Pastāv divas galvenās enerģijas formas: kinētiskā enerģija un potenciālā enerģija.Kinētiskā enerģijair objekta vai daļiņas kustības enerģija, unpotenciālā enerģijair enerģija, kas saistīta ar objekta vai daļiņas stāvokli.
Dažreiz kinētisko un potenciālo enerģiju, kas saistīta ar makroskopiskā objekta mehāniskajiem procesiem, kopā sauc parmehāniskā enerģijaun izslēgt enerģijas formas, kas saistītas ar termiskiem, ķīmiskiem un atomu procesiem.
Fizikas likums ir tas, ka kopējā enerģija slēgtā sistēmā tiek saglabāta. To sauc parenerģijas saglabāšanas likums. Tas ir, lai gan enerģija var mainīt formu vai pāriet no viena objekta uz otru, kopējā summa vienmēr paliks nemainīga sistēmā, kas ir pilnīgi izolēta no apkārtnes.
Lai vienkāršotu aprēķinus daudzās ievadfizikas problēmās, bieži tiek pieņemts, ka berzes un citas izkliedējošie spēki ir nenozīmīgi, kā rezultātā slēgtās sistēmas kopējā mehāniskā enerģija ir atsevišķi konservēti.
Mehānisko enerģiju var pārveidot par siltuma un cita veida enerģiju, ja ir berze, un var būt grūti iegūt siltumenerģiju, kas atkal pārvērstos mehāniskajā enerģijā (un nav iespējams to panākt, lai to izdarītu pilnībā.) Tāpēc par mehānisko enerģiju bieži runā kā par atsevišķu konservētu daudzumu, bet, atkal, tā tiek saglabāta tikai tad, ja nav berze.
SI enerģijas mērvienība ir džouls (J), kur 1 džouls = 1 ņūtons × 1 metrs.
Potenciālās enerģijas veidi
Potenciālā enerģija ir enerģija, ko rada objekta vai daļiņas stāvoklis vai izvietojums. Dažreiz to raksturo kā uzkrāto enerģiju, taču tas nav pilnīgi precīzi, jo kinētisko enerģiju var uzskatīt arī par uzkrāto enerģiju, jo tā joprojām atrodas kustīgā objektā. Galvenie potenciālās enerģijas veidi ir:
Elastīgā potenciālā enerģija, kas ir enerģija tāda objekta kā atsperes deformācijas formā. Saspiest vai izstiept atsperi ārpus tā līdzsvara (atpūtas) stāvokļa, tam būs elastīga potenciālā enerģija. Kad šis pavasaris tiks atbrīvots, šī elastīgā potenciālā enerģija pārveidosies par kinētisko enerģiju.
Gadījumā, ja masa ir apturēta no atsperes, kas pēc tam tiek izstiepta un atlaista, masa svārstīsies uz augšu un uz leju, jo elastīgā potenciālā enerģija kļūst kinētiskā enerģija, pēc tam atkal tiek pārveidota par potenciālu un tā tālāk (daļu mehāniskās enerģijas mainot nemehāniskās formās berze.)
Atsperē uzkrāto potenciālās enerģijas vienādojumu izsaka šādi:
PE_ {pavasaris} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Kurkir pavasara konstante un Δx ir pārvietošanās no līdzsvara.
Gravitācijas potenciālā enerģijair enerģija, ko rada objekta atrašanās vieta gravitācijas laukā. Kad objekts šādā laukā tiek atbrīvots, tas paātrinās, un šī potenciālā enerģija pārveidosies par kinētisko enerģiju.
Masas objekta gravitācijas potenciālā enerģijamZemes virsmas tuvumā dod:
PE_ {grav} = mgh
Kurgir gravitācijas konstante 9,8 m / s2, unhir augstums virs zemes līmeņa.
Līdzīgi kā gravitācijas potenciālā enerģija,elektriskā potenciāla enerģijair objektu ar lādiņu rezultāts elektriskā laukā. Atbrīvojoties šajā laukā, tie paātrinās pa lauka līnijām tāpat kā krītošā masa, un viņu elektriskā potenciāla enerģija pārveidosies par kinētisko enerģiju.
