Er zijn twee hoofdvormen van energie: kinetische energie en potentiële energie.Kinetische energieis de bewegingsenergie van een object of deeltje, enpotentiële energieis de energie geassocieerd met de positie van een object of deeltje.
Soms worden de kinetische en potentiële energie geassocieerd met mechanische processen van een macroscopisch object gezamenlijk aangeduid als:mechanische energieen vormen van energie die verband houden met thermische, chemische en atomaire processen uitsluiten.
Het is een fundamentele wet van de natuurkunde dat de totale energie in een gesloten systeem behouden blijft. Dit wordt aangeduid alsde wet van behoud van energie. Dat wil zeggen, hoewel energie van vorm kan veranderen of van het ene object naar het andere kan worden overgedragen, zal de totale hoeveelheid altijd constant blijven in een systeem dat perfect geïsoleerd is van zijn omgeving.
Om berekeningen in veel inleidende natuurkundige problemen te vereenvoudigen, wordt vaak aangenomen dat wrijving en andere dissipatieve krachten zijn verwaarloosbaar, waardoor de totale mechanische energie van een gesloten systeem afzonderlijk wordt system geconserveerd.
Mechanische energie kan worden omgezet in thermische en andere soorten energie wanneer wrijving aanwezig is, en het kan moeilijk zijn om thermische energie terug te krijgen in mechanische energie (en onmogelijk om het dit volledig te laten doen.) Dit is de reden waarom mechanische energie vaak wordt genoemd als een afzonderlijke geconserveerde grootheid, maar nogmaals, het wordt alleen geconserveerd als er geen wrijving.
De SI-eenheid voor energie is de joule (J) waarbij 1 joule = 1 newton × 1 meter.
Soorten potentiële energie
Potentiële energie is energie als gevolg van de positie of rangschikking van een object of deeltje. Het wordt soms beschreven als opgeslagen energie, maar dit is niet helemaal nauwkeurig, aangezien kinetische energie ook kan worden gezien als opgeslagen energie omdat het nog steeds in het bewegende object zit. De belangrijkste soorten potentiële energie zijn:
Elastische potentiële energie, wat energie is in de vorm van vervorming van een object zoals een veer. Wanneer u een veer samendrukt of uitrekt tot voorbij zijn evenwichtspositie (rust), zal deze elastische potentiële energie hebben. Wanneer deze veer wordt losgelaten, zal deze elastische potentiële energie transformeren in kinetische energie.
In het geval van een massa opgehangen aan een veer die vervolgens wordt uitgerekt en losgelaten, zal de massa op en neer oscilleren als elastische potentiële energie wordt kinetische energie, wordt dan weer omgezet in potentiaal enzovoort (waarbij een deel van de mechanische energie wordt veranderd in niet-mechanische vormen als gevolg van wrijving.)
De vergelijking voor de potentiële energie opgeslagen in een veer wordt gegeven door:
PE_{spring}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
Waarkis de veerconstante en Δx is de verplaatsing vanuit evenwicht.
Gravitatie potentiële energieis de energie als gevolg van de positie van een object in een zwaartekrachtveld. Wanneer een object in zo'n veld wordt losgelaten, zal het versnellen en die potentiële energie zal transformeren in kinetische energie.
De zwaartekracht potentiële energie voor een object met massamnabij het aardoppervlak wordt gegeven door:
PE_{grav}=mg
Waargis de zwaartekrachtconstante 9,8 m/s2, enhis de hoogte boven het maaiveld.
Net als bij zwaartekracht potentiële energie,elektrische potentiële energieis het resultaat van objecten met lading die in een elektrisch veld worden geplaatst. Als ze in dit veld worden vrijgegeven, zullen ze versnellen langs de veldlijnen, net als een vallende massa, en hun elektrische potentiële energie zal transformeren in kinetische energie.
De formule voor elektrische potentiële energie is van een puntladingqeen afstandrvanaf puntladingVraagis gegeven door:
PE_{elec,\text{ }poiny\text{ }charge}=\frac{kqQ}{r}
Waarkis de constante van Coulomb 8,99 × 109 Nm2/C2.
U bent waarschijnlijk bekend met de termSpanning, wat verwijst naar een hoeveelheid genaamdelektrisch potentieel. De elektrische potentiële energie van een ladingqkan worden afgeleid uit de elektrische potentiaal (spanning,V) door het volgende:
PE_q=qV
Chemische potentiële energieis energie die is opgeslagen in de chemische bindingen en rangschikkingen van atomen. Deze energie kan tijdens chemische reacties in andere vormen worden omgezet. Een vuur is hier een voorbeeld van - terwijl het vuur brandt, wordt potentiële energie in de chemische bindingen van het brandende materiaal omgezet in warmte en stralingsenergie. Wanneer je voedsel eet, zetten processen in je lichaam chemische energie om in de energie die je lichaam nodig heeft om in leven te blijven en alle basistaken van het leven uit te voeren.
Nucleaire potentiële energieis energie in een atoomkern. Wanneer de nucleonen (protonen en neutronen) in een kern zichzelf herschikken door te combineren, uiteen te vallen of verandert van de ene naar de andere (hetzij door fusie, splijting of verval) nucleaire potentiële energie wordt getransformeerd of vrijgelaten.
De beroemde E = mc2 vergelijking beschrijft de hoeveelheid energie,E, vrijkomt tijdens dergelijke processen in termen van de massamen de snelheid van het lichtc. Kernen kunnen eindigen met een lagere totale massa na verval of fusie, en dit massaverschil direct vertaalt naar de hoeveelheid nucleaire potentiële energie die wordt omgezet in andere vormen, zoals stralings- en thermisch.
Soorten kinetische energie
Kinetische energie is de energie van beweging. Terwijl een object met potentiële energie het potentieel heeft om te bewegen, ondergaat een object met kinetische energie beweging. De belangrijkste soorten kinetische energie zijn:
Mechanische kinetische energie, wat de kinetische energie is van een macroscopisch object van massambewegen met snelheidv. Het wordt gegeven door de formule:
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
Tips
Voor een object dat valt als gevolg van de zwaartekracht, stelt het behoud van mechanische energie ons in staat om zijn snelheid te bepalen terwijl het valt zonder de standaard constante versnellingsvergelijkingen van beweging te gebruiken. Bepaal eenvoudig de totale mechanische energie voordat het object begint te vallen (mgh), en dan op welke hoogte het ook is, het verschil in potentiële energie moet gelijk zijn aan 1/2mv2. Als je eenmaal kinetische energie kent, kun je oplossen voorv.
Thermische energie, ook wel warmte-energie genoemd, is het resultaat van het trillen van de moleculen in een stof. Hoe sneller de moleculen bewegen, hoe groter de thermische energie en hoe heter het object. Hoe langzamer de beweging, hoe kouder het object. In de limiet waar alle beweging stopt, is de temperatuur van het object absoluut 0 in eenheden van Kelvin.
Temperatuur is een maat voor de gemiddelde translatiekinetische energie per molecuul. De thermische energie van een ideaal eenatomig gas wordt gegeven door de formule:
E_{thermal}=\frac{3}{2}Nk_BT
Waarneeis het aantal atomen,Tis de temperatuur in Kelvin, enkBis de constante van Boltzmann 1,381 × 10-23 J/K.
Oppervlakkig gezien kan dit worden opgevat als hetzelfde soort dingen als mechanische kinetische energie. Het is het resultaat van objecten (in dit geval moleculen) die fysiek met een bepaalde snelheid bewegen. Maar deze beweging gebeurt allemaal op microscopische schaal in een groter object, dus het is logisch om het te behandelen anders - vooral omdat het onmogelijk is om de beweging van elk afzonderlijk molecuul binnenin te verklaren iets!
Merk ook op dat het geen zin heeft om dit te verwarren met mechanische kinetische energie, aangezien deze energie niet zo is eenvoudig omgezet in potentiële energie op dezelfde manier als de kinetische energie van een bal die in de lucht wordt gegooid is.
Golfenergieengeluidvormen een extra type kinetische energie, de energie die wordt geassocieerd met golfbeweging. Bij een golf gaat een storing door een medium. Elk punt in dat medium zal op zijn plaats oscilleren terwijl de golf er doorheen gaat - ofwel uitgelijnd met de bewegingsrichting (alengtegolf) of er loodrecht op (atransversale golf), zoals te zien is bij een golf aan een touwtje.
Terwijl de punten in het medium op hun plaats oscilleren, reist de storing zelf van de ene plaats naar de andere. Dit is een vorm van kinetische energie omdat het het resultaat is van een fysiek materiaal dat beweegt.
De energie die bij een golf hoort, is meestal recht evenredig met het kwadraat van de amplitude van de golf. De exacte relatie hangt echter af van het type golf en het medium waardoor het reist.
Eén type golf is een geluidsgolf, een longitudinale golf. Dat wil zeggen, het is het resultaat van compressies (gebieden waarin het medium wordt gecomprimeerd) en verdunningen (gebieden waarin het medium minder wordt gecomprimeerd) in, meestal, lucht of een ander materiaal.
Radioactieve energieis gerelateerd aan golfenergie, maar het is niet helemaal hetzelfde. Dit is energie in de vorm van elektromagnetische straling. Je bent misschien het meest bekend met zichtbaar licht, maar deze energie komt in soorten die we niet zo goed kunnen zien, zoals radiogolven, microgolven, infrarood, ultraviolet, röntgenstralen en gammastraling. Het is energie die wordt gedragen door fotonen - lichtdeeltjes. Van fotonen wordt gezegd dat ze dualiteit tussen deeltjes en golven vertonen, wat betekent dat ze zich zowel als een golf als een deeltje gedragen.
Stralingsenergie verschilt op een zeer kritische manier van gewone golven: er is geen medium nodig om doorheen te reizen. Hierdoor kan het door het vacuüm van de ruimte reizen. Alle elektromagnetische straling reist met de lichtsnelheid (de hoogste snelheid in het heelal!) in een vacuüm.
Merk op dat het foton geen massa heeft, dus we kunnen niet simpelweg de mechanische kinetische energievergelijking gebruiken om de bijbehorende kinetische energie te bepalen. In plaats daarvan wordt de energie geassocieerd met elektromagnetische straling gegeven door E = hf, waarbijfis frequentie enhis de constante van Planck 6,626 × 10-34 Js.
Elektrische energie: De kinetische energie geassocieerd met een bewegende lading is dezelfde mechanische kinetische energie 1/2mv2; een bewegende lading genereert echter ook een magnetisch veld. Dat magnetische veld heeft, net als een zwaartekracht- of elektrisch veld, het vermogen om potentiële energie te geven aan alles wat het kan 'voelen' - zoals een magneet of een andere bewegende lading.
Energietransformaties
De totale energie van een gesloten systeem blijft behouden. Dat wil zeggen, het totale bedrag, in alle vormen, blijft constant, zelfs als het wordt overgedragen tussen objecten in het systeem of van vorm of type verandert.
Een goed voorbeeld hiervan is wat er gebeurt met de kinetische, potentiële en totale energie van een bal die in de lucht wordt gegooid. Stel dat een bal van 0,5 kg omhoog wordt gelanceerd vanaf de grond met een beginsnelheid van 20 m/s. We kunnen de volgende kinematische vergelijkingen gebruiken om de hoogte en snelheid van de bal bij elke seconde van zijn beweging te bepalen:
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
Als we bij benaderinggals 10 m/s2, krijgen we de resultaten in de volgende tabel:
Laten we er nu eens naar kijken vanuit een energetisch perspectief. Voor elke seconde reizen kunnen we de potentiële energie berekenen met behulp vanmghen de kinetische energie met 1/2mv2. De totale energie is de som van de twee. Als we kolommen aan onze tabel toevoegen voor potentiële, kinetische en totale energie, krijgen we:
•••nee
Zoals je kunt zien, is aan het begin van zijn pad alle energie van de bal kinetisch. Naarmate het stijgt, neemt de snelheid af en neemt de hoogte toe, en wordt kinetische energie omgezet in potentiële energie. Wanneer het op zijn hoogste punt is, is alle aanvankelijke kinetiek omgezet in potentieel, en dan keert het proces zichzelf om terwijl het terugvalt. Gedurende het hele traject bleef de totale energie constant.
Als ons voorbeeld wrijving of andere dissipatieve krachten had opgenomen, dan zou de totale mechanische energie dat niet doen, terwijl de totale energie nog steeds behouden zou zijn. De totale mechanische energie zou gelijk zijn aan het verschil tussen de totale energie en de energie die wordt omgezet in andere soorten, zoals thermische of geluidsenergie.
