Existem duas formas principais de energia: energia cinética e energia potencial.Energia cinéticaé a energia do movimento de um objeto ou partícula, eenergia potencialé a energia associada à posição de um objeto ou partícula.
Às vezes, a energia cinética e potencial associada aos processos mecânicos de um objeto macroscópico são referidos coletivamente comoenergia mecânicae excluir formas de energia associadas a processos térmicos, químicos e atômicos.
É uma lei fundamental da física que a energia total em um sistema fechado seja conservada. Isso é conhecido comoa lei da conservação de energia. Ou seja, embora a energia possa mudar de forma ou ser transferida de um objeto para outro, a quantidade total sempre permanecerá constante em um sistema que está perfeitamente isolado de seus arredores.
Para simplificar os cálculos em muitos problemas introdutórios à física, muitas vezes assume-se que o atrito e outros as forças dissipativas são desprezíveis, o que resulta na energia mecânica total de um sistema fechado sendo separadamente conservado.
A energia mecânica pode ser convertida em energia térmica e outros tipos de energia quando o atrito está presente, e pode ser difícil fazer com que qualquer energia térmica se transforme novamente em energia mecânica (e impossível fazer com que ele o faça inteiramente.) É por isso que a energia mecânica é freqüentemente mencionada como uma quantidade conservada separada, mas, novamente, ela só é conservada quando não há atrito.
A unidade SI para energia é o joule (J), onde 1 joule = 1 newton x 1 metro.
Tipos de energia potencial
Energia potencial é a energia devida à posição ou arranjo de um objeto ou partícula. Às vezes, é descrito como energia armazenada, mas isso não é totalmente preciso, pois a energia cinética também pode ser considerada energia armazenada porque ainda está contida no objeto em movimento. Os principais tipos de energia potencial são:
Energia potencial elástica, que é a energia na forma de deformação de um objeto, como uma mola. Quando você comprime ou estica uma mola além de sua posição de equilíbrio (repouso), ela terá energia potencial elástica. Quando esta primavera for liberada, essa energia potencial elástica se transformará em energia cinética.
No caso de uma massa suspensa de uma mola que é então esticada e liberada, a massa oscilará para cima e para baixo conforme a energia potencial elástica se torna energia cinética, então é transformada de volta ao potencial e assim por diante (com parte da energia mecânica sendo transformada em formas não mecânicas devido a atrito.)
A equação para a energia potencial armazenada em uma mola é dada por:
PE_ {primavera} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Ondeké a constante da mola e Δx é o deslocamento do equilíbrio.
Energia potencial gravitacionalé a energia devida à posição de um objeto em um campo gravitacional. Quando um objeto em tal campo é liberado, ele se acelera e essa energia potencial se transforma em energia cinética.
A energia potencial gravitacional para um objeto de massamperto da superfície da Terra é dado por:
PE_ {grav} = mgh
Ondegé a constante gravitacional de 9,8 m / s2, ehé a altura acima do nível do solo.
Semelhante à energia potencial gravitacional,energia potencial elétricaé o resultado de objetos com carga sendo posicionados em um campo elétrico. Se liberados neste campo, eles irão acelerar ao longo das linhas de campo, assim como uma massa em queda, e sua energia potencial elétrica se transformará em energia cinética.
A fórmula para energia potencial elétrica é de uma carga pontualquma distânciarde carga pontualQÉ dado por:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} carga} = \ frac {kqQ} {r}
Ondeké a constante de Coulomb 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Você provavelmente está familiarizado com o termoVoltagem, que se refere a uma quantidade chamadapotencial elétrico. A energia potencial elétrica de uma cargaqpode ser encontrado a partir do potencial elétrico (tensão,V) pelo seguinte:
PE_q = qV
Energia potencial químicaé a energia armazenada nas ligações químicas e nos arranjos dos átomos. Essa energia pode ser transformada em outras formas durante as reações químicas. Um fogo é um exemplo disso - conforme o fogo queima, a energia potencial nas ligações químicas do material em chamas é transformada em calor e energia radiante. Quando você come alimentos, os processos em seu corpo convertem energia química em energia de que seu corpo precisa para se manter vivo e realizar todas as tarefas básicas da vida.
Energia potencial nuclearé a energia em um núcleo atômico. Quando os núcleos (prótons e nêutrons) dentro de um núcleo se reorganizam combinando, separando ou mudando de um para o outro (seja por fusão, fissão ou decadência), a energia potencial nuclear é transformada ou liberado.
O famoso E = mc2 equação descreve a quantidade de energia,E, liberado durante tais processos em termos de massame a velocidade da luzc. Os núcleos podem acabar com menor massa total após decomposição ou fusão, e essa diferença de massa diretamente se traduz na quantidade de energia potencial nuclear que é convertida em outras formas, como radiante e térmico.
Tipos de energia cinética
A energia cinética é a energia do movimento. Enquanto um objeto com energia potencial tem o potencial de se mover, um objeto com energia cinética está em movimento. Os principais tipos de energia cinética são:
Energia cinética mecânica, que é a energia cinética de um objeto macroscópico de massammovendo-se com velocidadev. É dado pela fórmula:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Pontas
Para um objeto caindo devido à gravidade, a conservação da energia mecânica nos permite determinar sua velocidade conforme ele cai, sem usar as equações de movimento de aceleração constante padrão. Simplesmente determine a energia mecânica total antes que o objeto comece a cair (mgh) e, em seguida, em qualquer altura em que esteja, a diferença na energia potencial deve ser igual a 1 / 2mv2. Depois de conhecer a energia cinética, você pode resolver parav.
Energia térmica, também conhecida como energia térmica, é o resultado da vibração das moléculas de uma substância. Quanto mais rápido as moléculas se moverem, maior será a energia térmica e mais quente será o objeto. Quanto mais lento o movimento, mais frio é o objeto. No limite onde todo movimento pára, a temperatura do objeto é 0 absoluto em unidades de Kelvin.
A temperatura é uma medida da energia cinética translacional média por molécula. A energia térmica de um gás monoatômico ideal é dada pela fórmula:
E_ {térmica} = \ frac {3} {2} Nk_BT
OndeNé o número de átomos,Té a temperatura em Kelvin, ekBé a constante de Boltzmann 1,381 × 10-23 J / K.
Superficialmente, isso pode ser entendido como o mesmo tipo de energia cinética mecânica. É o resultado de objetos (moléculas neste caso) movendo-se fisicamente a uma determinada velocidade. Mas todo esse movimento está acontecendo em escala microscópica dentro de um objeto maior, então faz sentido tratá-lo de forma diferente - especialmente porque é impossível explicar o movimento de cada molécula distinta dentro de alguma coisa!
Observe também que não faz sentido confundir isso com energia cinética mecânica, uma vez que esta energia não é assim simplesmente transformada em energia potencial da mesma forma que a energia cinética de uma bola sendo lançada no ar é.
Energia das ondasesomformam um tipo adicional de energia cinética, que é a energia associada ao movimento das ondas. Com uma onda, uma perturbação viaja por um meio. Qualquer ponto nesse meio irá oscilar no lugar conforme a onda passa - seja alinhado com a direção do movimento (aonda longitudinal) ou perpendicular a ele (aonda transversal), como é visto com uma onda em uma corda.
Enquanto os pontos no meio oscilam no local, a própria perturbação viaja de um lugar para outro. Esta é uma forma de energia cinética porque é o resultado do movimento de um material físico.
A energia associada a uma onda é normalmente diretamente proporcional ao quadrado da amplitude da onda. A relação exata, entretanto, depende do tipo de onda e do meio pelo qual está viajando.
Um tipo de onda é a onda sonora, que é uma onda longitudinal. Ou seja, resulta de compressões (regiões em que o meio é comprimido) e rarefações (regiões em que o meio é menos comprimido), mais comumente, no ar ou outro material.
Energia radianteestá relacionado à energia das ondas, mas não é exatamente o mesmo. Esta é a energia na forma de radiação eletromagnética. Você pode estar mais familiarizado com a luz visível, mas essa energia vem em tipos que também não podemos ver, como ondas de rádio, microondas, infravermelho, ultravioleta, raios X e raios gama. É energia transportada por fótons - partículas de luz. Diz-se que os fótons exibem dualidade partícula / onda, o que significa que agem tanto como onda quanto como partícula.
A energia radiante difere das ondas regulares de uma forma muito crítica: ela não requer um meio pelo qual viajar. Por causa disso, ele pode viajar pelo vácuo do espaço. Toda radiação eletromagnética viaja à velocidade da luz (a velocidade mais rápida do universo!) No vácuo.
Observe que o fóton não tem massa, então não podemos simplesmente usar a equação da energia cinética mecânica para determinar a energia cinética associada. Em vez disso, a energia associada à radiação eletromagnética é dada por E = hf, ondefé frequência ehé a constante de Planck de 6,626 × 10-34 Js.
Energia elétrica: A energia cinética associada a uma carga móvel é a mesma energia cinética mecânica 1 / 2mv2; no entanto, uma carga em movimento também gera um campo magnético. Esse campo magnético, assim como um campo gravitacional ou elétrico, tem a capacidade de transmitir energia potencial a qualquer coisa que possa "senti-la" - como um ímã ou outra carga em movimento.
Transformações de energia
A energia total de um sistema fechado é conservada. Ou seja, o valor total, em todas as formas, permanece constante mesmo que seja transferido entre objetos no sistema ou mude de forma ou tipo.
Um bom exemplo disso é o que acontece com a energia cinética, potencial e total de uma bola lançada ao ar. Suponha que uma bola de 0,5 kg seja lançada do nível do solo a uma velocidade inicial de 20 m / s. Podemos usar as seguintes equações cinemáticas para determinar a altura e a velocidade da bola a cada segundo de seu percurso:
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
Se aproximarmosgcomo 10 m / s2, obtemos os resultados mostrados na seguinte tabela:
Agora vamos olhar para isso de uma perspectiva energética. Para cada segundo de viagem, podemos calcular a energia potencial usandomghe a energia cinética usando 1 / 2mv2. A energia total é a soma dos dois. Adicionando colunas à nossa tabela para energia potencial, cinética e total, obtemos:
•••n / D
Como você pode ver, no início de seu caminho, toda a energia da bola é cinética. À medida que sobe, sua velocidade diminui e a altura aumenta, e a energia cinética é transformada em energia potencial. Quando está em seu ponto mais alto, toda a cinética inicial se transforma em potencial e, então, o processo se reverte à medida que cai. Durante todo o caminho, a energia total permaneceu constante.
Se nosso exemplo incluísse atrito ou outras forças dissipativas, então, embora a energia total ainda fosse conservada, a energia mecânica total não o seria. A energia mecânica total seria igual à diferença entre a energia total e a energia que se transformou em outros tipos, como energia térmica ou sonora.
