energiją. Išleidus šį pavasarį, ši elastinga potencialo energija virs kinetine energija.
Jei masė pakabinama nuo spyruoklės, kuri tada ištempiama ir atleidžiama, masė svyruos aukštyn ir žemyn, kai tampa elastinga potenciali energija kinetinė energija, tada ji vėl transformuojama į potencialą ir pan. (kai kuri mechaninė energija dėl trintis.)
Spyruoklėje sukauptos potencialios energijos lygtį pateikia:
PE_ {pavasaris} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Kurkyra pavasario konstanta, o Δx yra poslinkis iš pusiausvyros.
Gravitacinė potencialo energijayra energija dėl objekto padėties gravitacijos lauke. Kai objektas tokiame lauke išleidžiamas, jis paspartės, ir ta potenciali energija virs kinetine energija.
Masės objekto gravitacinė potencialo energijamnetoli Žemės paviršiaus yra:
PE_ {grav} = mgh
Kurgyra gravitacijos konstanta 9,8 m / s2irhyra aukštis virš žemės lygio.
Panašus į gravitacinę potencialią energiją,elektros potencialo energijayra objektų, turinčių krūvį, rezultatas yra elektriniame lauke. Jei jie bus paleisti šiame lauke, jie paspartins lauko linijas, kaip ir krentanti masė, ir jų elektrinė potencialo energija virs kinetine energija.
Elektros potencialo energijos formulė yra taškinio krūvioqatstumasrnuo taškinio krūvioKlausimassuteikia:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Kurkyra Coulombo pastovioji 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Tikriausiai esate susipažinęs su terminuĮtampa, kuris nurodo vadinamąjį kiekįelektrinis potencialas. Krūvio elektros potencialo energijaqgalima rasti iš elektros potencialo (įtampa,V) taip:
PE_q = qV
Cheminio potencialo energijayra energija, sukaupta cheminiuose ryšiuose ir atomų išsidėstymuose. Ši energija cheminių reakcijų metu gali būti transformuota į kitas formas. Gaisras yra to pavyzdys - degant ugniai, potenciali energija, esanti degančios medžiagos cheminiuose ryšiuose, virsta šiluma ir spinduliavimo energija. Valgant maistą, jūsų kūne vykstantys procesai paverčia cheminę energiją energija, kurios reikia jūsų kūnui, kad jis išliktų gyvas ir atliktų visas pagrindines gyvenimo užduotis.
Branduolinio potencialo energijayra energija atomo branduolyje. Kai branduolyje esantys nukleonai (protonai ir neutronai) persitvarko, derindami, išskaidydami arba keičiantis iš vienos į kitą (sintezės, skilimo ar skilimo būdu), branduolinė potencialo energija transformuojama arba paleistas.
Garsusis E = mc2 lygtis apibūdina energijos kiekį,E, išleistas tokių procesų metu, kalbant apie masęmir šviesos greitisc. Branduoliai arba susilieję branduoliai gali baigtis mažesne bendrąja mase ir šis masės skirtumas tiesiogiai reiškia branduolinės energijos kiekį, kuris paverčiamas kitomis formomis, pavyzdžiui, spinduliuojančiu ir terminis.
Kinetinės energijos tipai
Kinetinė energija yra judėjimo energija. Nors objektas, turintis potencialios energijos, gali judėti, objektas, turintis kinetinę energiją, juda. Pagrindiniai kinetinės energijos tipai yra šie:
Mechaninė kinetinė energija, kuri yra makroskopinio masės objekto kinetinė energijamjuda greičiuv. Tai pateikiama pagal formulę:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Patarimai
Objektui, krentančiam dėl sunkio jėgos, mechaninės energijos išsaugojimas leidžia mums nustatyti jo greitį krintant nenaudojant standartinių pastovaus judėjimo pagreičio lygčių. Tiesiog nustatykite bendrą mechaninę energiją, kol objektas pradeda kristi (mgh), tada bet kuriame aukštyje jis yra, potencialios energijos skirtumas turi būti lygus 1 / 2mv2. Žinodami kinetinę energiją, galite tai išspręstiv.
Šiluminė energija, dar vadinama šilumos energija, yra vibruojančios medžiagos molekulių rezultatas. Kuo greičiau molekulės juda, tuo didesnė šiluminė energija ir karštesnis objektas. Kuo lėtesnis judėjimas, tuo šaltesnis objektas. Riboje, kur sustoja visas judėjimas, objekto temperatūra yra absoliuti 0 Kelvino vienetais.
Temperatūra yra vidutinė molekulės transliacijos kinetinė energija. Idealių monatominių dujų šiluminė energija apskaičiuojama pagal formulę:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
KurNyra atomų skaičius,Tyra temperatūra Kelvine irkByra Boltzmanno konstanta 1,381 × 10-23 J / K.
Iš esmės tai gali būti suprantama kaip tas pats dalykas, kuris yra mechaninė kinetinė energija. Tai objektų (šiuo atveju molekulių), fiziškai judančių tam tikru greičiu, rezultatas. Bet šis judesys vyksta mikroskopiniu mastu didesniame objekte, todėl prasminga jį gydyti kitaip, ypač todėl, kad neįmanoma atsižvelgti į kiekvienos molekulės judėjimą viduje kažkas!
Taip pat atkreipkite dėmesį, kad nėra prasmės painioti to su mechanine kinetine energija, nes ši energija nėra tokia tiesiog transformuojama į potencialią energiją tuo pačiu būdu į orą išmetamo kamuolio kinetinė energija yra.
Bangų energijairgarsassusidaro papildoma kinetinės energijos rūšis, kuri yra energija, susijusi su bangų judesiu. Su banga sutrikimas keliauja per terpę. Bet kuris tos terpės taškas svyruos vietoje, kai banga praeis, arba sulyginta su judėjimo kryptimi (aišilginė banga) arba statmenai jai (askersinė banga), pavyzdžiui, matomas su banga ant stygos.
Nors terpės taškai svyruoja vietoje, pats sutrikimas keliauja iš vienos vietos į kitą. Tai yra kinetinės energijos forma, nes ji yra fizinės medžiagos judėjimo rezultatas.
Su banga susijusi energija paprastai yra tiesiogiai proporcinga bangos amplitudės kvadratui. Tačiau tikslus santykis priklauso nuo bangos tipo ir terpės, per kurią ji keliauja.
Viena bangos rūšis yra garso banga, kuri yra išilginė banga. T. y., Tai atsiranda dėl suspaudimų (regionų, kuriuose terpė yra suspausta) ir retėjimo (regionų, kuriuose terpė yra mažiau suspausta), dažniausiai ore ar kitoje medžiagoje.
Spinduliuojanti energijayra susijęs su bangų energija, tačiau ji nėra visiškai vienoda. Tai yra elektromagnetinės spinduliuotės pavidalo energija. Jums gali būti geriausiai pažįstama matoma šviesa, tačiau ši energija yra tokių tipų, kurių mes taip pat nematome, pavyzdžiui, radijo bangos, mikrobangų krosnelės, infraraudonieji spinduliai, ultravioletiniai, rentgeno ir gama spinduliai. Tai energija, kurią perneša fotonai - šviesos dalelės. Sakoma, kad fotonai turi dalelių / bangų dvilypumą, o tai reiškia, kad jie veikia ir kaip banga, ir kaip dalelė.
Spinduliavimo energija nuo įprastų bangų skiriasi labai kritiškai: jai nereikia terpės, per kurią būtų galima keliauti. Dėl to jis gali keliauti per erdvės vakuumą. Visa elektromagnetinė spinduliuotė vakuume sklinda šviesos greičiu (greičiausias Visatos greitis!).
Atkreipkite dėmesį, kad fotonas neturi masės, todėl mes negalime tiesiog naudoti mechaninės kinetinės energijos lygties, kad nustatytume susijusią kinetinę energiją. Vietoj to energiją, susijusią su elektromagnetine spinduliuote, pateikia E = hf, kurfyra dažnis irhyra Plancko konstanta 6,626 × 10-34 Js.
Elektros energijaKinetinė energija, susijusi su judančiu krūviu, yra ta pati mechaninė kinetinė energija 1 / 2mv2; tačiau judantis krūvis sukuria ir magnetinį lauką. Tas magnetinis laukas, kaip ir gravitacinis ar elektrinis laukas, gali perduoti potencialią energiją viskam, kas gali ją „pajusti“ - pavyzdžiui, magnetui ar kitam judančiam krūviui.
Energijos transformacijos
Taikoma visa uždaros sistemos energija. Tai yra, visa suma visomis formomis išlieka pastovi, net jei ji perkeliama tarp sistemos objektų arba keičia formą ar tipą.
Puikus to pavyzdys yra tai, kas nutinka į orą išmesto kamuolio kinetinei, potencialiai ir bendrajai energijai. Tarkime, kad 0,5 kg svorio kamuolys paleidžiamas aukštyn nuo žemės lygio pradiniu 20 m / s greičiu. Mes galime naudoti šias kinematines lygtis, kad nustatytume rutulio aukštį ir greitį kiekvieną jo sekundę:
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
Jei mes apytiksliaigkaip 10 m / s2, gauname šioje lentelėje nurodytus rezultatus:
Dabar galime pažvelgti į tai iš energetikos perspektyvos. Kiekvienai kelionės sekundei galime apskaičiuoti galimą energijąmghir kinetinę energiją naudojant 1 / 2mv2. Bendra energija yra judviejų suma. Pridėdami stulpelius prie mūsų lentelės potencialui, kinetinei ir bendrajai energijai gauti:
•••na
Kaip matote, jo kelio pradžioje visa kamuolio energija yra kinetinė. Kylant jo greitis mažėja, aukštis didėja, o kinetinė energija virsta potencialia energija. Kai ji yra aukščiausioje vietoje, visa pradinė kinetika virto potencialu, o tada procesas grįžta žemyn atgal. Per visą kelią bendra energija išliko pastovi.
Jei mūsų pavyzdyje būtų trinties ar kitų išsklaidančių jėgų, tada, nors bendra energija vis tiek būtų išsaugota, bendra mechaninė energija nebūtų. Bendra mechaninė energija būtų lygi skirtumui tarp bendros energijos ir energijos, kuri transformuota į kitus tipus, pavyzdžiui, šiluminę ar garso energiją.