Существуют две основные формы энергии: кинетическая энергия и потенциальная энергия.Кинетическая энергияэто энергия движения объекта или частицы, ипотенциальная энергияэто энергия, связанная с положением объекта или частицы.
Иногда кинетическая и потенциальная энергия, связанная с механическими процессами макроскопического объекта, вместе именуются какмеханическая энергияи исключить формы энергии, связанные с тепловыми, химическими и атомными процессами.
Это фундаментальный закон физики, согласно которому полная энергия в замкнутой системе сохраняется. Это называетсязакон сохранения энергии. То есть, хотя энергия может изменять форму или передаваться от одного объекта к другому, общее количество всегда будет оставаться постоянным в системе, которая идеально изолирована от своего окружения.
Чтобы упростить вычисления во многих вводных физических задачах, часто предполагается, что трение и другие диссипативные силы пренебрежимо малы, что приводит к тому, что полная механическая энергия замкнутой системы отдельно законсервировано.
Механическая энергия может быть преобразована в тепловую и другие виды энергии при наличии трения, и может быть трудно заставить любую тепловую энергию снова превратиться в механическую энергию. (и невозможно заставить его делать это полностью.) Вот почему механическая энергия часто рассматривается как отдельная сохраняемая величина, но, опять же, она сохраняется только тогда, когда нет трение.
Единицей измерения энергии в системе СИ является джоуль (Дж), где 1 джоуль = 1 ньютон × 1 метр.
Типы потенциальной энергии
Потенциальная энергия - это энергия, обусловленная положением или расположением объекта или частицы. Иногда ее описывают как накопленную энергию, но это не совсем точно, поскольку кинетическая энергия также может рассматриваться как накопленная энергия, поскольку она все еще содержится в движущемся объекте. Основные виды потенциальной энергии:
Упругая потенциальная энергия, которая представляет собой энергию в виде деформации объекта, например пружины. Когда вы сжимаете или растягиваете пружину за пределы ее положения равновесия (покоя), она будет обладать упругой потенциальной энергией. Когда эта пружина отпускается, эта упругая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.
В случае массы, подвешенной на пружине, которая затем растягивается и отпускается, масса будет колебаться вверх и вниз по мере того, как упругая потенциальная энергия становится равной. кинетическая энергия, затем преобразуется обратно в потенциальную и так далее (при этом часть механической энергии преобразуется в немеханические формы из-за трение.)
Уравнение для потенциальной энергии, запасенной в пружине, определяется следующим образом:
PE_ {пружина} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Гдеk- жесткость пружины, а Δx - смещение от положения равновесия.
Гравитационно потенциальная энергия- энергия, обусловленная положением объекта в гравитационном поле. Когда объект в таком поле высвобождается, он ускоряется, и эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию.
Гравитационная потенциальная энергия для объекта массыму поверхности Земли определяется по формуле:
PE_ {grav} = mgh
Гдеграммгравитационная постоянная 9,8 м / с2, а такжечасвысота над уровнем земли.
Подобно гравитационной потенциальной энергии,электрическая потенциальная энергияявляется результатом размещения заряженных объектов в электрическом поле. Если их высвободить в этом поле, они будут ускоряться вдоль силовых линий, как падающая масса, и их электрическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.
Формула для электрической потенциальной энергии точечного зарядаqрасстояниерот точечной оплатыQдан кем-то:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Гдеk- постоянная Кулона 8.99 × 109 Нм2/ C2.
Вы, вероятно, знакомы с терминомНапряжение, который относится к величине, называемойэлектрический потенциал. Электрическая потенциальная энергия зарядаqможно найти из электрического потенциала (напряжение,V) следующим образом:
PE_q = qV
Химическая потенциальная энергияэто энергия, хранящаяся в химических связях и расположении атомов. Эта энергия может быть преобразована в другие формы в ходе химических реакций. Примером этого является огонь - когда огонь горит, потенциальная энергия химических связей горящего материала преобразуется в тепло и лучистую энергию. Когда вы едите, процессы в вашем теле преобразуют химическую энергию в энергию, необходимую вашему телу, чтобы оставаться в живых и выполнять все основные жизненные задачи.
Ядерная потенциальная энергияэто энергия в атомном ядре. Когда нуклоны (протоны и нейтроны) внутри ядра перестраиваются путем объединения, разрушения или переходя от одного к другому (посредством синтеза, деления или распада) ядерная потенциальная энергия преобразуется или выпущенный.
Знаменитый E = mc2 уравнение описывает количество энергии,E, выделяемых при таких процессах по массеми скорость светаc. Ядра могут иметь меньшую общую массу после распада или слияния, и эта разница масс напрямую переводится в количество ядерной потенциальной энергии, которая преобразуется в другие формы, такие как лучистая и термический.
Типы кинетической энергии
Кинетическая энергия - это энергия движения. В то время как объект с потенциальной энергией может двигаться, объект с кинетической энергией совершает движение. Основные типы кинетической энергии:
Механическая кинетическая энергия, которая представляет собой кинетическую энергию макроскопического объекта массымдвижется со скоростьюv. Он задается формулой:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} мв ^ 2
Советы
Для объекта, падающего под действием силы тяжести, сохранение механической энергии позволяет нам определить его скорость при падении без использования стандартных уравнений движения с постоянным ускорением. Просто определите общую механическую энергию до того, как объект начнет падать (mgh), а затем на какой бы высоте он ни находился, разница в потенциальной энергии должна составлять 1/2 мВ.2. Когда вы знаете кинетическую энергию, вы можете решить дляv.
Термальная энергия, также известная как тепловая энергия, возникает в результате вибрации молекул вещества. Чем быстрее движутся молекулы, тем больше тепловая энергия и тем горячее объект. Чем медленнее движение, тем холоднее объект. В пределе, когда все движение прекращается, температура объекта составляет абсолютный 0 в единицах Кельвина.
Температура - это мера средней поступательной кинетической энергии на молекулу. Тепловая энергия идеального одноатомного газа определяется формулой:
E_ {термический} = \ frac {3} {2} Nk_BT
ГдеNэто количество атомов,Тэто температура в Кельвинах, аkBпостоянная Больцмана 1.381 × 10-23 Дж / К.
На первый взгляд это можно понять как то же самое, что и механическая кинетическая энергия. Это результат того, что объекты (в данном случае молекулы) физически движутся с определенной скоростью. Но все это движение происходит в микроскопическом масштабе внутри более крупного объекта, поэтому имеет смысл рассматривать его. по-разному - особенно потому, что невозможно учесть движение каждой отдельной молекулы внутри что-нибудь!
Также обратите внимание, что нет смысла путать это с механической кинетической энергией, так как эта энергия не является таковой. просто превращается в потенциальную энергию таким же образом, как кинетическая энергия шара, брошенного в воздух является.
Волновая энергияа такжезвукобразуют дополнительный тип кинетической энергии, которая является энергией, связанной с волновым движением. С волной возмущение распространяется через среду. Любая точка в этой среде будет колебаться на месте по мере прохождения волны - либо совмещенная с направлением движения (продольная волна) или перпендикулярно ему (aпоперечная волна), как это видно с волной на струне.
В то время как точки в среде колеблются на месте, само возмущение перемещается из одного места в другое. Это форма кинетической энергии, потому что она является результатом движения физического материала.
Энергия, связанная с волной, обычно прямо пропорциональна квадрату амплитуды волны. Однако точное соотношение зависит от типа волны и среды, в которой она распространяется.
Один тип волны - это звуковая волна, которая представляет собой продольную волну. То есть он возникает в результате сжатия (области, в которых среда сжимается) и разрежения (области, в которых среда менее сжатая), чаще всего в воздухе или другом материале.
Энергия излучениясвязано с волновой энергией, но это не совсем то же самое. Это энергия в виде электромагнитного излучения. Возможно, вы больше всего знакомы с видимым светом, но эта энергия бывает разных типов, которые мы тоже не видим, например, радиоволны, микроволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-лучи. Это энергия, переносимая фотонами - частицами света. Говорят, что фотоны демонстрируют дуальность частица / волна, то есть они действуют как волна и как частица.
Лучистая энергия очень сильно отличается от обычных волн: ей не требуется среда, через которую можно перемещаться. Благодаря этому он может путешествовать в космическом вакууме. Все электромагнитное излучение движется со скоростью света (самая высокая скорость во Вселенной!) В вакууме.
Обратите внимание, что фотон не имеет массы, поэтому мы не можем просто использовать уравнение механической кинетической энергии для определения соответствующей кинетической энергии. Вместо этого энергия, связанная с электромагнитным излучением, определяется выражением E = hf, гдежчастота ичаспостоянная Планка 6,626 × 10-34 Дж.
Электроэнергия: Кинетическая энергия, связанная с движущимся зарядом, равна механической кинетической энергии 1/2 мВ.2; однако движущийся заряд также создает магнитное поле. Это магнитное поле, как и гравитационное или электрическое поле, способно передавать потенциальную энергию всему, что может ее «почувствовать» - например, магниту или другому движущемуся заряду.
Преобразования энергии
Полная энергия закрытой системы сохраняется. То есть общая сумма во всех формах остается постоянной, даже если она передается между объектами в системе или меняет форму или тип.
Ярким примером этого является то, что происходит с кинетической, потенциальной и полной энергией мяча, брошенного в воздух. Предположим, что мяч весом 0,5 кг запускается вверх с уровня земли с начальной скоростью 20 м / с. Мы можем использовать следующие кинематические уравнения для определения высоты и скорости мяча в каждую секунду его движения:
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
Если мы приблизимграммкак 10 м / с2, мы получаем результаты, показанные в следующей таблице:
Теперь давайте посмотрим на это с точки зрения энергетики. Для каждой секунды путешествия мы можем рассчитать потенциальную энергию, используяmghи кинетическая энергия с использованием 1/2 мВ2. Полная энергия - это сумма двух. Добавляя столбцы в нашу таблицу для потенциальной, кинетической и полной энергии, мы получаем:
•••на
Как видите, в начале пути вся энергия шара кинетическая. По мере подъема его скорость уменьшается, а высота увеличивается, а кинетическая энергия превращается в потенциальную. Когда он достигает своей наивысшей точки, вся начальная кинетика превращается в потенциал, а затем процесс меняется на противоположный, когда он снова падает. На протяжении всего пути общая энергия оставалась постоянной.
Если бы наш пример включал трение или другие диссипативные силы, тогда, хотя полная энергия все еще сохранялась бы, полная механическая энергия не сохранялась бы. Общая механическая энергия будет равна разнице между полной энергией и энергией, преобразованной в другие типы, например, тепловую или звуковую энергию.