Elektriskās potenciālās enerģijas formula ir punktveida maksaqattālumsrno punkta maksasJdod:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Kurkir Kulona konstante 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Jūs, iespējams, esat pazīstams ar šo terminuspriegums, kas attiecas uz saucamo daudzumuelektriskais potenciāls. Lādiņa elektriskā potenciāla enerģijaqvar atrast no elektriskā potenciāla (sprieguma,V) ar šādu tekstu:
PE_q = qV
Ķīmiskā potenciāla enerģijair enerģija, kas uzkrāta atomu ķīmiskajās saitēs un izkārtojumos. Ķīmisko reakciju laikā šo enerģiju var pārveidot citās formās. Uguns ir tā piemērs - degot ugunij, potenciālā enerģija degošā materiāla ķīmiskajās saitēs tiek pārveidota par siltumu un starojuma enerģiju. Ēdot ēdienu, procesi jūsu ķermenī ķīmisko enerģiju pārvērš enerģijā, kas jūsu ķermenim nepieciešama, lai saglabātu dzīvību un veiktu visus dzīves pamatuzdevumus.
Kodolenerģijas potenciālā enerģijair enerģija atoma kodolā. Kad kodola iekšpusē esošie nukleoni (protoni un neitroni) pārkārtojas, apvienojoties, sadaloties vai mainoties no viena uz otru (kodolsintēzes, skaldīšanās vai sabrukšanas ceļā), kodolpotenciālā enerģija tiek pārveidota vai izlaists.
Slavenais E = mc2 vienādojums apraksta enerģijas daudzumu,E, kas izdalīts šādu procesu laikā masas izteiksmēmun gaismas ātrumsc. Kodoli var beigties ar mazāku kopējo masu pēc sabrukšanas vai saplūšanas, un šī masas atšķirība tieši pārveido par kodolenerģijas potenciālās enerģijas daudzumu, kas tiek pārveidots citās formās, piemēram, izstarojošais un termiskā.
Kinētiskās enerģijas veidi
Kinētiskā enerģija ir kustības enerģija. Kamēr objektam ar potenciālu enerģiju ir potenciāls kustēties, objektam ar kinētisko enerģiju notiek kustība. Galvenie kinētiskās enerģijas veidi ir:
Mehāniskā kinētiskā enerģija, kas ir masas makroskopiskā objekta kinētiskā enerģijampārvietojas ar ātrumuv. To izsaka pēc formulas:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Padomi
Objektam, kas krīt smaguma dēļ, mehāniskās enerģijas saglabāšana ļauj mums noteikt tā ātrumu, krītot, neizmantojot kustības standarta nemainīgā paātrinājuma vienādojumus. Vienkārši nosakiet kopējo mehānisko enerģiju, pirms objekts sāk krist (mgh), un tad jebkurā augstumā, kurā tas atrodas, potenciālās enerģijas starpībai jābūt vienādai ar 1 / 2mv2. Tiklīdz jūs zināt kinētisko enerģiju, varat to atrisinātv.
Siltumenerģija, kas pazīstams arī kā siltuma enerģija, ir vielas molekulu vibrācijas rezultāts. Jo ātrāk molekulas pārvietojas, jo lielāka ir siltuma enerģija un karstāks objekts. Lēnāka kustība, jo objekts ir vēsāks. Robežā, kur apstājas visa kustība, objekta temperatūra ir absolūta 0 Kelvina vienībās.
Temperatūra ir vidējās translācijas kinētiskās enerģijas mērs uz vienu molekulu. Ideālas monatomiskās gāzes siltumenerģiju izsaka pēc formulas:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
KurNir atomu skaits,Tir temperatūra Kelvinos unkBir Boltzmana konstante 1,381 × 10-23 J / K.
Virspusē to var saprast kā tādu pašu lietu, kāda ir mehāniskā kinētiskā enerģija. Tas ir objektu (šajā gadījumā molekulu) rezultāts, kas fiziski pārvietojas ar noteiktu ātrumu. Bet šī kustība notiek mikroskopiskā mērogā lielākā objektā, tāpēc ir jēga to ārstēt atšķirīgi - it īpaši tāpēc, ka nav iespējams ņemt vērā katras atsevišķās molekulas kustību iekšpusē kaut ko!
Ņemiet vērā arī to, ka nav jēgas to sajaukt ar mehānisko kinētisko enerģiju, jo šī enerģija tā nav vienkārši pārveidojas par potenciālu enerģiju tādā pašā veidā kā gaisā izmetamas bumbas kinētiskā enerģija ir.
Viļņu enerģijaunskaņuveido papildu kinētiskās enerģijas veidu, kas ir enerģija, kas saistīta ar viļņu kustību. Ar vilni traucējumi pārvietojas caur barotni. Jebkurš šīs barotnes punkts svārstīsies vietā, kad vilnis iet cauri - vai nu saskaņots ar kustības virzienu (agareniskais vilnis) vai perpendikulāri tai (ašķērsvirziena vilnis), piemēram, tas ir redzams ar vilni uz virknes.
Kamēr barotnes punkti svārstās savā vietā, pats traucējums pārvietojas no vienas vietas uz otru. Šī ir kinētiskās enerģijas forma, jo tā ir fiziska materiāla pārvietošanās rezultāts.
