Esistono due forme principali di energia: energia cinetica ed energia potenziale. L'energia cinetica A volte la cinetica e l'energia potenziale associata ai processi meccanici di un oggetto macroscopico sono denominati collettivamente energia meccanica È una legge fondamentale di la fisica che l'energia totale in un sistema chiuso è conservata. Questa è definita la legge di conservazione dell'energia Per semplificare i calcoli in molti problemi di fisica introduttiva, esso si presume spesso che l'attrito e altre forze dissipative siano trascurabili, il che comporta la conservazione separata dell'energia meccanica totale di un sistema chiuso. L'energia meccanica può essere convertita in termica e altri tipi di energia quando è presente l'attrito, e può essere difficile far tornare qualsiasi energia termica in energia meccanica (e impossibile farlo completamente). Questo è il motivo per cui l'energia meccanica viene spesso definita come una quantità separata conservata, ma, di nuovo, è solo conservato quando non c'è attrito. L'unità SI per l'energia è il joule (J) dove 1 joule \u003d 1 newton × 1 metro. L'energia potenziale è energia dovuta a un oggetto o una particella s posizione o disposizione. Talvolta viene descritto come energia immagazzinata, ma ciò non è del tutto preciso poiché l'energia cinetica può anche essere considerata come energia immagazzinata perché è ancora contenuta nell'oggetto che si sta muovendo. I principali tipi di energia potenziale sono: Energia potenziale elastica Nel caso di una massa sospesa a una molla che viene poi allungata e rilasciata, la massa oscillerà su e giù come energia potenziale elastica diventa energia cinetica, quindi viene trasformata in potenziale e così via (con parte dell'energia meccanica che viene modificata in forme non meccaniche a causa dell'attrito). Viene fornita l'equazione per l'energia potenziale immagazzinata in una molla di: Dove k L'energia potenziale gravitazionale L'energia potenziale gravitazionale per un oggetto di massa m Dove g Simile all'energia potenziale gravitazionale, energia potenziale elettrica La formula per l'energia elettrica potenziale è di carica puntuale q Dove k Probabilmente hai familiarità con termine tensione Potenziale chimico energia Energia potenziale nucleare Il famoso L'equazione E \u003d mc 2 descrive la quantità di energia, E L'energia cinetica è l'energia del movimento. Mentre un oggetto con energia potenziale ha il potenziale per muoversi, un oggetto con energia cinetica è in movimento. I principali tipi di energia cinetica sono: Energia cinetica meccanica Suggerimenti Per un oggetto in scadenza alla gravità, la conservazione dell'energia meccanica ci permette di determinare la sua velocità mentre cade senza usare le equazioni standard di accelerazione costante del moto. È sufficiente determinare l'energia meccanica totale prima che l'oggetto inizi a cadere ( mgh L'energia termica La temperatura è una misura dell'energia cinetica traslazionale media per molecola. L'energia termica di un gas monatomico ideale è data dalla formula: Dove N In superficie, questo può essere inteso come lo stesso tipo di energia cinetica meccanica. È il risultato di oggetti (molecole in questo caso) che si muovono fisicamente a una certa velocità. Ma questo movimento sta accadendo su scala microscopica all'interno di un oggetto più grande, quindi ha senso trattarlo in modo diverso, specialmente perché è impossibile spiegare il movimento di ciascuna molecola distinta all'interno di qualcosa! Nota anche che non ha senso confonderlo con l'energia cinetica meccanica poiché questa energia non è così semplicemente trasformata in energia potenziale allo stesso modo dell'energia cinetica di una palla che viene lanciata in aria. Energia delle onde Mentre i punti nel mezzo oscillano in posizione, il disturbo stesso viaggia da un posto all'altro. Questa è una forma di energia cinetica perché è il risultato di un movimento di materiale fisico. L'energia associata a un'onda è in genere direttamente proporzionale al quadrato dell'ampiezza