Există două forme principale de energie: energia cinetică și energia potențială.Energie kineticăeste energia mișcării unui obiect sau particulă șienergie potențialăeste energia asociată cu poziția unui obiect sau a unei particule.
Uneori, energia cinetică și potențială asociată cu procesele mecanice ale unui obiect macroscopic sunt denumite în mod colectivenergie mecanicăși exclude formele de energie asociate proceselor termice, chimice și atomice.
Este o lege fundamentală a fizicii că energia totală dintr-un sistem închis este conservată. Aceasta este denumitălegea conservării energiei. Adică, în timp ce energia se poate schimba de formă sau se poate transfera de la un obiect la altul, cantitatea totală va rămâne întotdeauna constantă într-un sistem care este perfect izolat de împrejurimile sale.
Pentru a simplifica calculele în multe probleme introductive de fizică, se presupune adesea că fricțiunea și altele forțele disipative sunt neglijabile, ceea ce duce la faptul că energia mecanică totală a unui sistem închis este separată conservat.
Energia mecanică poate fi convertită în energie termică și alte tipuri de energie atunci când este prezentă frecare și poate fi dificil să obțineți orice energie termică care să se transforme înapoi în energie mecanică (și este imposibil să o faci să o facă în totalitate.) Acesta este motivul pentru care energia mecanică este adesea menționată ca o cantitate conservată separată, dar, din nou, este conservată numai atunci când nu există frecare.
Unitatea SI pentru energie este joul (J) unde 1 joul = 1 newton × 1 metru.
Tipuri de energie potențială
Energia potențială este energie datorată poziției sau aranjamentului unui obiect sau unei particule. Uneori este descrisă ca energie stocată, dar aceasta nu este pe deplin precisă, deoarece energia cinetică poate fi considerată și energie stocată, deoarece este încă conținută în obiectul care se mișcă. Principalele tipuri de energie potențială sunt:
Energie potențială elastică, care este energie sub formă de deformare a unui obiect precum un arc. Când comprimați sau întindeți un arc dincolo de poziția sa de echilibru (de repaus), acesta va avea energie potențială elastică. La eliberarea acestei arcuri, această energie potențială elastică se va transforma în energie cinetică.
În cazul unei mase suspendate de un arc care este apoi întins și eliberat, masa va oscila în sus și în jos pe măsură ce energia potențială elastică devine energie cinetică, apoi este transformată înapoi la potențial și așa mai departe (o parte din energia mecanică fiind schimbată în forme nemecanice datorită frecare.)
Ecuația energiei potențiale stocate într-un arc este dată de:
PE_ {arc} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Undekeste constanta arcului și Δx este deplasarea de la echilibru.
Energia potențială gravitaționalăeste energia datorată poziției unui obiect într-un câmp gravitațional. Când un obiect dintr-un astfel de câmp este eliberat, acesta se va accelera și energia potențială se va transforma în energie cinetică.
Energia potențială gravitațională pentru un obiect de masămlângă suprafața Pământului este dată de:
PE_ {grav} = mgh
Undegeste constanta gravitationala 9,8 m / s2, șiheste înălțimea deasupra nivelului solului.
Similar cu energia potențială gravitațională,energie potențială electricăeste rezultatul poziționării obiectelor cu sarcină într-un câmp electric. Dacă sunt eliberați în acest câmp, vor accelera de-a lungul liniilor de câmp la fel ca o masă care se încadrează, iar energia lor potențială electrică se va transforma în energie cinetică.
Formula energiei potențiale electrice este o sarcină punctualăqo distantarde la încărcare punctualăÎeste dat de:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Undekeste constanta lui Coulomb de 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Probabil că sunteți familiarizat cu termenulVoltaj, care se referă la o cantitate numităpotential electric. Energia potențială electrică a unei sarciniqpot fi găsite din potențialul electric (tensiune,V) prin următoarele:
PE_q = qV
Energie potențială chimicăeste energia stocată în legăturile chimice și aranjamentele atomilor. Această energie poate fi transformată în alte forme în timpul reacțiilor chimice. Un incendiu este un exemplu în acest sens - pe măsură ce focul arde, energia potențială din legăturile chimice ale materialului care arde se transformă în căldură și energie radiantă. Când mâncați alimente, procesele din corpul vostru transformă energia chimică în energia de care are nevoie corpul pentru a rămâne în viață și pentru a îndeplini toate sarcinile de bază ale vieții.
