To hovedformer av energi eksisterer: kinetisk energi og potensiell energi.Kinetisk energier bevegelsesenergien til et objekt eller en partikkel, ogpotensiell energier energien assosiert med posisjonen til et objekt eller en partikkel.
Noen ganger blir den kinetiske og potensielle energien assosiert med mekaniske prosesser for et makroskopisk objekt referert til samletmekanisk energiog ekskluderer energiformer assosiert med termiske, kjemiske og atomprosesser.
Det er en grunnleggende fysikklov at den totale energien i et lukket system er bevart. Dette er referert til somloven om bevaring av energi. Det vil si at mens energi kan endre form eller overføre fra ett objekt til et annet, vil den totale mengden alltid forbli konstant i et system som er perfekt isolert fra omgivelsene.
For å forenkle beregninger i mange innledende fysikkproblemer, antas det ofte at friksjon og annet dissipative krefter er ubetydelige, noe som resulterer i at den totale mekaniske energien til et lukket system blir separat bevart.
Mekanisk energi kan konverteres til termisk og andre typer energi når friksjon er tilstede, og det kan være vanskelig å få termisk energi til å bli tilbake til mekanisk energi (og umulig å få det til å gjøre det helt.) Dette er grunnen til at det ofte snakkes om mekanisk energi som en separat konservert mengde, men igjen, den konserveres bare når det ikke er noe friksjon.
SI-enheten for energi er joule (J) hvor 1 joule = 1 newton × 1 meter.
Typer potensiell energi
Potensiell energi er energi på grunn av et objekt eller en partikkels posisjon eller arrangement. Noen ganger blir det beskrevet som lagret energi, men dette er ikke helt nøyaktig, da kinetisk energi også kan betraktes som lagret energi fordi den fremdeles er inneholdt i objektet som beveger seg. Hovedtyper av potensiell energi er:
Elastisk potensiell energi, som er energi i form av deformasjon av et objekt som en fjær. Når du komprimerer eller strekker en fjær utover likevektsposisjonen (hvileposisjonen), vil den ha elastisk potensiell energi. Når denne våren frigjøres, vil denne elastiske potensielle energien forvandles til kinetisk energi.
I tilfelle en masse suspendert fra en fjær som deretter strekkes og frigjøres, vil massen svinge opp og ned når elastisk potensiell energi blir kinetisk energi, blir deretter transformert tilbake til potensialet og så videre (med noe av den mekaniske energien som endres til ikke-mekaniske former pga. friksjon.)
Ligningen for potensiell energi lagret på en vår er gitt av:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Hvorker fjærkonstanten og Δx er forskyvningen fra likevekt.
Gravitasjonspotensial energier energien på grunn av et objekts posisjon i et gravitasjonsfelt. Når et objekt i et slikt felt frigjøres, vil det akselerere, og at potensiell energi vil transformere til kinetisk energi.
Gravitasjonens potensielle energi for et objekt av massemnær jordens overflate er gitt av:
PE_ {grav} = mgh
Hvorger gravitasjonskonstanten 9,8 m / s2, ogher høyden over bakkenivå.
I likhet med gravitasjonspotensial energi,elektrisk potensiell energier resultatet av at gjenstander med ladning er plassert i et elektrisk felt. Hvis de frigjøres i dette feltet, vil de akselerere langs feltlinjene akkurat som en fallende masse gjør, og deres elektriske potensielle energi vil transformere til kinetisk energi.
Formelen for elektrisk potensiell energi har en punktladningqen avstandrfra poengladningSpørsmåler gitt av:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Hvorker Coulombs konstante 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Du er sannsynligvis kjent med begrepetSpenning, som refererer til en mengde som kalleselektrisk potensial. Den elektriske potensielle energien til en ladningqkan bli funnet fra det elektriske potensialet (spenning,V) av følgende:
PE_q = qV
Kjemisk potensiell energier energi lagret i kjemiske bindinger og arrangementer av atomer. Denne energien kan transformeres til andre former under kjemiske reaksjoner. En brann er et eksempel på dette - når brannen brenner, blir potensiell energi i de kjemiske bindingene til det brennende materialet transformert til varme og strålingsenergi. Når du spiser mat, omdanner prosesser i kroppen din kjemisk energi til den energien kroppen din trenger for å holde seg i live og utføre alle grunnleggende livsoppgaver.