Ar vilni saistītā enerģija parasti ir tieši proporcionāla viļņa amplitūdas kvadrātam. Precīzas attiecības tomēr ir atkarīgas no viļņa veida un vides, pa kuru tas pārvietojas.
Viens viļņu veids ir skaņas vilnis, kas ir gareniskais vilnis. Tas ir, tas rodas no saspiešanas (reģioni, kuros barotne ir saspiesta) un retināšanas (reģioni, kuros barotne ir mazāk saspiesta) gaisā vai citā materiālā.
Starojošā enerģijair saistīts ar viļņu enerģiju, bet tas nav gluži tas pats. Šī ir enerģija elektromagnētiskā starojuma veidā. Jums, iespējams, vislabāk ir pazīstama redzamā gaisma, taču šī enerģija ir veidos, kurus mēs arī nevaram redzēt, piemēram, radioviļņi, mikroviļņu, infrasarkanie, ultravioletie, rentgena un gamma stari. Tā ir enerģija, ko nes fotoni - gaismas daļiņas. Tiek teikts, ka fotoni demonstrē daļiņu / viļņu dualitāti, proti, tie darbojas gan kā vilnis, gan kā daļiņa.
Starojošā enerģija no parastajiem viļņiem atšķiras ļoti kritiskā veidā: tam nav nepieciešama vide, pa kuru ceļot. Tādēļ tas var pārvietoties pa kosmosa vakuumu. Viss elektromagnētiskais starojums vakuumā pārvietojas ar gaismas ātrumu (ātrākais ātrums Visumā!).
Ņemiet vērā, ka fotonam nav masas, tāpēc mēs nevaram vienkārši izmantot mehāniskās kinētiskās enerģijas vienādojumu, lai noteiktu saistīto kinētisko enerģiju. Tā vietā enerģiju, kas saistīta ar elektromagnētisko starojumu, dod E = hf, kurfir biežums unhir Plankas konstante 6,626 × 10-34 Dž.
Elektriskā enerģijaKinētiskā enerģija, kas saistīta ar kustīgu lādiņu, ir tā pati mehāniskā kinētiskā enerģija 1 / 2mv2; tomēr kustīgs lādiņš rada arī magnētisko lauku. Šis magnētiskais lauks, tāpat kā gravitācijas vai elektriskais lauks, spēj dot potenciālu enerģiju visam, kas to var “sajust”, piemēram, magnētam vai citam kustīgam lādiņam.
Enerģijas pārveidošana
Slēgtas sistēmas kopējā enerģija tiek saglabāta. Tas ir, kopējā summa visās formās paliek nemainīga, pat ja tā tiek pārsūtīta starp sistēmas objektiem vai maina formu vai veidu.
Spilgts piemērs tam ir tas, kas notiek ar gaisā izmestas bumbas kinētiku, potenciālu un kopējo enerģiju. Pieņemsim, ka 0,5 kg smagā bumba tiek palaista uz augšu no zemes līmeņa ar sākotnējo ātrumu 20 m / s. Mēs varam izmantot šādus kinemātiskos vienādojumus, lai noteiktu bumbas augstumu un ātrumu katrā tā kustības sekundē:
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
Ja mēs tuvināmiesgkā 10 m / s2, mēs iegūstam rezultātus, kas parādīti šajā tabulā:
Tagad ļauj tam paskatīties no enerģijas perspektīvas. Katrai ceļojuma sekundei mēs varam aprēķināt potenciālo enerģiju, izmantojotmghun kinētiskā enerģija, izmantojot 1 / 2mv2. Kopējā enerģija ir abu summa. Pievienojot mūsu tabulai kolonnas potenciālajai, kinētiskajai un kopējai enerģijai, mēs iegūstam:
•••na
Kā redzat, ceļa sākumā visa bumbas enerģija ir kinētiska. Pieaugot, tā ātrums samazinās un augstums palielinās, un kinētiskā enerģija tiek pārveidota par potenciālo enerģiju. Kad tas ir visaugstākajā punktā, visa sākotnējā kinētika ir pārvērtusies par potenciālu, un tad process pats mainās, nokrītot atpakaļ. Visa ceļa laikā kopējā enerģija palika nemainīga.
Ja mūsu piemērā būtu iekļauta berze vai citi izkliedējoši spēki, tad, lai gan kopējā enerģija joprojām tiktu saglabāta, kopējā mehāniskā enerģija nebūtu. Kopējā mehāniskā enerģija būtu vienāda ar starpību starp kopējo enerģiju un enerģiju, kas pārveidota uz citiem veidiem, piemēram, siltuma vai skaņas enerģiju.