İki ana enerji formu vardır: kinetik enerji ve potansiyel enerji.Kinetik enerjibir nesnenin veya parçacığın hareket enerjisidir vepotansiyel enerjibir nesnenin veya parçacığın konumuyla ilişkili enerjidir.
Bazen makroskopik bir nesnenin mekanik süreçleriyle ilişkili kinetik ve potansiyel enerji topluca olarak adlandırılır.mekanik enerjive termal, kimyasal ve atomik süreçlerle ilişkili enerji biçimlerini hariç tutar.
Kapalı bir sistemdeki toplam enerjinin korunduğu temel bir fizik yasasıdır. Bu olarak adlandırılırenerjinin korunumu yasası. Yani, enerji form değiştirebilir veya bir nesneden diğerine aktarılabilirken, çevresinden mükemmel bir şekilde izole edilmiş bir sistemde toplam miktar her zaman sabit kalacaktır.
Birçok giriş fiziği probleminde hesaplamaları basitleştirmek için, genellikle sürtünme ve diğer tüketen kuvvetler ihmal edilebilir, bu da kapalı bir sistemin toplam mekanik enerjisinin ayrı ayrı olmasına neden olur. korunmuş.
Sürtünme olduğunda mekanik enerji termal ve diğer enerji türlerine dönüştürülebilir ve herhangi bir termal enerjinin mekanik enerjiye dönüşmesi zor olabilir. (ve bunu tamamen yapmasını sağlamak imkansızdır.) Bu nedenle mekanik enerjiden genellikle ayrı bir korunan nicelik olarak söz edilir, ancak yine, yalnızca hiçbir şey olmadığında korunur. sürtünme.
Enerji için SI birimi, 1 joule = 1 newton × 1 metre olmak üzere joule'dür (J).
Potansiyel Enerji Türleri
Potansiyel enerji, bir nesnenin veya parçacığın konumu veya düzenlemesinden kaynaklanan enerjidir. Bazen depolanmış enerji olarak tanımlanır, ancak bu tamamen doğru değildir, çünkü kinetik enerji de depolanmış enerji olarak düşünülebilir çünkü hala hareket eden nesnenin içinde bulunur. Potansiyel enerjinin ana türleri şunlardır:
Elastik potansiyel enerjiyay gibi bir nesnenin deformasyonu biçimindeki enerjidir. Bir yayı denge (durma) konumunun ötesinde sıkıştırdığınızda veya gerdiğinizde, esneklik potansiyel enerjisine sahip olacaktır. Bu yay serbest bırakıldığında, bu elastik potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşecektir.
Bir yayda asılı duran ve daha sonra gerilen ve serbest bırakılan bir kütle durumunda, elastik potansiyel enerjisi arttıkça kütle yukarı ve aşağı salınım yapacaktır. kinetik enerji, daha sonra tekrar potansiyele dönüştürülür ve bu böyle devam eder (mekanik enerjinin bir kısmı, sürtünme.)
Bir yayda depolanan potansiyel enerjinin denklemi şu şekilde verilir:
PE_{bahar}=\frac{1}{2}k\Delta x^2
Neredekyay sabiti ve Δx dengeden yer değiştirmedir.
yerçekimi potansiyel enerjisibir cismin yerçekimi alanındaki konumundan kaynaklanan enerjidir. Böyle bir alanda bir nesne serbest bırakıldığında hızlanacak ve bu potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşecektir.
Kütleli bir cismin yerçekimi potansiyel enerjisimDünya yüzeyine yakın tarafından verilir:
PE_{grav}=mg
Neredegyerçekimi sabiti 9.8 m/s2, vehyerden yüksekliğidir.
Yerçekimi potansiyel enerjisine benzer şekilde,elektrik potansiyel enerjisielektrik alanında yüklü olan nesnelerin sonucudur. Bu alanda serbest bırakılırlarsa, düşen bir kütlenin yaptığı gibi alan çizgileri boyunca hızlanacaklar ve elektrik potansiyel enerjileri kinetik enerjiye dönüşecektir.
Elektrik potansiyel enerjisi formülü bir nokta yüküne sahiptir.quzaklıkrnokta yükündenStarafından verilir:
PE_{elec,\text{ }itici\metin{ }şarj}=\frac{kqQ}{r}
NeredekCoulomb sabiti 8.99 × 109 Nm2/C2.
Muhtemelen terime aşinasınızdırVoltajadı verilen bir miktarı ifade edenelektrik potansiyeli. Bir yükün elektrik potansiyel enerjisiqelektrik potansiyelinden (voltaj,V) aşağıdakiler tarafından:
PE_q=qV
kimyasal potansiyel enerjiatomların kimyasal bağlarında ve dizilişlerinde depolanan enerjidir. Bu enerji, kimyasal reaksiyonlar sırasında başka formlara dönüştürülebilir. Bir yangın buna bir örnektir - ateş yandıkça, yanan malzemenin kimyasal bağlarındaki potansiyel enerji, ısı ve ışıma enerjisine dönüşür. Yemek yediğinizde vücudunuzdaki süreçler kimyasal enerjiyi vücudunuzun hayatta kalmak ve yaşamın tüm temel görevlerini yerine getirmek için ihtiyaç duyduğu enerjiye dönüştürür.
Nükleer potansiyel enerjiatom çekirdeğindeki enerjidir. Bir çekirdeğin içindeki nükleonlar (protonlar ve nötronlar) birleşerek, parçalanarak veya Birinden diğerine (füzyon, fisyon veya bozunma yoluyla) değişen nükleer potansiyel enerji dönüştürülür veya yayınlandı.
Ünlü E = mc2 denklem enerji miktarını tanımlar,E, kütle açısından bu tür işlemler sırasında salınanmve ışık hızıc. Çekirdekler, bozunma veya füzyondan sonra daha düşük toplam kütleye sahip olabilir ve bu kütle farkı doğrudan radyan gibi diğer biçimlere dönüştürülen nükleer potansiyel enerji miktarına çevirir ve termal.
Kinetik Enerji Türleri
Kinetik enerji hareket enerjisidir. Potansiyel enerjili bir cisim hareket etme potansiyeline sahipken, kinetik enerjili bir cisim hareket halindedir. Başlıca kinetik enerji türleri şunlardır:
mekanik kinetik enerji, makroskopik bir kütle nesnesinin kinetik enerjisimhızla hareket etmekv. Şu formülle verilir:
KE_{mekanik}=\frac{1}{2}mv^2
İpuçları
Yerçekimi nedeniyle düşen bir nesne için, mekanik enerjinin korunumu, standart sabit ivme hareket denklemlerini kullanmadan düşerken hızını belirlememizi sağlar. Nesne düşmeye başlamadan önce toplam mekanik enerjiyi belirlemeniz yeterlidir (mgh) ve sonra hangi yükseklikte olursa olsun, potansiyel enerjideki fark 1/2mv'ye eşit olmalıdır.2. Kinetik enerjiyi öğrendikten sonra,v.
Termal enerjiIsı enerjisi olarak da bilinen, bir maddenin içindeki moleküllerin titreşmesinin sonucudur. Moleküller ne kadar hızlı hareket ederse, termal enerji o kadar büyük ve nesne o kadar sıcak olur. Hareket ne kadar yavaşsa, nesne o kadar soğuk olur. Tüm hareketin durduğu limitte, cismin sıcaklığı Kelvin biriminde mutlak 0'dır.
Sıcaklık, molekül başına ortalama öteleme kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. İdeal bir monatomik gazın termal enerjisi aşağıdaki formülle verilir:
E_{termal}=\frac{3}{2}Nk_BT
NeredeNatom sayısıdır,TKelvin cinsinden sıcaklık vekBBoltzmann sabiti 1.381 × 10-23 J/K.
Yüzeyde bu, mekanik kinetik enerjiyle aynı türden bir şey olarak anlaşılabilir. Fiziksel olarak belirli bir hızda hareket eden nesnelerin (bu durumda moleküllerin) sonucudur. Ama bu hareketin tamamı mikroskobik ölçekte daha büyük bir nesnede oluyor, bu yüzden onu tedavi etmek mantıklı. farklı şekilde - özellikle de içindeki her bir ayrı molekülün hareketini hesaba katmak imkansız olduğu için bir şey!
Ayrıca mekanik kinetik enerji ile karıştırmanın mantıklı olmadığına dikkat edin, çünkü bu enerji öyle değildir. Havaya atılan bir topun kinetik enerjisiyle aynı şekilde potansiyel enerjiye dönüştürülür. dır-dir.
Dalga enerjisivesesdalga hareketiyle ilişkili enerji olan ek bir kinetik enerji türü oluşturur. Bir dalga ile, bir rahatsızlık bir ortamdan geçer. Bu ortamdaki herhangi bir nokta, dalga geçerken yerinde salınır - ya hareket yönü ile hizalı (aboyuna dalga) veya ona dik (aenine dalga), örneğin bir dize üzerinde bir dalga ile görüldüğü gibi.
Ortamdaki noktalar yerinde salınırken, bozukluğun kendisi bir yerden başka bir yere gider. Bu bir kinetik enerji şeklidir çünkü fiziksel bir malzemenin hareket etmesinin sonucudur.
Bir dalgayla ilişkili enerji, tipik olarak dalganın genliğinin karesiyle doğru orantılıdır. Bununla birlikte, kesin ilişki, dalganın tipine ve içinden geçtiği ortama bağlıdır.
Bir dalga türü, boyuna dalga olan ses dalgasıdır. Yani, en yaygın olarak hava veya başka bir malzemedeki sıkıştırmalardan (ortamın sıkıştırıldığı bölgeler) ve seyrekleşmelerden (ortamın daha az sıkıştırıldığı bölgeler) kaynaklanır.
radyan enerjidalga enerjisi ile ilgilidir, ancak tamamen aynı değildir. Bu, elektromanyetik radyasyon biçimindeki enerjidir. Görünür ışığa en çok aşina olabilirsiniz, ancak bu enerji radyo dalgaları, mikrodalgalar, kızılötesi, ultraviyole, X-ışınları ve gama ışınları gibi bizim de göremediğimiz türlerde gelir. Fotonlar - ışık parçacıkları tarafından taşınan enerjidir. Fotonların parçacık/dalga ikiliği sergilediği söylenir, yani hem dalga hem de parçacık gibi davranırlar.
Radyan enerji, normal dalgalardan çok kritik bir şekilde farklıdır: Seyahat etmek için bir ortama ihtiyaç duymaz. Bu nedenle, uzay boşluğunda seyahat edebilir. Tüm elektromanyetik radyasyon, bir boşlukta ışık hızında (evrendeki en yüksek hız!) hareket eder.
Fotonun kütlesi olmadığına dikkat edin, bu nedenle ilgili kinetik enerjiyi belirlemek için mekanik kinetik enerji denklemini kullanamayız. Bunun yerine, elektromanyetik radyasyonla ilişkili enerji E = hf ile verilir, buradaffrekans vehPlanck sabiti 6.626 × 10-34 Js.
Elektrik enerjisi: Hareketli bir yükle ilişkili kinetik enerji aynı mekanik kinetik enerjidir 1/2mv2; bununla birlikte, hareketli bir yük aynı zamanda bir manyetik alan da oluşturur. Bu manyetik alan, tıpkı bir yerçekimi veya elektrik alanı gibi, bir mıknatıs veya başka bir hareketli yük gibi kendisini “hissedebilen” herhangi bir şeye potansiyel enerji verme yeteneğine sahiptir.
Enerji Dönüşümleri
Kapalı bir sistemin toplam enerjisi korunur. Yani toplam miktar, sistemdeki nesneler arasında aktarılsa veya form veya tür değişse bile tüm formlarda sabit kalır.
Bunun en iyi örneği, havaya atılan bir topun kinetik, potansiyel ve toplam enerjisine ne olduğudur. 0,5 kg'lık bir topun 20 m/s'lik bir başlangıç hızıyla yerden yukarı fırlatıldığını varsayalım. Topun hareketinin her saniyesindeki yüksekliğini ve hızını belirlemek için aşağıdaki kinematik denklemleri kullanabiliriz:
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
yaklaşık olarak yaparsakg10 m/s olarak2, aşağıdaki tabloda gösterilen sonuçları alıyoruz:
Şimdi olaya enerji açısından bakalım. Seyahatin her saniyesi için potansiyel enerjiyi kullanarak hesaplayabiliriz.mghve 1/2mv kullanarak kinetik enerji2. Toplam enerji ikisinin toplamıdır. Potansiyel, kinetik ve toplam enerji için tablomuza sütunlar ekleyerek şunu elde ederiz:
•••hayır
Gördüğünüz gibi, yolunun başlangıcında topun tüm enerjisi kinetiktir. Yükseldikçe hızı azalır ve yüksekliği artar ve kinetik enerji potansiyel enerjiye dönüşür. En yüksek noktasındayken, başlangıçtaki tüm kinetik potansiyele dönüşür ve daha sonra geri düştüğünde süreç kendini tersine çevirir. Tüm yol boyunca toplam enerji sabit kaldı.
Örneğimiz sürtünme veya diğer enerji tüketen kuvvetleri içerseydi, toplam enerji hala korunurken, toplam mekanik enerji olmazdı. Toplam mekanik enerji, toplam enerji ile termal veya ses enerjisi gibi diğer türlere dönüşen enerji arasındaki farka eşit olacaktır.