Existen dos formas principales de energía: energía cinética y energía potencial. Energía cinética A veces, la cinética y la energía potencial asociada con procesos mecánicos de un objeto macroscópico se denominan colectivamente energía mecánica Es una ley fundamental de física que la energía total en un sistema cerrado se conserva. Esto se conoce como la ley de conservación de la energía Para simplificar los cálculos en muchos problemas de física introductoria, a menudo se supone que la fricción y otras fuerzas disipativas son insignificantes, lo que da como resultado que la energía mecánica total de un sistema cerrado se conserve por separado. La energía mecánica puede convertirse en energía térmica y de otro tipo cuando hay fricción, y puede ser difícil lograr que la energía térmica se convierta nuevamente en energía mecánica (e imposible hacerlo por completo). Es por eso que a menudo se habla de la energía mecánica como una cantidad conservada separada, pero, nuevamente, es solo conservada cuando no hay fricción. La unidad SI para la energía es el joule (J) donde 1 joule \u003d 1 newton × 1 metro. La energía potencial es energía debida a un objeto o partícula posición o disposición s. A veces se describe como energía almacenada, pero esto no es del todo exacto ya que la energía cinética también se puede considerar como energía almacenada porque todavía está contenida dentro del objeto que se está moviendo. Los principales tipos de energía potencial son: Energía potencial elástica En el caso de una masa suspendida de un resorte que luego se estira y se libera, la masa oscilará hacia arriba y hacia abajo como energía potencial elástica. se convierte en energía cinética, luego se transforma de nuevo en potencial y así sucesivamente (con parte de la energía mecánica que cambia a formas no mecánicas debido a la fricción). Se da la ecuación para la energía potencial almacenada en un resorte. por: Donde k Energía potencial gravitacional La energía potencial gravitacional para un objeto de masa m Donde g Similar a la energía potencial gravitacional, energía potencial eléctrica La fórmula para la energía potencial eléctrica es de carga puntual q Donde k Probablemente esté familiarizado con el término voltaje Potencial químico La energía es la energía almacenada en los enlaces químicos y disposiciones de los átomos. Esta energía puede transformarse en otras formas durante las reacciones químicas. Un incendio es un ejemplo de esto: a medida que el fuego arde, la energía potencial en los enlaces químicos del material en llamas se transforma en calor y energía radiante. Cuando come alimentos, los procesos en su cuerpo convierten la energía química en la energía que su cuerpo necesita para mantenerse con vida y realizar todas las tareas básicas de la vida. La energía potencial nuclear El famoso La ecuación E \u003d mc 2 describe la cantidad de energía, E La energía cinética es la energía del movimiento. Mientras que un objeto con energía potencial tiene el potencial de moverse, un objeto con energía cinética está en movimiento. Los principales tipos de energía cinética son: Energía cinética mecánica Consejos Para un objeto que se vence Para la gravedad, la conservación de la energía mecánica nos permite determinar su velocidad a medida que cae sin utilizar las ecuaciones de movimiento de aceleración constante estándar. Simplemente determine la energía mecánica total antes de que el objeto comience a caer ( mgh La energía térmica La temperatura es una medida de la energía cinética traslacional promedio por molécula. La energía térmica de un gas monoatómico ideal viene dada por la fórmula: Donde N En la superficie, esto puede ser entendido como el mismo tipo de cosa que es la energía cinética mecánica. Es el resultado de objetos (moléculas en este caso) que se mueven físicamente a cierta velocidad. Pero este movimiento está sucediendo a escala microscópica dentro de un objeto más grande, por lo que tiene sentido tratarlo de manera diferente, ¡especialmente porque es imposible explicar el movimiento de cada molécula distinta dentro de algo! Tenga en cuenta también que no tiene sentido confundir esto con energía cinética mecánica ya que esta energía no se transforma simplemente en energía potencial de la misma manera que lo es la energía cinética de una pelota que se lanza al aire. La energía de onda Mientras los puntos en el medio oscilan