dell'onda. La relazione esatta, tuttavia, dipende dal tipo di onda e dal mezzo attraverso il quale viaggia. Un tipo di onda è un'onda sonora, che è un'onda longitudinale. Cioè, deriva da compressioni (regioni in cui il mezzo è compresso) e rarefazioni (regioni in cui il mezzo è meno compresso) in, più comunemente, aria o altro materiale. Energia radiante L'energia radiante differisce dalle onde regolari in un modo molto critico: non richiede un mezzo attraverso il quale viaggiare . Per questo motivo, può viaggiare attraverso il vuoto dello spazio. Tutte le radiazioni elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce (la più alta velocità nell'universo!) Nel vuoto. Nota che il fotone non ha massa, quindi non possiamo semplicemente usare l'equazione dell'energia cinetica meccanica per determinare l'energia cinetica associata. Invece, l'energia associata alla radiazione elettromagnetica è data da E \u003d hf, dove f Energia elettrica Il totale l'energia di un sistema chiuso viene conservata. Cioè, la quantità totale, in tutte le forme, rimane costante anche se viene trasferita tra oggetti nel sistema o cambia forma o tipo. Un primo esempio di ciò è ciò che accade a cinetico, potenziale e totale energia di una palla lanciata in aria. Supponiamo che una palla da 0,5 kg venga lanciata verso l'alto dal livello del suolo a una velocità iniziale di 20 m /s. Possiamo usare le seguenti equazioni cinematiche per determinare l'altezza e la velocità della palla ad ogni secondo della sua corsa: Se approssimiamo g (Inserisci tabella) Ora guardiamo da una prospettiva energetica. Per ogni secondo di viaggio, possiamo calcolare l'energia potenziale usando mgh (Inserisci tabella) Come puoi vedere, all'inizio del suo percorso, tutta l'energia della palla è cinetica. All'aumentare, la sua velocità diminuisce e l'altezza aumenta e l'energia cinetica si trasforma in energia potenziale. Quando è nel suo punto più alto, tutta la cinetica iniziale si è trasformata in potenziale, e quindi il processo si inverte mentre ricade. Durante l'intero percorso, l'energia totale è rimasta costante. Se il nostro esempio avesse incluso attrito o altre forze dissipative, allora, mentre l'energia totale sarebbe ancora conservata, l'energia meccanica totale no. L'energia meccanica totale equivarrebbe alla differenza tra l'energia totale e l'energia che si è trasformata in altri tipi, come l'energia termica o sonora.
è l'energia del moto di un oggetto o di una particella, e energia potenziale
è l'energia associata alla posizione di un oggetto o di una particella.
ed escludono le forme di energia associate ai processi termici, chimici e atomici.
. Cioè, mentre l'energia può cambiare forma o trasferirsi da un oggetto a un altro, la quantità totale rimarrà sempre costante in un sistema perfettamente isolato dall'ambiente circostante.
Tipi di energia potenziale
, che è energia sotto forma di deformazione di un oggetto come una molla. Quando comprimi o allunghi una molla oltre la sua posizione di equilibrio (riposo), avrà energia potenziale elastica. Quando questa molla viene rilasciata, questa energia potenziale elastica si trasformerà in energia cinetica.
PE_ {spring} \u003d \\ frac {1} {2} k \\ Delta x ^ 2
è la costante della molla e Δx è lo spostamento dall'equilibrio.
è l'energia dovuta alla posizione di un oggetto in un campo gravitazionale. Quando un oggetto in tale campo viene rilasciato, accelera e quell'energia potenziale si trasforma in energia cinetica.
vicino alla superficie di la Terra è data da:
PE_ {grav} \u003d mgh
è la costante gravitazionale 9,8 m /s 2 e h
è l'altezza sopra il livello del suolo.
è il risultato di oggetti con carica posizionati in un campo elettrico. Se rilasciati in questo campo, accelereranno lungo le linee del campo proprio come fa una massa in caduta, e la loro energia elettrica potenziale si trasformerà in energia cinetica.
una distanza r
dal punto di carica Q
è data da:
PE_ {elec, \\ text {} poiny \\ text {} charge} \u003d \\ frac { kqQ} {r}
è la costante di Coulomb 8.99 × 10 9 Nm 2 /C 2.
, che si riferisce a una quantità chiamata potenziale elettrico
. L'energia potenziale elettrica di una carica q
può essere trovata dal potenziale elettrico (tensione, V
) nel modo seguente:
PE_q \u003d qV
è l'energia immagazzinata nei legami chimici e nelle disposizioni degli atomi. Questa energia può essere trasformata in altre forme durante le reazioni chimiche. Un incendio ne è un esempio: mentre il fuoco brucia, l'energia potenziale nei legami chimici del materiale in fiamme si trasforma in calore ed energia radiante. Quando mangi cibo, i processi nel tuo corpo convertono l'energia chimica in energia di cui il tuo corpo ha bisogno per rimanere in vita ed eseguire tutti i compiti fondamentali della vita.
è energia in un nucleo atomico . Quando i nucleoni (protoni e neutroni) all'interno di un nucleo si riorganizzano combinando, spezzando o cambiando l'uno dall'altro (attraverso fusione, fissione o decadimento) l'energia potenziale nucleare viene trasformata o rilasciata.
, rilasciata durante tali processi in termini di massa m
e velocità della luce c
. I nuclei possono finire con una massa totale inferiore dopo decadimento o fusione e questa differenza di massa si traduce direttamente nella quantità di energia potenziale nucleare che viene convertita in altre forme, come radiante e termica.
Tipi di energia cinetica
, che è l'energia cinetica di un oggetto macroscopico di massa m
che si muove con velocità v
. È dato dalla formula:
KE_ {mech} \u003d \\ frac {1} {2} mv ^ 2
), quindi a qualunque altezza si trovi, la differenza di energia potenziale deve essere pari a 1 /2mv 2. Una volta che conosci l'energia cinetica, puoi risolvere per v
.
, nota anche come energia termica, è il risultato del molecole in una sostanza vibrante. Più velocemente si muovono le molecole, maggiore è l'energia termica e più caldo è l'oggetto. Più lento è il movimento, più freddo è l'oggetto. Nel limite in cui tutto il movimento si ferma, la temperatura dell'oggetto è assoluta 0 in unità di Kelvin.
E_ {termico} \u003d \\ frac {3} {2} Nk_BT
è il numero di atomi, T
è la temperatura in Kelvin e k B
è la costante di Boltzmann 1.381 × 10 -23 J /K.
e suono
formano un ulteriore tipo di energia cinetica, che è l'energia associata al movimento delle onde. Con un'onda, un disturbo viaggia attraverso un mezzo. Qualsiasi punto in quel mezzo oscillerà in posizione mentre l'onda passa attraverso - sia allineato con la direzione del movimento (un' onda longitudinale
) o perpendicolare ad essa (un' onda trasversale
), tale come si vede con un'onda su una corda.
è legato all'energia delle onde, ma non è esattamente la stessa. Questa è energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Potresti avere maggiore familiarità con la luce visibile, ma questa energia arriva in tipi che non possiamo vedere, come onde radio, microonde, infrarossi, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. È energia trasportata dai fotoni - particelle di luce. Si dice che i fotoni esibiscano la dualità particella /onda, il che significa che agiscono sia come un'onda che una particella.
è frequenza e h
è la costante di Planck 6,626 × 10 -34 Js.
: l'energia cinetica associata a una carica in movimento è la stessa energia cinetica meccanica 1 /2mv 2; tuttavia, una carica in movimento genera anche un campo magnetico. Quel campo magnetico, proprio come un campo gravitazionale o elettrico, ha la capacità di impartire energia potenziale a tutto ciò che può "sentirlo" - come un magnete o un'altra carica in movimento.
Trasformazioni di energia
v_f \u003d v_i + at \u003d 20 \\ text {m /s} -gt \\\\ y_f \u003d y_i + v_it + \\ frac {1} {2} at ^ 2 \u003d (20 \\ text {m /s}) t- \\ frac {g} {2} t ^ 2
come 10 m /s 2, otteniamo i risultati mostrati nella seguente tabella:
e l'energia cinetica usando 1 /2mv 2. L'energia totale è la somma dei due. Aggiungendo colonne alla nostra tabella per l'energia potenziale, cinetica e totale, otteniamo:
