Obstajata dve glavni obliki energije: kinetična energija in potencialna energija.Kinetična energijaje energija gibanja predmeta ali delca inpotencialna energijaje energija, povezana s položajem predmeta ali delca.
Včasih kinetično in potencialno energijo, povezano z mehanskimi procesi makroskopskega predmeta, imenujemo skupajmehanska energijain izključujejo oblike energije, povezane s toplotnimi, kemičnimi in atomskimi procesi.
Temeljni zakon fizike je, da se celotna energija v zaprtem sistemu ohrani. To se imenujezakon o ohranjanju energije. To pomeni, da medtem ko lahko energija spremeni obliko ali se prenaša z enega predmeta na drugega, bo skupna količina v sistemu, ki je popolnoma izoliran od okolice, vedno ostala nespremenjena.
Za poenostavitev izračunov pri številnih uvodnih fizikalnih problemih se pogosto domneva, da je trenje in drugo disipativne sile so zanemarljive, kar ima za posledico, da je celotna mehanska energija zaprtega sistema ločena ohranjeno.
Mehansko energijo lahko pretvorimo v toplotno in druge vrste energije, če je prisotno trenje, zato je težko pridobiti toplotno energijo, ki bi se spet spremenila v mehansko. (in nemogoče, da bi to storili v celoti.) Zato se o mehanični energiji pogosto govori kot o ločeni ohranjeni količini, vendar se spet ohranja le, kadar ni trenje.
Enota SI za energijo je džul (J), kjer je 1 džul = 1 newton × 1 meter.
Vrste potencialne energije
Potencialna energija je energija zaradi položaja ali razporeditve predmeta ali delca. Včasih je opisan kot shranjena energija, vendar to ni povsem natančno, saj lahko kinetično energijo razumemo tudi kot shranjeno energijo, ker je še vedno v objektu, ki se giblje. Glavne vrste potencialne energije so:
Elastična potencialna energija, ki je energija v obliki deformacije predmeta, kot je vzmet. Ko stisnete ali raztegnete vzmet izven njenega ravnotežnega (mirujočega) položaja, bo imela elastično potencialno energijo. Ko se sprosti ta vzmet, se ta elastična potencialna energija spremeni v kinetično energijo.
V primeru mase, obešene na vzmet, ki se nato raztegne in sprosti, bo masa nihala gor in dol, ko bo elastična potencialna energija postala kinetična energija, nato se preoblikuje nazaj v potencial in tako naprej (pri čemer se nekatera mehanska energija zaradi trenje.)
Enačba potencialne energije, shranjene v vzmeti, je dana:
PE_ {vzmet} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Kjekje vzmetna konstanta in Δx premik iz ravnotežja.
Gravitacijska potencialna energijaje energija zaradi položaja predmeta v gravitacijskem polju. Ko se objekt v takšnem polju sprosti, se bo pospešil in ta potencialna energija se bo spremenila v kinetično.
Gravitacijska potencialna energija za masni predmetmblizu površine Zemlje je podan z:
PE_ {grav} = mgh
Kjegje gravitacijska konstanta 9,8 m / s2, inhje višina nad tlemi.
Podobno kot gravitacijska potencialna energijaelektrična potencialna energijaje rezultat postavitve predmetov z nabojem v električno polje. Če se sprostijo na tem polju, bodo pospeševali vzdolž poljskih linij, tako kot padajoča masa, njihova električna potencialna energija pa se bo spremenila v kinetično.
Formula za električno potencialno energijo je točkovnega nabojaqrazdaljarod točkovnega nabojaVpodaja:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} naboj} = \ frac {kqQ} {r}
Kjekje Coulombova konstanta 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Izraz ste verjetno seznanjeniNapetost, ki se nanaša na imenovano količinoelektrični potencial. Električna potencialna energija nabojaqiz električnega potenciala (napetost,V) z naslednjim:
PE_q = qV
Kemijska potencialna energijaje energija, shranjena v kemijskih vezah in razporeditvi atomov. Ta energija se lahko med kemičnimi reakcijami spremeni v druge oblike. Primer tega je požar - ko ogenj gori, se potencialna energija v kemičnih vezah gorečega materiala spremeni v toploto in sevalno energijo. Ko jeste hrano, procesi v telesu pretvarjajo kemično energijo v energijo, ki jo vaše telo potrebuje, da ostane živo in opravlja vse osnovne naloge bivanja.
Jedrska potencialna energijaje energija v atomskem jedru. Ko se nukleoni (protoni in nevtroni) znotraj jedra preuredijo tako, da se združijo, razbijejo oz spreminjanje enega v drugega (bodisi s fuzijo, cepitvijo ali razpadom) se transformira jedrska potencialna energija ali izpuščen.
Znameniti E = mc2 enačba opisuje količino energije,E, ki se med takšnimi postopki sprosti glede na masomin hitrost svetlobec. Jedra imajo lahko po razpadu ali fuziji manjšo skupno maso in ta masna razlika neposredno pomeni količino jedrske potencialne energije, ki se pretvori v druge oblike, kot sta sevalna in toplotno.
Vrste kinetične energije
Kinetična energija je energija gibanja. Medtem ko se objekt s potencialno energijo lahko premika, se objekt s kinetično energijo premika. Glavne vrste kinetične energije so:
Mehanska kinetična energija, ki je kinetična energija makroskopskega predmeta masempremikanje s hitrostjov. Podana je s formulo:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Nasveti
Za predmet, ki pada zaradi gravitacije, nam ohranjanje mehanske energije omogoča določanje njegove hitrosti, ko pade, ne da bi uporabili standardne enačbe konstantnega pospeška gibanja. Preprosto določite skupno mehansko energijo, preden objekt začne padati (mgh), nato pa na kateri koli višini mora biti razlika v potencialni energiji enaka 1 / 2mv2. Ko poznate kinetično energijo, se lahko zanjo odločitev.
Termalna energija, znan tudi kot toplotna energija, je rezultat molekul v snovi, ki vibrira. Hitreje kot se molekule gibljejo, večja je toplotna energija in bolj vroč predmet. Počasnejše je gibanje, hladnejši je predmet. V meji, kjer se ustavi gibanje, je temperatura predmeta absolutna 0 v enotah Kelvina.
Temperatura je merilo povprečne translacijske kinetične energije na molekulo. Toplotna energija idealnega monatomskega plina je podana s formulo:
E_ {termični} = \ frac {3} {2} Nk_BT
KjeNje število atomov,Tje temperatura v Kelvinu inkBje Boltzmannova konstanta 1,381 × 10-23 J / K.
Na površju lahko to razumemo kot isto vrsto stvari, kot je mehanska kinetična energija. To je rezultat predmetov (v tem primeru molekul), ki se fizično premikajo z določeno hitrostjo. Toda to gibanje se dogaja v mikroskopskem merilu znotraj večjega predmeta, zato ga je smiselno obravnavati drugače - še posebej zato, ker je nemogoče upoštevati gibanje posamezne molekule znotraj nekaj!
Upoštevajte tudi, da tega ni smiselno zamenjati z mehansko kinetično energijo, saj ta energija ni tako preprosto pretvori v potencialno energijo na enak način kot kinetična energija žoge, ki jo vržemo v zrak je.
Valovna energijainzvoktvorijo dodatno vrsto kinetične energije, to je energije, povezane z gibanjem valov. Z valom motnja potuje skozi medij. Vsaka točka v tem mediju bo ob prehodu vala nihala - bodisi poravnana s smerjo gibanja (avzdolžni val) ali pravokotno nanjo (aprečni val), kakršen je viden z valom na vrvici.
Medtem ko točke v mediju nihajo na svojem mestu, motnja sama potuje z enega kraja na drugega. To je oblika kinetične energije, ker je rezultat gibanja fizičnega materiala.
Energija, povezana z valom, je praviloma sorazmerna kvadratu amplitude vala. Natančno razmerje pa je odvisno od vrste vala in medija, skozi katerega potuje.
Ena vrsta valov je zvočni val, ki je vzdolžni val. To pomeni, da je posledica stiskanja (območja, v katerih je medij stisnjen) in redkosti (območja, v katerih je medij manj stisnjen) v najpogosteje zraku ali drugem materialu.
Sevalna energijaje povezan z valovno energijo, vendar ni povsem enak. To je energija v obliki elektromagnetnega sevanja. Morda vas najbolj pozna vidna svetloba, vendar ta energija prihaja v vrstah, ki jih tudi mi ne moremo videti, na primer radijski valovi, mikrovalovi, infrardeči, ultravijolični, rentgenski in gama žarki. To je energija, ki jo prenašajo fotoni - delci svetlobe. Fotoni naj bi izkazovali dvojnost delcev / valov, kar pomeni, da delujejo tako kot val kot delci.
Sevalna energija se od običajnih valov razlikuje zelo kritično: ne potrebuje medija, skozi katerega lahko potujemo. Zaradi tega lahko potuje skozi vakuum prostora. Vsa elektromagnetna sevanja potujejo s svetlobno hitrostjo (najhitrejša hitrost v vesolju!) V vakuumu.
Upoštevajte, da foton nima mase, zato ne moremo preprosto uporabiti enačbe mehanske kinetične energije za določitev povezane kinetične energije. Namesto tega je energija, povezana z elektromagnetnim sevanjem, dana z E = hf, kjerfje frekvenca inhje Planckova konstanta 6,626 × 10-34 Js.
Električna energija: Kinetična energija, povezana s premikajočim se nabojem, je enaka mehanski kinetični energiji 1 / 2mv2; vendar gibljivi naboj ustvarja tudi magnetno polje. To magnetno polje, tako kot gravitacijsko ali električno polje, lahko daje potencialno energijo na vse, kar jo lahko "začuti" - na primer na magnet ali drug gibljiv naboj.
Preobrazbe energije
Skupna energija zaprtega sistema se ohrani. To pomeni, da skupna količina v vseh oblikah ostane nespremenjena, tudi če se prenaša med predmeti v sistemu ali spremeni obliko ali vrsto.
Vrhunski primer tega je, kaj se zgodi s kinetično, potencialno in skupno energijo žoge, vržene v zrak. Recimo, da se 0,5-kilogramska krogla izstreli navzgor od tal s začetno hitrostjo 20 m / s. Za določitev višine in hitrosti krogle v vsaki sekundi potovanja lahko uporabimo naslednje kinematične enačbe:
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
Če približamogkot 10 m / s2, dobimo rezultate, prikazane v naslednji tabeli:
Zdaj pa si oglejmo to z energetskega vidika. Za vsako sekundo potovanja lahko izračunamo potencialno porabo energijemghin kinetično energijo z uporabo 1 / 2mv2. Skupna energija je vsota obeh. Če v našo tabelo dodamo stolpce za potencialno, kinetično in skupno energijo, dobimo:
•••na
Kot lahko vidite, je na začetku njene poti vsa energija žoge kinetična. Ko narašča, se njegova hitrost zmanjšuje, višina pa poveča, kinetična energija pa se spremeni v potencialno energijo. Ko je na najvišji točki, se je vsa začetna kinetika spremenila v potencial, nato pa se postopek obrne, ko pade nazaj. Med celotno potjo je celotna energija ostala nespremenjena.
Če bi naš primer vključeval trenje ali druge razpršitvene sile, medtem ko bi bila celotna energija še vedno ohranjena, celotna mehanska energija ne bi. Skupna mehanska energija bi bila enaka razliki med celotno energijo in energijo, ki se preoblikuje v druge vrste, na primer toplotno ali zvočno energijo.