en su lugar, la perturbación misma viaja de un lugar a otro. Esta es una forma de energía cinética porque es el resultado de un material físico en movimiento. La energía asociada con una onda es típicamente directamente proporcional al cuadrado de la amplitud de la onda. Sin embargo, la relación exacta depende del tipo de onda y del medio a través del cual viaja. Un tipo de onda es una onda de sonido, que es una onda longitudinal. Es decir, resulta de compresiones (regiones en las que el medio está comprimido) y rarefacciones (regiones en las que el medio está menos comprimido) en, más comúnmente, aire u otro material. Energía radiante La energía radiante difiere de las ondas regulares de una manera muy crítica: no requiere un medio a través del cual viajar . Debido a esto, puede viajar a través del vacío del espacio. Toda la radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz (¡la velocidad más rápida del universo!) En el vacío. Tenga en cuenta que el fotón no tiene masa, por lo que no podemos simplemente usar la ecuación mecánica de energía cinética para Determinar la energía cinética asociada. En cambio, la energía asociada con la radiación electromagnética viene dada por E \u003d hf, donde f Energía eléctrica El total Se conserva la energía de un sistema cerrado. Es decir, la cantidad total, en todas las formas, permanece constante incluso si se transfiere entre objetos en el sistema o cambia de forma o tipo. Un buen ejemplo de esto es lo que sucede con la cinética, el potencial y el total. energía de una pelota lanzada al aire. Supongamos que se lanza una bola de 0.5 kg hacia arriba desde el nivel del suelo a una velocidad inicial de 20 m /s. Podemos usar las siguientes ecuaciones cinemáticas para determinar la altura y la velocidad de la pelota en cada segundo de su recorrido: Si aproximamos g (Insertar tabla) Ahora veámoslo desde una perspectiva energética. Para cada segundo de viaje, podemos calcular la energía potencial usando mgh (Insertar tabla) Como puede ver, al comienzo de su camino, toda la energía de la bola es cinético. A medida que aumenta, su velocidad disminuye y la altura aumenta, y la energía cinética se transforma en energía potencial. Cuando está en su punto más alto, toda la cinética inicial se ha convertido en potencial, y luego el proceso se invierte a medida que cae de nuevo. Durante todo el camino, la energía total permaneció constante. Si nuestro ejemplo hubiera incluido la fricción u otras fuerzas disipativas, entonces, mientras la energía total aún se conservaría, la energía mecánica total no lo haría. La energía mecánica total sería igual a la diferencia entre la energía total y la energía que se transformó a otros tipos, como la energía térmica o acústica.
es la energía de movimiento de un objeto o partícula, y energía potencial
es la energía asociada con la posición de un objeto o partícula.
y excluyen formas de energía asociadas con procesos térmicos, químicos y atómicos.
. Es decir, si bien la energía puede cambiar de forma o transferirse de un objeto a otro, la cantidad total siempre permanecerá constante en un sistema que esté perfectamente aislado de su entorno.
Tipos de energía potencial
, que es energía en forma de deformación de un objeto como un resorte. Cuando comprime o estira un resorte más allá de su posición de equilibrio (descanso), tendrá energía potencial elástica. Cuando se libera este resorte, esta energía potencial elástica se transformará en energía cinética.
PE_ {spring} \u003d \\ frac {1} {2} k \\ Delta x ^ 2
es la constante del resorte y Δx es el desplazamiento desde el equilibrio.
es la energía debida a la posición de un objeto en un campo gravitacional. Cuando se libera un objeto en dicho campo, se acelerará y esa energía potencial se transformará en energía cinética.
cerca de la superficie de la Tierra viene dada por:
PE_ {grav} \u003d mgh
es la constante gravitacional 9.8 m /s 2, y h
es la altura sobre el nivel del suelo.
es el resultado de objetos con carga que se colocan en un campo eléctrico. Si se libera en este campo, acelerarán a lo largo de las líneas del campo al igual que lo hace una masa en caída, y su energía potencial eléctrica se transformará en energía cinética.
una distancia r
desde la carga puntual Q
viene dada por:
PE_ {elec, \\ text {} poiny \\ text {} charge} \u003d \\ frac { kqQ} {r}
es la constante de Coulomb 8.99 × 10 9 Nm 2 /C 2.
