Постоје два главна облика енергије: кинетичка и потенцијална енергија.Кинетичке енергијеје енергија кретања предмета или честице ипотенцијална енергијаје енергија повезана са положајем предмета или честице.
Понекад се кинетичка и потенцијална енергија повезана са механичким процесима макроскопског објекта заједнички називајумеханичка енергијаи искључују облике енергије повезане са термичким, хемијским и атомским процесима.
Основни је закон физике да се укупна енергија у затвореном систему чува. Ово се називазакон очувања енергије. То јест, док енергија може да мења облик или се преноси са једног предмета на други, укупна количина ће увек остати константна у систему који је савршено изолован од своје околине.
Да би се поједноставили прорачуни у многим уводним физичким проблемима, често се претпоставља да су трење и друго дисипативне силе су занемариве, што резултира тиме да укупна механичка енергија затвореног система буде одвојено конзервирано.
Механичка енергија се може претворити у топлотну и друге врсте енергије када је присутно трење и може бити тешко добити било какву топлотну енергију која би се вратила у механичку енергију (и немогуће је навести да то учини у потпуности.) Због тога се о механичкој енергији често говори као о засебној очуваној величини, али, опет, она се чува само када нема трење.
СИ јединица за енергију је џул (Ј) где је 1 џул = 1 њутн × 1 метар.
Врсте потенцијалне енергије
Потенцијална енергија је енергија услед положаја или распореда предмета или честица. Понекад се описује као ускладиштена енергија, али то није у потпуности тачно јер се кинетичка енергија може сматрати и ускладиштеном енергијом јер је још увек садржана у објекту који се креће. Главне врсте потенцијалне енергије су:
Еластична потенцијална енергија, што је енергија у облику деформације објекта као што је опруга. Када стиснете или истегнете опругу изван њеног равнотежног (одмарајућег) положаја, она ће имати еластичну потенцијалну енергију. Када се ово пролеће ослободи, ова еластична потенцијална енергија ће се трансформисати у кинетичку енергију.
У случају масе окачене на опругу која се затим растеже и ослобађа, маса ће осцилирати горе-доле како еластична потенцијална енергија постаје кинетичка енергија, затим се трансформише назад у потенцијал и тако даље (с тим што се нека механичка енергија мења у немеханичке облике услед трење.)
Једначина за потенцијалну енергију ускладиштену у опрузи дата је:
ПЕ_ {опруга} = \ фрац {1} {2} к \ Делта к ^ 2
Гдекје константа опруге и Δк померање из равнотеже.
Гравитациона потенцијална енергијаје енергија због положаја објекта у гравитационом пољу. Када се објекат у таквом пољу пусти, убрзаће се, а та потенцијална енергија ће се трансформисати у кинетичку.
Гравитациона потенцијална енергија за предмет масемблизу површине Земље је дато са:
ПЕ_ {грав} = мгх
Гдегје гравитациона константа 9,8 м / с2, ихје висина изнад нивоа тла.
Слично гравитационој потенцијалној енергији,електрична потенцијална енергијарезултат је позиционирања предмета са наелектрисањем у електричном пољу. Ако се пусте у ово поље, убрзаваће се дуж пољских линија баш као што пада маса и њихова електрична потенцијална енергија ће се трансформисати у кинетичку.
Формула за електричну потенцијалну енергију је тачкастог наелектрисањакдаљинурод тачкасте наелектрисаностиКдаје:
ПЕ_ {елец, \ тект {} поини \ тект {} набој} = \ фрац {ккК} {р}
Гдекје Куломова константа 8,99 × 109 Нм2/ Ц2.
Вероватно вам је познат терминНапон, који се односи на количину која се називаелектрични потенцијал. Електрична потенцијална енергија наелектрисањакможе се наћи из електричног потенцијала (напона,В.) следећим:
ПЕ_к = кВ
Хемијска потенцијална енергијаје енергија ускладиштена у хемијским везама и распоредима атома. Ова енергија се током хемијских реакција може трансформисати у друге облике. Пример за то је ватра - како ватра гори, потенцијална енергија у хемијским везама запаљеног материјала трансформише се у топлоту и енергију зрачења. Када једете храну, процеси у вашем телу претварају хемијску енергију у енергију која вам је потребна да би остало у животу и обављало све основне задатке живљења.
Нуклеарна потенцијална енергијаје енергија у атомском језгру. Када се нуклеони (протони и неутрони) унутар језгра преуреде комбиновањем, распадањем или мењајући се од једног до другог (било фузијом, цепањем или распадом) нуклеарна потенцијална енергија се трансформише или пуштен.
Чувени Е = мц2 једначина описује количину енергије,Е., ослобођени током таквих процеса у смислу масеми брзина светлостиц. Нуклеуси могу завршити са мањом укупном масом након распадања или фузије, и та разлика у маси директно преводи у количину нуклеарне потенцијалне енергије која се претвара у друге облике, попут зрачења и термичка.
Врсте кинетичке енергије
Кинетичка енергија је енергија кретања. Док објекат са потенцијалном енергијом има потенцијал да се креће, објекат са кинетичком енергијом се креће. Главне врсте кинетичке енергије су:
Механичка кинетичка енергија, која је кинетичка енергија макроскопског предмета масемкрећући се брзиномв. Даје се формулом:
КЕ_ {мецх} = \ фрац {1} {2} мв ^ 2
Савети
За објекат који пада услед гравитације, очување механичке енергије омогућава нам да одредимо његову брзину при паду без употребе стандардних једначина константног убрзања кретања. Једноставно одредите укупну механичку енергију пре него што предмет почне да пада (мгх), а онда на којој год висини била, разлика у потенцијалној енергији мора бити једнака 1 / 2мв2. Једном када спознате кинетичку енергију, можете је решитив.
Топлотна енергија, такође познат и као топлотна енергија, резултат је вибрација молекула у супстанци. Што се молекули брже крећу, то је већа топлотна енергија и топлији је предмет. Што је кретање спорије, предмет је хладнији. У граници где се зауставља свако кретање, температура објекта је апсолутних 0 у јединицама Келвина.
Температура је мера просечне транслационе кинетичке енергије по молекулу. Термичка енергија идеалног монатомског гаса даје се формулом:
Е_ {термички} = \ фрац {3} {2} Нк_БТ
ГдеН.је број атома,Т.је температура у Келвину икБ.је Болцманова константа 1.381 × 10-23 Ј / К.
На површини, ово се може схватити као иста врста ствари која је механичка кинетичка енергија. Резултат је то да се предмети (у овом случају молекули) физички крећу одређеном брзином. Али ово кретање се дешава на микроскопској скали унутар већег објекта, па има смисла третирати га различито - посебно зато што је немогуће објаснити кретање сваког различитог молекула унутар несто!
Такође имајте на уму да нема смисла мешати ово са механичком кинетичком енергијом јер та енергија није таква једноставно трансформисана у потенцијалну енергију на исти начин као и кинетичка енергија лопте која се баца у ваздух је.
Таласна енергијаизвукчине додатни тип кинетичке енергије, а то је енергија повезана са таласним кретањем. Таласом поремећај путује кроз медијум. Свака тачка у том медију осцилираће на месту како талас пролази - било поравнато са правцем кретања (ауздужни талас) или окомито на њега (апопречни талас), какав се види таласом на жици.
Док тачке у медијуму осцилирају на месту, сам поремећај путује са једног места на друго. Ово је облик кинетичке енергије јер је резултат кретања физичког материјала.
Енергија повезана са таласом је обично пропорционална квадрату амплитуде таласа. Тачан однос, међутим, зависи од врсте таласа и медија кроз који путује.
Једна врста таласа је звучни талас, који је уздужни талас. Односно, произилази из компресије (региони у којима је медијум компримован) и ретких појава (региони у којима је медијум мање компримован) у ваздуху или другом материјалу, најчешће.
Енергија зрачењаје повезан са енергијом таласа, али није сасвим исти. Ово је енергија у облику електромагнетног зрачења. Можда вам је најпознатија видљива светлост, али ова енергија долази у врстама које такође не можемо да видимо, попут радио таласа, микроталаса, инфрацрвене, ултраљубичасте, рентгенске и гама зраке. То је енергија коју носе фотони - честице светлости. За фотоне се каже да показују дуалност честица / талас, што значи да делују и као талас и као честица.
Енергија зрачења се од критичних таласа разликује на врло критичан начин: није јој потребан медијум за путовање. Због тога може путовати кроз вакуум свемира. Сва електромагнетна зрачења путују брзином светлости (најбржа брзина у свемиру!) У вакууму.
Имајте на уму да фотон нема масу, па не можемо једноставно да употребимо механичку једначину кинетичке енергије за одређивање придружене кинетичке енергије. Уместо тога, енергија повезана са електромагнетним зрачењем дата је са Е = хф, гдефје фреквенција ихје Планцкова константа 6,626 × 10-34 Јс.
Електрична енергија: Кинетичка енергија повезана са покретним наелектрисањем је иста механичка кинетичка енергија 1 / 2мв2; међутим, покретни набој такође генерише магнетно поље. То магнетно поље, баш као гравитационо или електрично поље, има способност да преноси потенцијалну енергију на све што је може „осетити“ - попут магнета или другог покретног наелектрисања.
Трансформације енергије
Укупна енергија затвореног система је сачувана. Односно, укупан износ у свим облицима остаје константан чак и ако се преноси између објеката у систему или мења облик или тип.
Примарни пример овога је шта се дешава са кинетичком, потенцијалном и укупном енергијом лопте бачене у ваздух. Претпоставимо да се лопта од 0,5 кг лансира нагоре од нивоа тла почетном брзином од 20 м / с. За одређивање висине и брзине лопте у свакој секунди њеног путовања можемо користити следеће кинематичке једначине:
в_ф = в_и + ат = 20 \ тект {м / с} -гт \\ и_ф = и_и + в_ит + \ фрац {1} {2} ат ^ 2 = (20 \ тект {м / с}) т- \ фрац { г} {2} т ^ 2
Ако приближимогкао 10 м / с2, добијамо резултате приказане у следећој табели:
Погледајмо сада то из енергетске перспективе. За сваку секунду путовања можемо израчунати потенцијалну енергију користећимгха кинетичка енергија користи 1/2 мв2. Укупна енергија је збир њих две. Додавањем колона у нашу табелу за потенцијалну, кинетичку и укупну енергију добијамо:
•••на
Као што видите, на почетку путања сва енергија лопте је кинетичка. Како се повећава, његова брзина се смањује, а висина повећава, а кинетичка енергија се трансформише у потенцијалну енергију. Када је на највишој тачки, сва почетна кинетика се претворила у потенцијал, а затим се процес преокреће како пада назад. Током читавог пута укупна енергија је остала константна.
Да је наш пример укључивао трење или друге расипајуће силе, онда, док би укупна енергија и даље била сачувана, укупна механичка енергија не би. Укупна механичка енергија била би једнака разлици између укупне енергије и енергије која се трансформише у друге врсте, попут топлотне или звучне енергије.