Energie nucleară potențialăeste energie într-un nucleu atomic. Când nucleonii (protoni și neutroni) din interiorul unui nucleu se rearanjează prin combinare, separare sau schimbarea de la unul la altul (fie prin fuziune, fisiune sau degradare) se transformă energia potențială nucleară sau eliberată.
Celebrul E = mc2 ecuația descrie cantitatea de energie,E, eliberat în timpul acestor procese din punct de vedere al maseimși viteza luminiic. Nucleii se pot termina cu o masă totală mai mică după descompunere sau fuziune, iar această diferență de masă este directă se traduce prin cantitatea de energie nucleară potențială care este convertită în alte forme, cum ar fi radiantă și termic.
Tipuri de energie cinetică
Energia cinetică este energia mișcării. În timp ce un obiect cu energie potențială are potențialul de a se mișca, un obiect cu energie cinetică este în mișcare. Principalele tipuri de energie cinetică sunt:
Energia cinetică mecanică, care este energia cinetică a unui obiect macroscopic de masămdeplasându-se cu vitezăv. Este dat de formula:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
sfaturi
Pentru un obiect care cade datorită gravitației, conservarea energiei mecanice ne permite să determinăm viteza acestuia pe măsură ce cade fără a utiliza ecuațiile standard de accelerație constantă ale mișcării. Pur și simplu determinați energia mecanică totală înainte ca obiectul să înceapă să cadă (mgh) și apoi, la orice înălțime, diferența de energie potențială trebuie să fie egală cu 1 / 2mv2. Odată ce cunoașteți energia cinetică, puteți rezolvav.
Energie termală, cunoscută și sub numele de energie termică, este rezultatul vibrării moleculelor dintr-o substanță. Cu cât moleculele se mișcă mai repede, cu atât este mai mare energia termică și obiectul este mai fierbinte. Cu cât mișcarea este mai lentă, cu atât obiectul este mai rece. În limita în care se oprește toată mișcarea, temperatura obiectului este absolută 0 în unități de Kelvin.
Temperatura este o măsură a energiei cinetice translaționale medii pe moleculă. Energia termică a unui gaz monatomic ideal este dată de formula:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
UndeNeste numărul de atomi,Teste temperatura în Kelvin șikBeste constanta lui Boltzmann 1.381 × 10-23 J / K.
La suprafață, acest lucru poate fi înțeles ca același fel de lucru pe care îl reprezintă energia cinetică mecanică. Este rezultatul mișcării fizice a obiectelor (molecule în acest caz) la o anumită viteză. Dar această mișcare se întâmplă pe scara microscopică într-un obiect mai mare, așa că are sens să o tratăm diferit - mai ales pentru că este imposibil să explicăm mișcarea fiecărei molecule distincte din interiorul ceva!
Rețineți, de asemenea, că nu are sens să confundați acest lucru cu energia cinetică mecanică, deoarece această energie nu este așa pur și simplu transformată în energie potențială în același mod energia cinetică a unei mingi aruncată în aer este.
Energia valurilorșisunetformează un tip suplimentar de energie cinetică, care este energia asociată cu mișcarea undelor. Cu un val, o tulburare călătorește printr-un mediu. Orice punct din acel mediu va oscila pe loc pe măsură ce unda trece - fie aliniată cu direcția de mișcare (aundă longitudinală) sau perpendicular pe acesta (aundă transversală), așa cum se vede cu un val pe un șir.
În timp ce punctele din mediu oscilează pe loc, perturbarea însăși se deplasează dintr-un loc în altul. Aceasta este o formă de energie cinetică, deoarece este rezultatul mișcării unui material fizic.
Energia asociată cu o undă este de obicei direct proporțională cu pătratul amplitudinii undei. Relația exactă depinde totuși de tipul de undă și de mediul prin care călătorește.
Un tip de undă este o undă sonoră, care este o undă longitudinală. Adică, rezultă din comprimări (regiuni în care mediul este comprimat) și rarefacții (regiuni în care mediul este mai puțin comprimat) în cel mai frecvent aer sau alt material.
Energie radiantaeste legat de energia valurilor, dar nu este la fel. Aceasta este energie sub formă de radiație electromagnetică. Este posibil să fiți cel mai familiarizat cu lumina vizibilă, dar această energie vine în tipuri pe care nu le putem vedea la fel de bine, cum ar fi unde radio, microunde, infraroșu, ultraviolet, raze X și raze gamma. Este energie transportată de fotoni - particule de lumină. Se spune că fotonii prezintă dualitate particule / unde, ceea ce înseamnă că acționează atât ca o undă, cât și ca o particulă.
Energia radiantă diferă de undele obișnuite într-un mod foarte critic: nu necesită un mediu prin care să călătorească. Din această cauză, poate călători prin vidul spațiului. Toate radiațiile electromagnetice se deplasează cu viteza luminii (cea mai rapidă viteză din univers!) În vid.
Rețineți că fotonul nu are masă, deci nu putem folosi pur și simplu ecuația energiei cinetice mecanice pentru a determina energia cinetică asociată. În schimb, energia asociată cu radiația electromagnetică este dată de E = hf, undefeste frecvență șiheste constanta lui Planck 6.626 × 10-34 Js.
Energie electrica: Energia cinetică asociată cu o sarcină în mișcare este aceeași energie cinetică mecanică 1 / 2mv2; cu toate acestea, o sarcină în mișcare generează și un câmp magnetic. Acest câmp magnetic, la fel ca un câmp gravitațional sau electric, are capacitatea de a transmite energie potențială oricărui lucru care îl poate „simți” - cum ar fi un magnet sau o altă sarcină în mișcare.
Transformări de energie
Energia totală a unui sistem închis este conservată. Adică, suma totală, sub toate formele, rămâne constantă chiar dacă este transferată între obiecte din sistem sau modifică forma sau tipul.
Un prim exemplu în acest sens este ceea ce se întâmplă cu energia cinetică, potențială și totală a unei mingi aruncate în aer. Să presupunem că o minge de 0,5 kg este lansată în sus de la nivelul solului la o viteză inițială de 20 m / s. Putem utiliza următoarele ecuații cinematice pentru a determina înălțimea și viteza mingii la fiecare secundă de deplasare a acesteia:
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
Dacă aproximămgca 10 m / s2, obținem rezultatele prezentate în următorul tabel:
Acum să o privim dintr-o perspectivă energetică. Pentru fiecare secundă de călătorie, putem calcula energia potențială folosindmghși energia cinetică folosind 1 / 2mv2. Energia totală este suma celor două. Adăugând coloane la tabelul nostru pentru energie potențială, cinetică și totală, obținem:
•••n / A
După cum puteți vedea, la începutul drumului, toată energia mingii este cinetică. Pe măsură ce crește, viteza sa scade și înălțimea crește, iar energia cinetică se transformă în energie potențială. Când se află în punctul său cel mai înalt, toată cinetica inițială s-a transformat în potențial și apoi procesul se inversează pe măsură ce cade înapoi. Pe parcursul întregii căi, energia totală a rămas constantă.
Dacă exemplul nostru ar fi inclus frecare sau alte forțe disipative, atunci, în timp ce energia totală ar fi încă conservată, energia mecanică totală nu ar fi. Energia mecanică totală ar egala diferența dintre energia totală și energia care s-a transformat în alte tipuri, cum ar fi energia termică sau sonoră.