, que se refiere a una cantidad llamada potencial eléctrico
. La energía potencial eléctrica de una carga q
se puede encontrar a partir del potencial eléctrico (voltaje, V
) de la siguiente manera:
PE_q \u003d qV
es energía en un núcleo atómico . Cuando los nucleones (protones y neutrones) dentro de un núcleo se reorganizan al combinarse, separarse o cambiar de uno a otro (ya sea por fusión, fisión o descomposición), la energía potencial nuclear se transforma o libera.
, liberada durante dichos procesos en términos de la masa m
y la velocidad de la luz c
. Los núcleos pueden terminar con una masa total más baja después de la descomposición o fusión, y esta diferencia de masa se traduce directamente en la cantidad de energía nuclear potencial que se convierte en otras formas, como radiante y térmica.
Tipos de energía cinética
, que es la energía cinética de un objeto macroscópico de masa m
que se mueve con velocidad v
. Está dado por la fórmula:
KE_ {mech} \u003d \\ frac {1} {2} mv ^ 2
), y luego a cualquier altura, la diferencia en energía potencial debe ser igual a 1 /2mv 2. Una vez que conozca la energía cinética, puede resolver v
.
, también conocida como energía térmica, es el resultado de moléculas en una sustancia que vibra. Cuanto más rápido se mueven las moléculas, mayor es la energía térmica y más caliente es el objeto. Cuanto más lento es el movimiento, más frío es el objeto. En el límite donde se detiene todo el movimiento, la temperatura del objeto es 0 absoluta en unidades de Kelvin.
E_ {térmica} \u003d \\ frac {3} {2} Nk_BT
es el número de átomos, T
es la temperatura en Kelvin, y k B
es la constante de Boltzmann 1.381 × 10 -23 J /K.
y el sonido forman un tipo adicional de energía cinética, que es la energía asociada con el movimiento de onda. Con una ola, una perturbación viaja a través de un medio. Cualquier punto en ese medio oscilará en su lugar a medida que la onda pase, ya sea alineado con la dirección del movimiento (una onda longitudinal
) o perpendicular a él (una onda transversal
), como como se ve con una onda en una cuerda.
está relacionado con la energía de las olas, pero no es lo mismo. Esta es energía en forma de radiación electromagnética. Puede que esté más familiarizado con la luz visible, pero esta energía viene en tipos que tampoco podemos ver, como ondas de radio, microondas, infrarrojos, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. Es la energía transportada por los fotones, partículas de luz. Se dice que los fotones exhiben dualidad partícula /onda, lo que significa que actúan como una onda y una partícula.
es la frecuencia y h
es la constante de Planck 6.626 × 10 -34 Js.
: La energía cinética asociada con una carga en movimiento es la misma energía cinética mecánica 1 /2mv 2; sin embargo, una carga en movimiento también genera un campo magnético. Ese campo magnético, al igual que un campo gravitacional o eléctrico, tiene la capacidad de impartir energía potencial sobre cualquier cosa que pueda "sentirlo", como un imán u otra carga en movimiento.
Transformaciones de energía
v_f \u003d v_i + at \u003d 20 \\ text {m /s} -gt \\\\ y_f \u003d y_i + v_it + \\ frac {1} {2} en ^ 2 \u003d (20 \\ text {m /s}) t- \\ frac {g} {2} t ^ 2
como 10 m /s 2, obtenemos los resultados que se muestran en la siguiente tabla:
y la energía cinética usando 1 /2mv 2. La energía total es la suma de los dos. Al agregar columnas a nuestra tabla para energía potencial, cinética y total, obtenemos:
