Istnieją dwie główne formy energii: energia kinetyczna i energia potencjalna.Energia kinetycznajest energią ruchu obiektu lub cząstki, orazenergia potencjalnajest energią związaną z pozycją obiektu lub cząstki.
Czasami energię kinetyczną i potencjalną związaną z procesami mechanicznymi obiektu makroskopowego określa się zbiorczo jakoenergia mechanicznai wykluczyć formy energii związane z procesami termicznymi, chemicznymi i atomowymi.
Fundamentalnym prawem fizyki jest zachowanie całkowitej energii w układzie zamkniętym. Jest to określane jakoprawo zachowania energii. Oznacza to, że chociaż energia może zmieniać formę lub przenosić się z jednego obiektu na drugi, całkowita ilość zawsze pozostanie stała w systemie, który jest doskonale odizolowany od otoczenia.
Aby uprościć obliczenia w wielu wprowadzających zagadnieniach fizyki, często przyjmuje się, że tarcie i inne siły rozpraszające są znikome, co powoduje, że całkowita energia mechaniczna układu zamkniętego jest osobno konserwowane.
Energia mechaniczna może zostać przekształcona w energię cieplną i inne rodzaje energii, gdy występuje tarcie, i może być trudno uzyskać energię cieplną, aby zamienić ją z powrotem w energię mechaniczną (i niemożliwe jest, aby to zrobić całkowicie). Dlatego często mówi się o energii mechanicznej jako o oddzielnej zachowanej ilości, ale znowu jest ona zachowana tylko wtedy, gdy nie ma tarcie.
Jednostką SI energii jest dżul (J), gdzie 1 dżul = 1 niuton × 1 metr.
Rodzaje energii potencjalnej
Energia potencjalna to energia wynikająca z położenia lub rozmieszczenia obiektu lub cząstki. Czasami opisuje się ją jako energię zmagazynowaną, ale nie jest to do końca dokładne, ponieważ energia kinetyczna może być również traktowana jako energia zmagazynowana, ponieważ nadal jest zawarta w poruszającym się obiekcie. Główne rodzaje energii potencjalnej to:
Elastyczna Energia potencjalna, która jest energią w postaci odkształcenia obiektu takiego jak sprężyna. Kiedy ściskasz lub rozciągasz sprężynę poza jej pozycję równowagi (spoczynkową), będzie ona miała elastyczną energię potencjalną. Kiedy ta sprężyna zostanie zwolniona, ta elastyczna energia potencjalna przekształci się w energię kinetyczną.
W przypadku masy zawieszonej na sprężynie, która jest następnie rozciągana i zwalniana, masa będzie oscylować w górę i w dół, gdy energia potencjalna sprężystości stanie się energia kinetyczna, następnie jest przekształcana z powrotem w potencjalną i tak dalej (przy czym część energii mechanicznej jest przekształcana w formy niemechaniczne z powodu tarcie.)
Równanie na energię potencjalną zmagazynowaną w sprężynie podaje wzór:
PE_{wiosna}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
Gdziekjest stałą sprężystości, a Δx jest przesunięciem od równowagi.
Grawitacyjna energia potencjalnato energia wynikająca z położenia obiektu w polu grawitacyjnym. Kiedy obiekt w takim polu zostanie uwolniony, przyspieszy, a energia potencjalna przekształci się w energię kinetyczną.
Grawitacyjna energia potencjalna obiektu o masiemprzy powierzchni Ziemi podaje:
PE_{grav}=mgh
Gdziesolto stała grawitacyjna 9,8 m/s2, ihto wysokość nad poziomem gruntu.
Podobna do grawitacyjnej energii potencjalnej,elektryczna energia potencjalnajest wynikiem umieszczenia ładunku w polu elektrycznym. Uwolnione w tym polu przyspieszą wzdłuż linii pola, podobnie jak spadająca masa, a ich elektryczna energia potencjalna przekształci się w energię kinetyczną.
Wzór na elektryczną energię potencjalną ma ładunek punktowyqdystansrod opłaty punktowejQjest dany przez:
PE_{elec,\text{ }poiny\text{ }ładunek}=\frac{kqQ}{r}
Gdziekjest stałą Coulomba 8,99 × 109 Nm2/DO2.
