Existem duas formas principais de energia: energia cinética e energia potencial. Energia cinética - é a energia do movimento de um objeto ou partícula, e energia potencial - é a energia associada à posição de um objeto ou partícula. Às vezes, a cinética e a energia potencial associada aos processos mecânicos de um objeto macroscópico são denominadas coletivamente como energia mecânica e excluem formas de energia associadas a processos térmicos, químicos e atômicos. É uma lei fundamental da física que a energia total em um sistema fechado é conservada. Isto é referido como a lei da conservação de energia Para simplificar os cálculos em muitos problemas introdutórios da física, ele é frequentemente assumido que o atrito e outras forças dissipativas são desprezíveis, o que resulta na conservação da energia mecânica total de um sistema fechado. A energia mecânica pode ser convertida em energia térmica e outros tipos de energia quando o atrito está presente, e pode ser difícil fazer com que qualquer energia térmica se transforme em energia mecânica (e impossível fazê-lo totalmente.) É por isso que a energia mecânica é frequentemente mencionada como uma quantidade conservada separada, mas, novamente, é apenas conservada quando não há atrito. A unidade SI para energia é o joule (J) onde 1 joule \u003d 1 newton × 1 metro. A energia potencial é energia devido a um objeto ou partícula A posição ou arranjo. Às vezes, é descrita como energia armazenada, mas isso não é totalmente preciso, pois a energia cinética também pode ser considerada energia armazenada, porque ainda está contida no objeto em movimento. Os principais tipos de energia potencial são: Energia potencial elástica No caso de uma massa suspensa de uma mola que é então esticada e liberada, a massa irá oscilar para cima e para baixo como energia potencial elástica torna-se energia cinética, depois é transformada de volta ao potencial e assim por diante (com parte da energia mecânica sendo transformada em formas não mecânicas devido ao atrito.) A equação da energia potencial armazenada em uma mola é dada por: Onde k Energia potencial gravitacional A energia potencial gravitacional de um objeto de massa m Onde g Semelhante à energia potencial gravitacional, energia potencial elétrica A fórmula da energia potencial elétrica é uma carga pontual q em uma distância r Onde k Você provavelmente conhece o termo voltagem Potencial químico energia Energia potencial nuclear - é energia em um núcleo atômico . Quando os núcleons (prótons e nêutrons) dentro de um núcleo se reorganizam combinando, separando ou mudando de um para o outro (seja por fusão, fissão ou decaimento), a energia potencial nuclear é transformada ou liberada. O famoso A equação E \u003d mc 2 descreve a quantidade de energia, E Energia cinética mecânica Dicas Para um objeto que está vencendo para a gravidade, a conservação da energia mecânica nos permite determinar sua velocidade conforme ela cai sem usar as equações de movimento de aceleração constante padrão. Simplesmente determine a energia mecânica total antes que o objeto comece a cair ( mgh Energia térmica Temperatura é uma medida da energia cinética translacional média por molécula. A energia térmica de um gás monatômico ideal é dada pela fórmula: Onde N Na superfície, isso pode ser entendido como o mesmo tipo de coisa que a energia cinética mecânica é. É o resultado de objetos (moléculas neste caso) se movendo fisicamente a uma certa velocidade. Mas todo esse movimento está acontecendo na escala microscópica de um objeto maior, por isso faz sentido tratá-lo de maneira diferente - especialmente porque é impossível explicar o movimento de cada molécula distinta dentro de algo! Observe também que não faz sentido confundir isso com energia cinética mecânica, uma vez que essa energia não é simplesmente transformada em energia potencial da mesma maneira que a energia cinética de uma bola sendo lançada no ar. Energia das ondas Enquanto os pontos no meio oscilam no lugar, a perturbação em si viaja de um lugar para outro. Essa é uma forma de energia cinética porque é o resultado de um material físico em movimento. A energia associada a uma onda é tipicamente diretamente proporcional ao quadrado da amplitude da onda. A relação exata, no entanto, depende do tipo de onda e do meio pelo qual ela está viajando. Um tipo de onda é uma onda sonora, que é uma onda longitudinal. Ou seja, resulta de compressões (regiões nas quais o meio é comprimido) e de rarefações (regiões nas quais o meio é menos comprimido), geralmente no ar ou em outro material. Energia radiante A energia está relacionada à energia das ondas, mas não é a mesma coisa. Isso é energia na forma de radiação eletromagnética. Você pode estar mais familiarizado com a luz visível, mas essa energia também vem em tipos que não podemos ver, como ondas de rádio, microondas, infravermelho, ultravioleta, raios-X e raios gama. É energia transportada por fótons - partículas de luz. Dizem que os fótons exibem dualidade partícula /onda, o que significa que agem como uma onda e uma partícula. A energia radiante difere das ondas regulares de uma maneira muito crítica: ela não requer um meio pelo qual viajar . Por isso, ele pode viajar através do vácuo do espaço. Toda radiação eletromagnética viaja na velocidade da luz (a velocidade mais rápida do universo!) No vácuo. Observe que o fóton não possui massa, portanto, não podemos simplesmente usar a equação da energia cinética mecânica para determinar a energia cinética associada. Em vez disso, a energia associada à radiação eletromagnética é dada por E \u003d hf, onde f Energia elétrica O total a energia de um sistema fechado é conservada. Ou seja, a quantidade total, em todas as formas, permanece constante, mesmo se for transferida entre objetos no sistema ou mudar de forma ou tipo. Um exemplo disso é o que acontece com a cinética, potencial e total energia de uma bola jogada no ar. Suponha que uma bola de 0,5 kg seja lançada para cima do nível do solo a uma velocidade inicial de 20 m /s. Podemos usar as seguintes equações cinemáticas para determinar a altura e a velocidade da bola a cada segundo de sua viagem: Se aproximarmos g de 10 m /s 2, obtemos os resultados mostrados na tabela a seguir: (Inserir tabela) Agora vamos analisá-lo do ponto de vista energético. Para cada segundo de viagem, podemos calcular a energia potencial usando mgh (Inserir tabela) Como você pode ver, no início de seu caminho, toda a energia da bola é cinético. À medida que aumenta, sua velocidade diminui e a altura aumenta, e a energia cinética é transformada em energia potencial. Quando está no ponto mais alto, toda a cinética inicial se transformou em potencial e, em seguida, o processo se reverte à medida que cai novamente. Durante todo o caminho, a energia total permaneceu constante. Se nosso exemplo incluísse atrito ou outras forças dissipativas, enquanto a energia total ainda seria conservada, a energia mecânica total não. A energia mecânica total seria igual à diferença entre a energia total e a energia que se transformou em outros tipos, como energia térmica ou sonora.
. Ou seja, embora a energia possa mudar de forma ou transferir de um objeto para outro, a quantidade total sempre permanecerá constante em um sistema perfeitamente isolado de seu entorno.
Tipos de energia potencial
, que é energia na forma de deformação de um objeto, como uma mola. Quando você comprime ou estica uma mola além de sua posição de equilíbrio (em repouso), ela possui energia potencial elástica. Quando essa mola é liberada, essa energia potencial elástica se transforma em energia cinética.
PE_ {spring} \u003d \\ frac {1} {2} k \\ Delta x ^ 2
é a constante da primavera e Δx é o deslocamento do equilíbrio.
é a energia devido à posição de um objeto em um campo gravitacional. Quando um objeto em tal campo é liberado, ele acelera e a energia potencial se transforma em energia cinética.
próximo à superfície de a Terra é dada por:
PE_ {grav} \u003d mgh
é a constante gravitacional 9,8 m /s 2, e h
é a altura acima do nível do solo.
é o resultado de objetos com carga sendo posicionados em um campo elétrico. Se liberados neste campo, eles irão acelerar ao longo das linhas de campo, exatamente como uma massa em queda, e sua energia potencial elétrica se transformará em energia cinética.
da carga pontual Q
é dada por:
PE_ {elec, \\ text {} poiny \\ text {} carga} \u003d \\ frac { kqQ} {r}
é a constante de Coulomb 8,99 × 10 9 Nm 2 /C 2.
, que se refere a uma quantidade chamada potencial elétrico
. A energia potencial elétrica de uma carga q
pode ser encontrada a partir do potencial elétrico (tensão, V
) da seguinte forma:
PE_q \u003d qV
é a energia armazenada nas ligações e arranjos químicos dos átomos. Essa energia pode ser transformada em outras formas durante reações químicas. Um incêndio é um exemplo disso - à medida que o fogo queima, a energia potencial nas ligações químicas do material em combustão é transformada em calor e energia radiante. Quando você come alimentos, os processos em seu corpo convertem energia química em energia que seu corpo precisa para permanecer vivo e realizar todas as tarefas básicas da vida.
, liberada durante esses processos em termos de massa m
e velocidade da luz c
. Os núcleos podem acabar com massa total mais baixa após decadência ou fusão, e essa diferença de massa se traduz diretamente na quantidade de energia potencial nuclear que é convertida em outras formas, como radiante e térmica.
Tipos de energia cinética
< A energia cinética é a energia do movimento. Enquanto um objeto com energia potencial tem o potencial de se mover, um objeto com energia cinética está em movimento. Os principais tipos de energia cinética são:
, que é a energia cinética de um objeto macroscópico de massa m
movendo-se com velocidade v
. É dada pela fórmula:
KE_ {mech} \u003d \\ frac {1} {2} mv ^ 2
) e, em qualquer altura que esteja, a diferença na energia potencial deve ser igual a 1 /2mv 2. Depois de conhecer a energia cinética, você pode resolver v
.
, também conhecida como energia térmica, é o resultado da moléculas em uma substância vibrando. Quanto mais rápido as moléculas se movem, maior a energia térmica e mais quente o objeto. Quanto mais lento o movimento, mais frio o objeto. No limite em que todo movimento para, a temperatura do objeto é 0 absoluta em unidades de Kelvin.
E_ {Thermal} \u003d \\ frac {3} {2} Nk_BT
é o número de átomos, T
é a temperatura em Kelvin e k B
é a constante de Boltzmann 1,381 × 10 -23 J /K.
e som
formam um tipo adicional de energia cinética, que é a energia associada ao movimento das ondas. Com uma onda, um distúrbio viaja através de um meio. Qualquer ponto desse meio oscilará no lugar à medida que a onda passa - alinhado com a direção do movimento (uma onda longitudinal
) ou perpendicular a ele (uma onda transversal
), como como é visto com uma onda em uma corda.
é frequência e h
é a constante de Planck 6.626 × 10 -34 Js.
: A energia cinética associada a uma carga em movimento é a mesma energia cinética mecânica 1 /2mv 2; no entanto, uma carga em movimento também gera um campo magnético. Esse campo magnético, assim como um campo gravitacional ou elétrico, tem a capacidade de transmitir energia potencial a qualquer coisa que possa "senti-lo" - como um ímã ou outra carga em movimento.
Transformações de energia
v_f \u003d v_i + em \u003d 20 \\ text {m /s} -gt \\\\ y_f \u003d y_i + v_it + \\ frac {1} {2} em ^ 2 \u003d (20 \\ text {m /s}) t- \\ frac {g} {2} t ^ 2
e a energia cinética usando 1 /2mv 2. A energia total é a soma dos dois. Adicionando colunas à nossa tabela para energia potencial, cinética e total, obtemos:
