Існують дві основні форми енергії: кінетична енергія та потенційна енергія.Кінетична енергія- енергія руху предмета або частинки, іпотенційна енергія- це енергія, пов’язана з положенням об’єкта або частинки.
Іноді кінетичну та потенційну енергію, пов'язану з механічними процесами макроскопічного об'єкта, називають спільномеханічна енергіяі виключають форми енергії, пов'язані з тепловими, хімічними та атомними процесами.
Основним законом фізики є те, що загальна енергія в закритій системі зберігається. Це називаєтьсязакон збереження енергії. Тобто, хоча енергія може змінювати форму або переходити від одного об’єкта до іншого, загальна кількість завжди залишатиметься постійною в системі, яка ідеально ізольована від оточення.
Для спрощення обчислень у багатьох вступних фізичних завданнях часто припускають, що тертя та ін дисипативні сили незначні, що призводить до того, що повна механічна енергія замкнутої системи знаходиться окремо збережений.
Механічна енергія може перетворюватися в теплову та інші види енергії, коли існує тертя, і може бути важко отримати будь-яку теплову енергію, яка перетвориться назад в механічну енергію (і неможливо змусити це зробити цілком.) Ось чому про механічну енергію часто говорять як про окрему збережену величину, але, знову ж таки, вона зберігається лише тоді, коли немає тертя.
Одиницею вимірювання енергії СІ є джоуль (J), де 1 джоуль = 1 ньютон × 1 метр.
Види потенційної енергії
Потенційна енергія - це енергія, зумовлена положенням або розташуванням об’єкта чи частинки. Іноді це описується як накопичена енергія, але це не зовсім точно, оскільки кінетичну енергію можна також сприймати як накопичену енергію, оскільки вона все ще міститься в об’єкті, що рухається. Основними видами потенційної енергії є:
Еластична потенційна енергія, що є енергією у формі деформації такого об’єкта, як пружина. Коли ви стискаєте або розтягуєте пружину поза рівноважним (спокійним) положенням, вона буде мати пружну потенційну енергію. Коли ця пружина звільниться, ця пружна потенційна енергія перетвориться на кінетичну енергію.
У випадку маси, підвішеної до пружини, яка потім розтягується і вивільняється, маса коливатиметься вгору-вниз, коли пружна потенційна енергія стає кінетична енергія, потім трансформується назад до потенціалу тощо (при цьому частина механічної енергії змінюється в немеханічні форми завдяки тертя.)
Рівняння потенційної енергії, що зберігається у пружині, визначається так:
PE_ {пружина} = \ frac {1} {2} k \ Delta x ^ 2
Деk- постійна пружини і Δx - зміщення від рівноваги.
Гравітаційна потенційна енергія- енергія, обумовлена положенням об’єкта в гравітаційному полі. Коли об’єкт у такому полі вивільняється, він прискорюється, і ця потенційна енергія перетворюється на кінетичну.
Гравітаційна потенційна енергія для об’єкта масимпоблизу поверхні Землі задається:
PE_ {гравітація = mgh
Деg- гравітаційна постійна 9,8 м / с2, іh- висота над рівнем землі.
Подібно до гравітаційної потенційної енергії,електрична потенційна енергіяє результатом розташування об’єктів із зарядом в електричному полі. Якщо їх випустити в цьому полі, вони будуть прискорюватися по лініях поля так само, як це робить падаюча маса, і їх електрична потенціальна енергія перетвориться на кінетичну енергію.
Формула електричної потенціальної енергії має точковий зарядqвідстаньрвід точкового зарядуПитаннязадається:
PE_ {elec, \ text {} poiny \ text {} заряд} = \ frac {kqQ} {r}
Деk- постійна Кулона 8,99 × 109 Нм2/ C2.
Ви, мабуть, знайомі з цим терміномНапруга, яка відноситься до величини, яка називаєтьсяелектричний потенціал. Електрична потенціальна енергія зарядуqможна знайти за електричним потенціалом (напруга,V) наступним чином:
PE_q = qV
Хімічна потенційна енергія- це енергія, що зберігається в хімічних зв’язках і розташуванні атомів. Ця енергія може трансформуватися в інші форми під час хімічних реакцій. Прикладом цього є пожежа - у міру згорання вогню потенційна енергія в хімічних зв’язках матеріалу, що горить, перетворюється на теплову та променисту енергію. Коли ви їсте їжу, процеси у вашому тілі перетворюють хімічну енергію в енергію, необхідну вашому тілу, щоб залишатися в живих і виконувати всі основні завдання життя.
Ядерна потенційна енергія- це енергія в атомному ядрі. Коли нуклони (протони та нейтрони) всередині ядра переставляються, об'єднуючись, розпадаючись або змінюючись від одного до іншого (або за рахунок синтезу, поділу або розпаду) ядерна потенційна енергія трансформується або звільнений.
Знаменитий E = mc2 рівняння описує кількість енергії,Е, що виділяється під час таких процесів у перерахунку на масумі швидкість світлаc. Ядра можуть закінчитися з меншою загальною масою після розпаду або плавлення, і ця різниця в масах безпосередньо перекладається на кількість ядерної потенційної енергії, яка перетворюється в інші форми, такі як променева і тепловий.
Види кінетичної енергії
Кінетична енергія - це енергія руху. Поки об’єкт з потенційною енергією може рухатися, об’єкт з кінетичною енергією рухається. Основними видами кінетичної енергії є:
Механічна кінетична енергія, яка є кінетичною енергією макроскопічного об’єкта масимрухаючись зі швидкістюv. Це дається за формулою:
KE_ {mech} = \ frac {1} {2} mv ^ 2
Поради
Для об’єкта, що падає під дією сили тяжіння, збереження механічної енергії дозволяє нам визначити його швидкість при падінні без використання стандартних рівнянь постійного прискорення руху. Просто визначте загальну механічну енергію до того, як об'єкт почне падати (mgh), а потім на якій би висоті вона не знаходилась, різниця потенціальної енергії повинна дорівнювати 1 / 2мв2. Як тільки ви знаєте кінетичну енергію, ви можете вирішити дляv.
Термальна енергія, також відомий як теплова енергія, є результатом вібрацій молекул речовини. Чим швидше молекули рухаються, тим більша теплова енергія і гарячіший об'єкт. Чим повільніше рух, тим холодніший предмет. У межі, де зупиняється весь рух, температура об’єкта дорівнює абсолютному 0 в одиницях Кельвіна.
Температура є мірою середньої поступальної кінетичної енергії на молекулу. Теплова енергія ідеального одноатомного газу задається за формулою:
E_ {тепловий} = \ frac {3} {2} Nk_BT
ДеN- кількість атомів,Т- температура в Кельвіні, іkB- постійна Больцмана 1,381 × 10-23 J / K.
На поверхні це можна зрозуміти як таку саму річ, якою є механічна кінетична енергія. Це результат об’єктів (у цьому випадку молекул), які фізично рухаються з певною швидкістю. Але весь цей рух відбувається в мікроскопічному масштабі всередині більшого об’єкта, тому має сенс лікувати його по-різному - особливо тому, що неможливо врахувати рух кожної окремої молекули всередині щось!
Зауважте також, що не має сенсу плутати це з механічною кінетичною енергією, оскільки ця енергія не така просто трансформується в потенційну енергію так само, як кінетична енергія кульки, що кидається у повітря є.
Хвильова енергіяізвукутворюють додатковий тип кінетичної енергії, яка є енергією, пов'язаною з хвильовим рухом. З хвилею хвилювання рухається крізь середовище. Будь-яка точка в цьому середовищі коливатиметься на місці при проходженні хвилі - або вирівняна за напрямком руху (aпоздовжня хвиля) або перпендикулярно до нього (aпоперечна хвиля), такий як видно з хвилею на струні.
Поки точки в середовищі коливаються на місці, саме збурення рухається з одного місця в інше. Це форма кінетичної енергії, оскільки вона є результатом руху фізичного матеріалу.
Енергія, пов’язана з хвилею, зазвичай прямо пропорційна квадрату амплітуди хвилі. Однак точне співвідношення залежить від типу хвилі та середовища, через яке вона рухається.
Одним із типів хвиль є звукова хвиля, яка є поздовжньою. Тобто воно виникає внаслідок стиснення (області, в яких середовище стискається) та розріджень (області, в яких середовище менше стискається), найчастіше, у повітрі чи іншому матеріалі.
Променева енергіяпов'язаний з енергією хвилі, але це не зовсім однаково. Це енергія у вигляді електромагнітного випромінювання. Ви можете бути найбільш знайомими з видимим світлом, але ця енергія надходить у такі види, які ми також не можемо бачити, такі як радіохвилі, мікрохвилі, інфрачервоне світло, ультрафіолет, рентгенівські та гамма-промені. Це енергія, яку несуть фотони - частинки світла. Кажуть, що фотони демонструють подвійність частинок / хвиль, тобто вони діють як хвиля, так і частинка.
Променева енергія відрізняється від звичайних хвиль дуже критично: для її подорожі не потрібне середовище. Через це він може подорожувати через вакуум простору. Все електромагнітне випромінювання рухається зі швидкістю світла (найшвидшою у Всесвіті!) У вакуумі.
Зверніть увагу, що фотон не має маси, тому ми не можемо просто використовувати рівняння механічної кінетичної енергії для визначення пов'язаної з ним кінетичної енергії. Натомість енергія, пов'язана з електромагнітним випромінюванням, визначається як E = hf, деf- частота іh- постійна Планка 6,626 × 10-34 Js.
Електрична енергія: Кінетична енергія, пов'язана з рухомим зарядом, є тією ж механічною кінетичною енергією 1 / 2mv2; однак рухомий заряд також породжує магнітне поле. Це магнітне поле, подібно до гравітаційного або електричного поля, має здатність передавати потенційну енергію на все, що може її "відчути" - наприклад, на магніт чи інший рухомий заряд.
Перетворення енергії
Повна енергія замкнутої системи зберігається. Тобто загальна сума у всіх формах залишається незмінною, навіть якщо вона передається між об’єктами в системі або змінює форму чи тип.
Яскравим прикладом цього є те, що відбувається з кінетичною, потенційною та загальною енергією кулі, кинутої в повітря. Припустимо, 0,5-кілограмовий м’яч запускається вгору від рівня землі з початковою швидкістю 20 м / с. Ми можемо використовувати наступні кінематичні рівняння для визначення висоти та швидкості руху кульки на кожній секунді її руху:
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
Якщо наблизитиgяк 10 м / с2, ми отримуємо результати, наведені в наступній таблиці:
Тепер давайте розглянемо це з енергетичної точки зору. Для кожної секунди подорожі ми можемо розрахувати потенційну енергію, використовуючиmghі кінетичної енергії з використанням 1 / 2мв2. Загальна енергія - це сума двох. Додаючи стовпці до нашої таблиці щодо потенційної, кінетичної та загальної енергії, ми отримуємо:
•••н
Як бачите, на початку шляху вся енергія кулі є кінетичною. Піднімаючись, його швидкість зменшується, а висота збільшується, а кінетична енергія перетворюється на потенційну. Коли вона знаходиться у найвищій точці, вся початкова кінетика перетворюється на потенціал, а потім процес обертається сам, коли падає назад. Протягом усього шляху загальна енергія залишалася незмінною.
Якби наш приклад включав тертя або інші дисипативні сили, то, хоча загальна енергія все ще буде збережена, повна механічна енергія не буде. Загальна механічна енергія дорівнювала б різниці між загальною енергією та енергією, яка перетворилася на інші типи, наприклад теплову або звукову.