Existujú dve hlavné formy energie: kinetická energia a potenciálna energia.Kinetická energiaje energia pohybu objektu alebo častice apotenciálna energiaje energia spojená s polohou objektu alebo častice.
Niekedy sa kinetická a potenciálna energia spojená s mechanickými procesmi makroskopického objektu nazýva kolektívnemechanická energiaa vylúčiť formy energie spojené s tepelnými, chemickými a atómovými procesmi.
Je základným zákonom fyziky, že celková energia v uzavretom systéme je zachovaná. Toto sa označuje akozákon zachovania energie. To znamená, že hoci energia môže meniť formu alebo prenášať z jedného objektu do druhého, celkové množstvo zostane vždy konštantné v systéme, ktorý je dokonale izolovaný od svojho okolia.
Na zjednodušenie výpočtov pri mnohých úvodných problémoch z fyziky sa často predpokladá, že trenie a iné disipatívne sily sú zanedbateľné, čo vedie k tomu, že celková mechanická energia uzavretého systému je oddelená konzervované.
Mechanická energia môže byť prevedená na tepelnú a iné druhy energie, keď je prítomné trenie, a môže byť ťažké dosiahnuť, aby sa nejaká tepelná energia premenila späť na mechanickú energiu (a je nemožné dosiahnuť to úplne.) Preto sa o mechanickej energii často hovorí ako o samostatnej konzervovanej veličine, ale opäť sa šetrí iba vtedy, keď neexistuje trenie.
Jednotkou SI pre energiu je joule (J), kde 1 joule = 1 newton × 1 meter.
Druhy potenciálnej energie
Potenciálna energia je energia spôsobená polohou alebo usporiadaním objektu alebo častice. Niekedy sa to označuje ako akumulovaná energia, ale nie je to úplne presné, pretože kinetickú energiu možno považovať aj za akumulovanú energiu, pretože je stále obsiahnutá v pohybujúcom sa objekte. Hlavné typy potenciálnej energie sú:
Elastická potenciálna energia, čo je energia vo forme deformácie predmetu, napríklad pružiny. Keď stlačíte alebo natiahnete pružinu za jej rovnovážnu (pokojovú) polohu, bude mať elastickú potenciálnu energiu. Keď sa uvoľní táto pružina, táto elastická potenciálna energia sa premení na kinetickú energiu.
V prípade hmoty zavesenej na pružine, ktorá sa potom roztiahne a uvoľní, bude hmota kmitať hore a dole, keď sa stane elastická potenciálna energia kinetická energia, sa potom transformuje späť na potenciál a tak ďalej (pričom sa časť mechanickej energie mení na nemechanické formy v dôsledku trenie.)
Rovnica pre potenciálnu energiu uloženú v pružine je daná vzťahom:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Kdekje pružinová konštanta a Δx je posunutie od rovnováhy.
Gravitačná potenciálna energiaje energia spôsobená polohou objektu v gravitačnom poli. Keď sa objekt v takomto poli uvoľní, zrýchli sa a táto potenciálna energia sa premení na kinetickú energiu.
Gravitačná potenciálna energia pre objekt hmotnostimblízko povrchu Zeme je dané:
PE_ {grav} = mgh
Kdegje gravitačná konštanta 9,8 m / s2ahje výška nad úrovňou terénu.
Podobne ako gravitačná potenciálna energia,elektrická potenciálna energiaje výsledkom umiestnenia predmetov s nábojom v elektrickom poli. Ak sa v tomto poli uvoľnia, budú akcelerovať pozdĺž siločiar rovnako ako padajúca hmota a ich elektrická potenciálna energia sa premení na kinetickú energiu.
Vzorec pre elektrickú potenciálnu energiu má bodový nábojqvzdialenosťrz bodového nábojaQje daný:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} poplatok} = \ frac {kqQ} {r}
Kdekje Coulombova konštanta 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Tento pojem pravdepodobne poznáteNapätie, ktorý označuje volané množstvoelektrický potenciál. Elektrická potenciálna energia nábojaqmožno zistiť z elektrického potenciálu (napätie,V.) týmto:
PE_q = qV
Chemická potenciálna energiaje energia uložená v chemických väzbách a usporiadaniach atómov. Táto energia môže byť počas chemických reakcií transformovaná do iných foriem. Príkladom toho je oheň - keď oheň horí, potenciálna energia v chemických väzbách horiaceho materiálu sa transformuje na teplo a žiarivú energiu. Keď jete jedlo, procesy vo vašom tele premieňajú chemickú energiu na energiu, ktorú vaše telo potrebuje na to, aby zostalo nažive a vykonávalo všetky základné životné úlohy.
Jadrová potenciálna energiaje energia v atómovom jadre. Keď sa nukleóny (protóny a neutróny) vo vnútri jadra znovu usporiadajú kombináciou, rozpadom alebo prechodom z jedného do druhého (buď syntézou, štiepením alebo rozpadom) sa transformuje jadrová potenciálna energia alebo prepustený.
Slávne E = mc2 rovnica popisuje množstvo energie,E, uvoľnené počas týchto procesov z hľadiska hmotnostima rýchlosť svetlac. Jadrá môžu po rozpade alebo fúzii skončiť s nižšou celkovou hmotnosťou a tento hmotnostný rozdiel sa priamo prejaví sa premieta do množstva jadrovej potenciálnej energie, ktorá sa prevedie na iné formy, napríklad na žiarivé a termálny.
Druhy kinetickej energie
Kinetická energia je energia pohybu. Zatiaľ čo objekt s potenciálnou energiou má potenciál pohybu, objekt s kinetickou energiou prechádza pohybom. Hlavné typy kinetickej energie sú:
Mechanická kinetická energia, čo je kinetická energia makroskopického objektu hmotnostimpohybujúci sa rýchlosťouv. Je to dané vzorcom:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Tipy
Pre objekt padajúci v dôsledku gravitácie nám konzervácia mechanickej energie umožňuje určiť jeho rýchlosť pri poklese bez použitia štandardných pohybových rovníc konštantného zrýchlenia. Jednoducho určte celkovú mechanickú energiu predtým, ako objekt začne padať (mgh), a potom v akejkoľvek výške musí byť rozdiel v potenciálnej energii rovný 1 / 2mv2. Keď poznáte kinetickú energiu, môžete vyriešiťv.
Termálna energia, známa tiež ako tepelná energia, je výsledkom vibrácií molekúl v látke. Čím rýchlejšie sa molekuly pohybujú, tým väčšia je tepelná energia a objekt je teplejší. Čím je pohyb pomalší, tým je objekt chladnejší. V limite, kde sa zastaví všetok pohyb, je teplota objektu absolútna 0 v jednotkách Kelvina.
Teplota je mierou priemernej translačnej kinetickej energie na molekulu. Tepelná energia ideálneho monatomického plynu je daná vzorcom:
E_ {thermal} = \ frac {3} {2} Nk_BT
KdeNje počet atómov,Tje teplota v Kelvinoch akBje Boltzmannova konštanta 1,381 × 10-23 J / K.
Na povrchu to možno chápať ako rovnaký druh vecí, ktorým je mechanická kinetická energia. Je to výsledok objektov (v tomto prípade molekúl), ktoré sa fyzicky pohybujú určitou rýchlosťou. Tento pohyb sa ale deje v mikroskopickom meradle vo väčšom objekte, takže má zmysel ho liečiť inak - najmä preto, že nie je možné zohľadniť pohyb každej samostatnej molekuly vo vnútri bunky niečo!
Všimnite si tiež, že nemá zmysel zamieňať si to s mechanickou kinetickou energiou, pretože to tak nie je jednoducho transformovaná na potenciálnu energiu rovnakým spôsobom ako kinetická energia lopty vyhodenej do vzduchu je.
Vlnová energiaazvuktvoria ďalší typ kinetickej energie, čo je energia spojená s vlnovým pohybom. S vlnou porucha prechádza médiom. Akýkoľvek bod v tomto médiu bude kmitať na mieste, keď vlna prechádza - buď vyrovnaný so smerom pohybu (apozdĺžna vlna) alebo kolmo na ňu (apriečna vlna), aké je vidieť s vlnou na šnúrke.
Zatiaľ čo body v médiu kmitajú na mieste, samotná porucha prechádza z jedného miesta na druhé. Toto je forma kinetickej energie, pretože je výsledkom pohybu fyzického materiálu.
Energia spojená s vlnou je zvyčajne priamo úmerná druhej mocnine amplitúdy vlny. Presný vzťah však závisí od typu vlny a média, ktorým cestuje.
Jedným typom vlny je zvuková vlna, ktorá je pozdĺžnou vlnou. To znamená, že je výsledkom kompresie (oblasti, v ktorých je médium stlačené) a zriedkavých zmien (oblasti, v ktorých je médium menej stlačené) vo vzduchu alebo inom materiáli.
Sálavá energiasúvisí s vlnovou energiou, ale nie je to úplne to isté. To je energia vo forme elektromagnetického žiarenia. Možno najviac poznáte viditeľné svetlo, ale táto energia sa dodáva v typoch, ktoré nevidíme rovnako dobre, ako sú rádiové vlny, mikrovlnné rúry, infračervené lúče, ultrafialové lúče, röntgenové lúče a gama lúče. Je to energia prenášaná fotónmi - časticami svetla. Hovorí sa, že fotóny vykazujú dualitu častice / vlna, čo znamená, že pôsobia ako vlna aj ako častica.
Sálavá energia sa od bežných vĺn líši veľmi kritickým spôsobom: nevyžaduje cestovanie cez médium. Z tohto dôvodu môže cestovať vákuom vesmíru. Všetko elektromagnetické žiarenie sa pohybuje rýchlosťou svetla (najrýchlejšia rýchlosť vo vesmíre!) Vo vákuu.
Upozorňujeme, že fotón nemá hmotnosť, takže na určenie súvisiacej kinetickej energie nemôžeme jednoducho použiť rovnicu mechanickej kinetickej energie. Namiesto toho je energia spojená s elektromagnetickým žiarením daná vzťahom E = hf, kdefje frekvencia ahje Planckova konštanta 6 626 × 10-34 Js.
Elektrická energia: Kinetická energia spojená s pohybujúcim sa nábojom je rovnaká mechanická kinetická energia 1 / 2mv2; pohyblivý náboj však tiež generuje magnetické pole. Toto magnetické pole, rovnako ako gravitačné alebo elektrické pole, má schopnosť prenášať potenciálnu energiu na všetko, čo ju „cíti“ - napríklad na magnet alebo iný pohybujúci sa náboj.
Transformácie energie
Celková energia uzavretého systému je zachovaná. To znamená, že celková suma vo všetkých formách zostáva konštantná, aj keď sa prenáša medzi objektmi v systéme alebo mení formu alebo typ.
Prvým príkladom toho je to, čo sa stane s kinetickou, potenciálnou a celkovou energiou lopty vyhodenej do vzduchu. Predpokladajme, že 0,5 kg lopta vystrelí smerom hore od úrovne zeme počiatočnou rýchlosťou 20 m / s. Na určenie výšky a rýchlosti lopty v každej sekunde jej pohybu môžeme použiť nasledujúce kinematické rovnice:
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
Ak sa priblížimegako 10 m / s2, dostaneme výsledky uvedené v nasledujúcej tabuľke:
Teraz sa na to pozrime z energetickej perspektívy. Pre každú sekundu cesty môžeme vypočítať potenciálnu energiu pomocoumgha kinetická energia s použitím 1 / 2mv2. Celková energia je súčtom týchto dvoch. Pridaním stĺpcov do našej tabuľky s potenciálnou, kinetickou a celkovou energiou dostaneme:
•••na
Ako vidíte, na začiatku svojej dráhy je všetka energia lopty kinetická. Keď stúpa, jeho rýchlosť klesá a zvyšuje sa výška a kinetická energia sa premieňa na potenciálnu energiu. Keď je v najvyššom bode, všetka počiatočná kinetika sa zmenila na potenciál a potom sa proces obráti, keď padá späť dole. Počas celej cesty zostávala celková energia konštantná.
Ak by náš príklad zahŕňal trenie alebo iné disipatívne sily, potom, zatiaľ čo by sa celková energia stále chránila, by celková mechanická energia nie. Celková mechanická energia by sa rovnala rozdielu medzi celkovou energiou a energiou, ktorá sa transformovala na iné typy, napríklad na tepelnú alebo zvukovú energiu.