Två huvudformer av energi finns: kinetisk energi och potentiell energi.Rörelseenergiär energin för ett objekt eller en partikel, ochpotentiell energiär energin associerad med positionen för ett objekt eller en partikel.
Ibland kallas den kinetiska och potentiella energin förknippad med mekaniska processer för ett makroskopiskt objekt kollektivtmekanisk energioch utesluter energiformer associerade med termiska, kemiska och atomprocesser.
Det är en grundläggande fysiklag att den totala energin i ett slutet system bevaras. Detta kallaslagen om bevarande av energi. Det vill säga, medan energi kan ändra form eller överföra från ett objekt till ett annat, kommer den totala mängden alltid att förbli konstant i ett system som är perfekt isolerat från omgivningen.
För att förenkla beräkningar i många inledande fysikproblem antas det ofta att friktion och annat dissipativa krafter är försumbara, vilket resulterar i att den totala mekaniska energin i ett slutet system är separat konserverad.
Mekanisk energi kan omvandlas till termisk energi och andra typer av energi när friktion är närvarande, och det kan vara svårt att få någon termisk energi att förvandlas till mekanisk energi (och omöjligt att få det att göra det helt.) Det är därför mekanisk energi ofta talas om som en separat konserverad kvantitet, men återigen är den bara konserverad när det inte finns någon friktion.
SI-enheten för energi är joule (J) där 1 joule = 1 newton × 1 meter.
Typer av potentiell energi
Potentiell energi är energi på grund av ett objekt eller en partikels position eller arrangemang. Det beskrivs ibland som lagrad energi, men detta är inte helt korrekt eftersom kinetisk energi också kan betraktas som lagrad energi eftersom den fortfarande finns i objektet som rör sig. De viktigaste typerna av potentiell energi är:
Elastisk potentialenergi, vilket är energi i form av deformation av ett objekt såsom en fjäder. När du komprimerar eller sträcker en fjäder bortom dess jämvikt (viloposition) kommer den att ha elastisk potentialenergi. När denna vår släpps kommer denna elastiska potentiella energi att förvandlas till kinetisk energi.
När det gäller en massa upphängd från en fjäder som sedan sträcks ut och släpps, kommer massan att svänga upp och ner när elastisk potentiell energi blir kinetisk energi, transformeras sedan tillbaka till potential och så vidare (med en del av den mekaniska energin som ändras till icke-mekaniska former på grund av friktion.)
Ekvationen för den potentiella energin som lagras i en fjäder ges av:
PE_ {spring} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Varkär fjäderkonstanten och Δx är förskjutningen från jämvikt.
Potentiell gravitationsenergiär energin på grund av ett föremåls position i ett gravitationsfält. När ett objekt i ett sådant fält släpps kommer det att accelerera och den potentiella energin kommer att omvandlas till kinetisk energi.
Gravitationens potentiella energi för ett massföremålmnära jordens yta ges av:
PE_ {grav} = mgh
Vargär gravitationskonstanten 9,8 m / s2ochhär höjden över marknivån.
Liknar gravitationspotentialenergi,elektrisk potentiell energiär resultatet av att föremål med laddning placeras i ett elektriskt fält. Om de släpps i detta fält kommer de att accelerera längs fältlinjerna precis som en fallande massa gör, och deras elektriska potentiella energi kommer att förvandlas till kinetisk energi.
Formeln för elektrisk potentiell energi är av en punktladdningqen distansrfrån punktavgiftFges av:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} charge} = \ frac {kqQ} {r}
Varkär Coulombs konstanta 8,99 × 109 Nm2/ C2.
Du är troligen bekant med termenSpänning, som refererar till en kvantitet som kallaselektrisk potential. Den elektriska potentialen för en laddningqkan hittas från den elektriska potentialen (spänning,V) av följande:
PE_q = qV
Kemisk potentiell energiär energi lagrad i kemiska bindningar och arrangemang av atomer. Denna energi kan omvandlas till andra former under kemiska reaktioner. En eld är ett exempel på detta - när elden brinner omvandlas potentiell energi i de kemiska bindningarna i det brinnande materialet till värme och strålningsenergi. När du äter mat omvandlar processer i kroppen kemisk energi till den energi som din kropp behöver för att hålla sig vid liv och utföra alla grundläggande livsuppgifter.
Kärnpotentialenergiär energi i en atomkärna. När nukleonerna (protoner och neutroner) inuti en kärna ordnas om genom att kombinera, bryta sönder eller förändras från det ena till det andra (antingen genom fusion, klyvning eller förfall) omvandlas kärnpotentialenergi eller släppte.
Den berömda E = mc2 ekvation beskriver mängden energi,E, släpptes under sådana processer i termer av massanmoch ljusets hastighetc. Kärnor kan sluta med lägre total massa efter förfall eller fusion, och denna massskillnad direkt översätts till mängden kärnpotentialenergi som omvandlas till andra former, såsom strålning och termisk.
Typer av kinetisk energi
Kinetisk energi är rörelsens energi. Medan ett objekt med potentiell energi har potential att röra sig, genomgår ett objekt med kinetisk energi rörelse. Huvudtyperna av kinetisk energi är:
Mekanisk kinetisk energi, som är den kinetiska energin hos ett makroskopiskt massföremålmrör sig med hastighetv. Det ges av formeln:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Tips
För ett objekt som faller på grund av tyngdkraften låter bevarande av mekanisk energi oss bestämma dess hastighet när den faller utan att använda de vanliga konstanta accelerationsekvationerna. Bestäm helt enkelt den totala mekaniska energin innan objektet börjar falla (mgh), och i vilken höjd den än är, måste skillnaden i potentiell energi vara lika med 1 / 2mv2. När du väl känner till kinetisk energi kan du lösa förv.
Värmeenergi, även känd som värmeenergi, är resultatet av att molekylerna i ett ämne vibrerar. Ju snabbare molekylerna rör sig, desto större blir den termiska energin och desto varmare blir objektet. Ju långsammare rörelse desto kallare är objektet. I gränsen där all rörelse stannar är temperaturen på objektet absolut 0 i enheter av Kelvin.
Temperatur är ett mått på den genomsnittliga translationella kinetiska energin per molekyl. Värmeenergin för en ideal monatomisk gas ges med formeln:
E_ {termisk} = \ frac {3} {2} Nk_BT
VarNär antalet atomer,Tär temperaturen i Kelvin, ochkBär Boltzmanns konstanta 1.381 × 10-23 J / K.
På ytan kan detta förstås som samma typ av sak som mekanisk kinetisk energi är. Det är resultatet av att objekt (i detta fall molekyler) rör sig fysiskt med en viss hastighet. Men den här rörelsen sker i mikroskopisk skala inom ett större objekt, så det är vettigt att behandla den annorlunda - särskilt för att det är omöjligt att redogöra för rörelsen för varje distinkt molekyl inuti något!
Observera också att det inte är vettigt att förväxla detta med mekanisk kinetisk energi eftersom denna energi inte är så förvandlas helt enkelt till potentiell energi på samma sätt som den kinetiska energin hos en boll som kastas i luften är.
Vågsenergiochljudbildar en ytterligare typ av kinetisk energi, vilket är energin associerad med vågrörelse. Med en våg färdas en störning genom ett medium. Varje punkt i det mediet svänger på plats när vågen passerar igenom - antingen i linje med rörelseriktningen (alängsgående våg) eller vinkelrätt mot den (atvärgående våg), som ses med en våg på en sträng.
Medan punkterna i mediet svänger på plats, rör sig själva störningen från en plats till en annan. Detta är en form av kinetisk energi eftersom det är resultatet av att ett fysiskt material rör sig.
Energin associerad med en våg är typiskt direkt proportionell mot kvadraten för vågens amplitud. Det exakta förhållandet beror dock på vågtypen och mediet genom vilket den färdas.
En typ av våg är en ljudvåg, som är en längsgående våg. Det vill säga, det härrör från kompressioner (regioner där mediet komprimeras) och sällsynta (regioner där mediet är mindre komprimerat) i, oftast, luft eller annat material.
Strålningsenergiär relaterad till vågsenergi, men det är inte helt detsamma. Detta är energi i form av elektromagnetisk strålning. Du kanske är mest bekant med synligt ljus, men den här energin finns i typer som vi inte kan se lika bra, som radiovågor, mikrovågor, infraröd, ultraviolett, röntgenstrålning och gammastrålning. Det är energi som bärs av fotoner - ljuspartiklar. Fotoner sägs uppvisa partikel / vågdualitet, vilket betyder att de fungerar både som en våg och en partikel.
Strålningsenergi skiljer sig från vanliga vågor på ett mycket kritiskt sätt: det behöver inte ett medium för att färdas. På grund av detta kan den färdas genom rymdets vakuum. All elektromagnetisk strålning färdas med ljusets hastighet (universums snabbaste hastighet!) I vakuum.
Observera att foton inte har massa, så vi kan inte bara använda den mekaniska kinetiska energiekvationen för att bestämma den associerade kinetiska energin. Istället ges den energi som är associerad med elektromagnetisk strålning av E = hf, därfär frekvens ochhär Plancks konstanta 6,626 × 10-34 Js.
Elektrisk energi: Den kinetiska energin associerad med en rörlig laddning är samma mekaniska kinetiska energi 1 / 2mv2; emellertid genererar en rörlig laddning också ett magnetfält. Det magnetiska fältet, precis som ett gravitations- eller elektriskt fält, har förmågan att ge potentiell energi till allt som kan "känna" det - såsom en magnet eller annan rörlig laddning.
Energitransformationer
Den totala energin i ett slutet system sparas. Det vill säga den totala mängden, i alla former, förblir konstant även om den överförs mellan objekt i systemet eller ändrar form eller typ.
Ett utmärkt exempel på detta är vad som händer med den kinetiska, potentiella och totala energin hos en boll som kastas i luften. Anta att en 0,5 kg boll skjuts upp från marknivå med en initial hastighet på 20 m / s. Vi kan använda följande kinematiska ekvationer för att bestämma kulans höjd och hastighet vid varje sekund av dess färd:
v_f = v_i + at = 20 \ text {m / s} -gt \\ y_f = y_i + v_it + \ frac {1} {2} vid ^ 2 = (20 \ text {m / s}) t- \ frac { g} {2} t ^ 2
Om vi ungefärgsom 10 m / s2får vi resultaten som visas i följande tabell:
Låt oss nu titta på det ur ett energiperspektiv. För varje sekund av resan kan vi beräkna den potentiella energianvändningenmghoch den kinetiska energin med 1 / 2mv2. Den totala energin är summan av de två. Att lägga till kolumner i vårt bord för potentiell, kinetisk och total energi får vi:
•••na
Som du kan se, i början av sin väg är all bollens energi kinetisk. När den stiger minskar hastigheten och höjden ökar och kinetisk energi förvandlas till potentiell energi. När den är på sin högsta punkt har hela den ursprungliga kinetiken förvandlats till potential, och sedan vänder processen sig när den faller ner igen. Under hela vägen förblev den totala energin konstant.
Om vårt exempel hade inkluderat friktion eller andra avledande krafter, skulle den totala mekaniska energin fortfarande inte sparas medan den totala energin fortfarande skulle sparas. Den totala mekaniska energin skulle vara lika med skillnaden mellan den totala energin och den energi som omvandlades till andra typer, såsom värme- eller ljudenergi.