Prawdopodobnie znasz ten terminNapięcie, który odnosi się do wielkości zwanejpotencjał elektryczny. Elektryczna energia potencjalna ładunkuqmożna znaleźć na podstawie potencjału elektrycznego (napięcie,V) przez:
PE_q=qV
Chemiczna energia potencjalnato energia zmagazynowana w wiązaniach chemicznych i układach atomów. Ta energia może zostać przekształcona w inne formy podczas reakcji chemicznych. Przykładem tego jest ogień – gdy płonie, energia potencjalna w wiązaniach chemicznych płonącego materiału zamienia się na ciepło i energię promieniowania. Kiedy jesz jedzenie, procesy w twoim ciele przekształcają energię chemiczną w energię potrzebną twojemu ciału do życia i wykonywania wszystkich podstawowych zadań życiowych.
Jądrowa energia potencjalnato energia w jądrze atomowym. Gdy nukleony (protony i neutrony) wewnątrz jądra przestawiają się poprzez łączenie, rozpadanie lub zmieniając się z jednego na drugi (przez fuzję, rozszczepienie lub rozpad) jądrowa energia potencjalna jest przekształcana lub wydany.
Słynne E = mc2 równanie opisuje ilość energii,mi, uwalniane podczas takich procesów w przeliczeniu na masęmi prędkość światłado. Jądra mogą mieć niższą masę całkowitą po rozpadzie lub fuzji, a ta różnica mas bezpośrednio przekłada się na ilość jądrowej energii potencjalnej, która jest przekształcana w inne formy, takie jak promieniowanie i termiczny.
Rodzaje energii kinetycznej
Energia kinetyczna to energia ruchu. Podczas gdy obiekt z energią potencjalną może się poruszać, obiekt z energią kinetyczną jest w ruchu. Główne rodzaje energii kinetycznej to:
Mechaniczna energia kinetyczna, czyli energia kinetyczna makroskopowego obiektu o masiemporuszanie się z prędkościąv. Wyraża się wzorem:
KE_{mech}=\frac{1}{2}mv^2
Wskazówki
W przypadku obiektu spadającego pod wpływem grawitacji zasada zachowania energii mechanicznej pozwala nam określić jego prędkość podczas spadania bez użycia standardowych równań stałego przyspieszenia ruchu. Wystarczy określić całkowitą energię mechaniczną, zanim obiekt zacznie spadać (mgh), a następnie na dowolnej wysokości różnica energii potencjalnej musi wynosić 1/2mv2. Znając energię kinetyczną, możesz rozwiązaćv.
Energia cieplna, znana również jako energia cieplna, jest wynikiem wibracji cząsteczek substancji. Im szybciej poruszają się cząsteczki, tym większa energia cieplna i cieplejszy obiekt. Im wolniejszy ruch, tym zimniejszy obiekt. W granicy, w której zatrzymuje się wszelki ruch, temperatura obiektu wynosi bezwzględnie 0 w kelwinach.
Temperatura jest miarą średniej translacyjnej energii kinetycznej na cząsteczkę. Energia cieplna idealnego gazu jednoatomowego dana jest wzorem:
E_{thermal}=\frac{3}{2}Nk_BT
GdzieNto liczba atomów,Tto temperatura w kelwinach, ikbjest stałą Boltzmanna 1,381 × 10-23 J/K .
Pozornie można to rozumieć jako to samo, co mechaniczna energia kinetyczna. Jest to wynik fizycznego ruchu obiektów (w tym przypadku cząsteczek) z określoną prędkością. Ale ten ruch dzieje się w skali mikroskopowej w większym obiekcie, więc warto go leczyć inaczej – zwłaszcza, że nie da się wytłumaczyć ruchu każdej odrębnej cząsteczki wewnątrz coś!
Zauważ też, że nie ma sensu mylić tego z mechaniczną energią kinetyczną, ponieważ ta energia nie jest taka po prostu przekształca się w energię potencjalną w taki sam sposób, w jaki energia kinetyczna piłki rzucanej w powietrze jest.
Energia faliidźwięktworzą dodatkowy rodzaj energii kinetycznej, która jest energią związaną z ruchem falowym. Fala powoduje, że zakłócenie przemieszcza się przez ośrodek. Dowolny punkt w tym ośrodku będzie oscylował w miejscu, gdy fala przechodzi – albo w linii z kierunkiem ruchu (afala podłużna) lub prostopadle do niego (afala poprzeczna), jak widać z falą na sznurku.
Podczas gdy punkty w ośrodku oscylują w miejscu, samo zakłócenie przemieszcza się z jednego miejsca do drugiego. Jest to forma energii kinetycznej, ponieważ jest wynikiem ruchu fizycznego materiału.