Kjernepotensiell energier energi i en atomkjerne. Når nukleonene (protoner og nøytroner) inne i en kjerne omorganiserer seg ved å kombinere, bryte fra hverandre eller endring fra den ene til den andre (enten gjennom fusjon, fisjon eller forfall) transformeres kjernekraftpotensialenergi eller løslatt.
Den berømte E = mc2 ligning beskriver mengden energi,E, frigitt under slike prosesser når det gjelder massenmog lysets hastighetc. Kjerner kan ende opp med lavere total masse etter forfall eller fusjon, og denne masseforskjellen direkte oversettes til mengden kjernekraftpotensial energi som konverteres til andre former, for eksempel strålende og termisk.
Typer kinetisk energi
Kinetisk energi er bevegelsesenergien. Mens et objekt med potensiell energi har potensial til å bevege seg, gjennomgår et objekt med kinetisk energi bevegelse. Hovedtyper av kinetisk energi er:
Mekanisk kinetisk energi, som er den kinetiske energien til et makroskopisk objekt av massembeveger seg med hastighetv. Den er gitt av formelen:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Tips
For et objekt som faller på grunn av tyngdekraften, gir bevaring av mekanisk energi oss muligheten til å bestemme hastigheten når den faller uten å bruke standard bevegelser for konstant akselerasjon. Bare bestem den totale mekaniske energien før objektet begynner å falle (mgh), og i hvilken høyde den enn er, må forskjellen i potensiell energi være lik 1 / 2mv2. Når du kjenner kinetisk energi, kan du løse detv.
Termisk energi, også kjent som varmeenergi, er resultatet av at molekylene i et stoff vibrerer. Jo raskere molekylene beveger seg, jo større er termisk energi og varmere objektet. Jo langsommere bevegelse, desto kaldere er objektet. I grensen der all bevegelse stopper, er objektets temperatur absolutt 0 i enheter av Kelvin.
Temperatur er et mål på den gjennomsnittlige translasjonelle kinetiske energien per molekyl. Den termiske energien til en ideell monatomergass er gitt med formelen:
E_ {termisk} = \ frac {3} {2} Nk_BT
HvorNer antall atomer,Ter temperaturen i Kelvin, ogkBer Boltzmanns konstante 1.381 × 10-23 J / K.
På overflaten kan dette forstås som den samme typen ting som mekanisk kinetisk energi er. Det er resultatet av at objekter (molekyler i dette tilfellet) beveger seg fysisk med en viss hastighet. Men denne bevegelsen skjer i mikroskopisk skala i et større objekt, så det er fornuftig å behandle den annerledes - spesielt fordi det er umulig å redegjøre for bevegelsen til hvert enkelt molekyl inne i noe!
Legg også merke til at det ikke er fornuftig å forveksle dette med mekanisk kinetisk energi siden denne energien ikke er det ganske enkelt forvandlet til potensiell energi på samme måte som den kinetiske energien til en ball som kastes i luften er.
Bølgenergioglyddanner en ekstra type kinetisk energi, som er energien forbundet med bølgebevegelse. Med en bølge går en forstyrrelse gjennom et medium. Ethvert punkt i det mediet vil svinge på plass når bølgen passerer gjennom - enten på linje med bevegelsesretningen (alangsgående bølge) eller vinkelrett på den (atverrgående bølge), slik som er sett med en bølge på en streng.
Mens punktene i mediet svinger på plass, beveger forstyrrelsen seg fra ett sted til et annet. Dette er en form for kinetisk energi fordi det er et resultat av at et fysisk materiale beveger seg.
Energien assosiert med en bølge er vanligvis direkte proporsjonal med kvadratet av bølgens amplitude. Det eksakte forholdet avhenger imidlertid av bølgetypen og mediet den beveger seg gjennom.
En bølgetype er en lydbølge, som er en langsgående bølge. Det vil si at det skyldes komprimeringer (regioner der mediet er komprimert) og sjeldne forhold (regioner der mediet er mindre komprimert) i luft, eller et annet materiale.
Strålende energier relatert til bølgeenergi, men det er ikke helt det samme. Dette er energi i form av elektromagnetisk stråling. Du er kanskje mest kjent med synlig lys, men denne energien kommer i typer som vi ikke kan se så godt, som radiobølger, mikrobølger, infrarød, ultrafiolett, røntgen og gammastråler. Det er energi som bæres av fotoner - lyspartikler. Fotoner sies å utvise partikkel / bølgedualitet, noe som betyr at de fungerer både som en bølge og en partikkel.
Strålingsenergi skiller seg ut fra vanlige bølger på en veldig kritisk måte: Det krever ikke et medium å reise gjennom. På grunn av dette kan den reise gjennom verdensrommet. All elektromagnetisk stråling beveger seg med lysets hastighet (den høyeste hastigheten i universet!) I vakuum.
Merk at fotonet ikke har masse, så vi kan ikke bare bruke den mekaniske kinetiske energilikningen til å bestemme den tilknyttede kinetiske energien. I stedet er energien forbundet med elektromagnetisk stråling gitt av E = hf, hvorfer frekvens ogher Plancks konstante 6,626 × 10-34 Js.
Elektrisk energi: Den kinetiske energien forbundet med en bevegelig ladning er den samme mekaniske kinetiske energien 1 / 2mv2; imidlertid genererer en bevegelig ladning også et magnetfelt. Det magnetiske feltet, akkurat som et gravitasjons- eller elektrisk felt, har evnen til å gi potensiell energi til alt som kan "føle" det - for eksempel en magnet eller en annen bevegelig ladning.
Energitransformasjoner
Den totale energien til et lukket system er bevart. Det vil si at den totale mengden, i alle former, forblir konstant selv om den overføres mellom objekter i systemet eller endrer form eller type.
Et godt eksempel på dette er hva som skjer med den kinetiske, potensielle og totale energien til en ball som kastes i luften. Anta at en 0,5 kg ball blir lansert opp fra bakkenivå med en starthastighet på 20 m / s. Vi kan bruke følgende kinematiske ligninger for å bestemme høyden og hastigheten på ballen på hvert sekund av ferden:
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
Hvis vi omtrentligegsom 10 m / s2, får vi resultatene vist i følgende tabell:
La oss nå se på det fra et energiperspektiv. For hvert sekund av reisen kan vi beregne den potensielle energien ved hjelp avmghog kinetisk energi ved bruk av 1 / 2mv2. Den totale energien er summen av de to. Ved å legge til kolonner i tabellen vår for potensiell, kinetisk og total energi får vi:
•••na
Som du kan se, er all ballens energi kinetisk i begynnelsen av banen. Når den stiger, reduseres hastigheten og høyden øker, og kinetisk energi transformeres til potensiell energi. Når den er på sitt høyeste punkt, har hele den opprinnelige kinetikken blitt potensial, og da reverserer prosessen seg selv når den faller ned igjen. I løpet av hele stien forble den totale energien konstant.
Hvis eksemplet vårt hadde inkludert friksjon eller andre avledende krefter, ville den totale mekaniske energien ikke, mens den totale energien fremdeles ville bli bevart. Den totale mekaniske energien ville være lik forskjellen mellom den totale energien og energien som transformerte seg til andre typer, for eksempel termisk eller lydenergi.