Energia związana z falą jest zazwyczaj wprost proporcjonalna do kwadratu amplitudy fali. Dokładna zależność zależy jednak od rodzaju fali i ośrodka, przez który się przemieszcza.
Jednym z rodzajów fali jest fala dźwiękowa, która jest falą podłużną. Oznacza to, że jest wynikiem kompresji (regiony, w których medium jest skompresowane) i rozrzedzenia (regiony, w których medium jest słabiej skompresowane) najczęściej w powietrzu lub innym materiale.
Energia promienistawiąże się z energią fal, ale nie jest to dokładnie to samo. Jest to energia w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Być może najlepiej znasz światło widzialne, ale ta energia występuje w rodzajach, których nie widzimy, jak fale radiowe, mikrofale, podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. To energia niesiona przez fotony – cząsteczki światła. Mówi się, że fotony wykazują dualizm cząsteczkowy/falowy, co oznacza, że działają zarówno jak fala, jak i cząsteczka.
Energia promieniowania różni się od zwykłych fal w bardzo krytyczny sposób: nie wymaga ośrodka, przez który może się przemieszczać. Z tego powodu może podróżować przez próżnię kosmiczną. Całe promieniowanie elektromagnetyczne przemieszcza się z prędkością światła (największa prędkość we wszechświecie!) w próżni.
Zauważ, że foton nie ma masy, więc nie możemy po prostu użyć równania mechanicznej energii kinetycznej do określenia powiązanej energii kinetycznej. Zamiast tego energia związana z promieniowaniem elektromagnetycznym jest dana przez E = hf, gdziefato częstotliwość ihjest stałą Plancka 6,626 × 10-34 Js.
Energia elektryczna: Energia kinetyczna związana z poruszającym się ładunkiem to ta sama mechaniczna energia kinetyczna 1/2mv2; jednak poruszający się ładunek generuje również pole magnetyczne. To pole magnetyczne, podobnie jak pole grawitacyjne lub elektryczne, ma zdolność przekazywania energii potencjalnej na wszystko, co może je „wyczuć” – na przykład magnes lub inny poruszający się ładunek.
Transformacje energetyczne
Całkowita energia systemu zamkniętego jest zachowana. Oznacza to, że całkowita kwota we wszystkich formach pozostaje stała, nawet jeśli jest przenoszona między obiektami w systemie lub zmienia formę lub typ.
Doskonałym tego przykładem jest to, co dzieje się z energią kinetyczną, potencjalną i całkowitą piłki wyrzuconej w powietrze. Załóżmy, że kula o wadze 0,5 kg jest wystrzeliwana w górę z poziomu gruntu z początkową prędkością 20 m/s. Do wyznaczenia wysokości i prędkości kuli w każdej sekundzie jej ruchu możemy wykorzystać następujące równania kinematyczne:
v_f=v_i+o=20\text{ m/s}-gt\\ y_f=y_i+v_it+\frac{1}{2}o^2=(20 \text{ m/s})t-\frac{ g}{2}t^2
Jeśli się przybliżymysoljak 10 m/s2, otrzymujemy wyniki przedstawione w poniższej tabeli:
Spójrzmy teraz na to z perspektywy energetycznej. Dla każdej sekundy podróży możemy obliczyć energię potencjalną za pomocąmgha energia kinetyczna za pomocą 1/2mv2. Całkowita energia jest sumą tych dwóch. Dodając kolumny do naszej tabeli dla energii potencjalnej, kinetycznej i całkowitej, otrzymujemy:
•••nie
Jak widać, na początku swojej drogi cała energia kuli jest kinetyczna. Gdy się wznosi, jego prędkość maleje, a wysokość wzrasta, a energia kinetyczna jest przekształcana w energię potencjalną. Kiedy jest w najwyższym punkcie, cała początkowa kinetyka zamieniła się w potencjał, a następnie proces odwraca się i spada z powrotem. Podczas całej ścieżki całkowita energia pozostawała stała.
Gdyby nasz przykład zawierał tarcie lub inne siły rozpraszające, to podczas gdy całkowita energia byłaby nadal zachowana, całkowita energia mechaniczna nie byłaby zachowana. Całkowita energia mechaniczna byłaby równa różnicy między całkowitą energią a energią, która przekształciła się w inne rodzaje, takie jak energia cieplna lub dźwiękowa.