Energie

Die eerste wet van termodinamika bepaal dat die totale invloei van energie in 'n stelsel in, gelyk moet wees aan die totale uitvloei van energie uit die stelsel uit plus die verandering van die energie wat die stelsel bevat. Hierdie wet word gebruik in alle vertakkinge van fisika. Noether se teorie stel die verband tussen die behoud van energie en die tydsonveranderlike aard van die wette van fisika.

Hoofartikel: Kinetiese energie.

Kinetiese energie is die gedeelte van energie wat verband hou met die beweging van 'n voorwerp.

${\displaystyle E_{k}=\int \mathbf {v} \cdot \mathrm {d} \mathbf {p} }$

Die vergelyking hierbo bepaal dat die kinetiese energie (${\displaystyle E_{k}}$) gelyk is aan die integraal van die puntproduk van die snelheid (${\displaystyle \mathbf {v} }$) van 'n voorwerp en die infinitesimaal van die voorwerp se momentum (${\displaystyle \mathbf {p} }$).

Vir nie-relatiwistiese snelhede, dit wil sê snelhede wat baie kleiner is as die spoed van lig, kan ons die Newtoniese benadering gebruik:

${\displaystyle E_{k}={\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\end{matrix}}mv^{2}}$

waar

• E_k die kinetiese energie is
• m die massa van die voorwerp is
• v die snelheid van die voorwerp is

Nader aan ligsnelhede gebruik ons die relatiwistiese vergelyking:

${\displaystyle E_{k}=mc^{2}(\gamma -1)=\gamma mc^{2}-mc^{2}\;\!}$

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-(v/c)^{2}}}}}$

waar

• v die snelheid van die voorwerp is
• m die massa is wanneer die voorwerp in rus verkeer
• c die spoed van lig in 'n vakuum is, wat ongeveer gelyk is aan 300 000 kilometer per sekonde
• ${\displaystyle \gamma mc^{2}\,}$ die totale energie van die liggaam is
• ${\displaystyle mc^{2}\,}$ die rusmassa energie is

In die vorm van 'n Taylorreeks, kan die relatiwistiese vergelyking geskryf word as volg:

${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}-{\frac {3}{8}}{\frac {mv^{4}}{c^{2}}}+\cdots }$

Dit kan gesien word dat die tweede hoër orde terme in die reeks ooreenkom met die onakkuraatheid van die Newton benadering vir kinetiese energie relatief tot die relatiwistiese vergelyking. Dit kan gesien word dat hierdie onakkuraatheid baie klein is teen lae snelhede aangesien die tweede term baie na aan nul is.

Terwyl kinetiese energie die deel van 'n stelsel se energie is wat met beweging verbind word, is potensiële energie die energie van 'n stelsel wat met die ruimtelike rangskikking van 'n stelsel se komponente en hul wisselwerkings met mekaar verbind word.

In 'n geïsoleerde stelsel wat bestaan uit twee voorwerpe in rus op die x-as wat 'n krag ${\displaystyle f(x)}$ op mekaar uitoefen, word die potensiële energie algemeen gedefinieer as:

${\displaystyle E_{p}=-\int f(x)\,dx}$

waar die krag tussen die voorwerpe slegs met afstand ${\displaystyle x}$ varieer en daar langs die lyn, wat die twee voorwerpe koppel, af geïntegreer word.

Om die verwantskap tussen krag en potensiële energie verder te illustreer, kan ons dieselfde stelsel met twee voorwerpe op die x-as beskou. As die potensiële energie as gevolg van een van die voorwerpe op enige punt ${\displaystyle x}$, ${\displaystyle U(x)}$ is, dan kan die krag op daardie voorwerp ${\displaystyle x}$ uitgedruk word as:

${\displaystyle f(x)=-{\frac {d}{dx}}U(x)}$

Hierdie verwantskap demonstreer dat die krag tussen voorwerpe in die rigting van afnemende potensiële energie is, en dat die grootte van die krag proporsioneel is aan die mate waartoe die potensiële energie afneem. 'n Groot krag word geassosieer met 'n groot afname in potensiële energie, terwyl 'n klein krag geassosieer word met 'n klein afname in potensiële energie. Neem kennis van hoe die krag op 'n voorwerp geheel en al afhang van sy potensiële energie.

Die twee verwantskappe – die definisie van potensiële energie gebaseer op krag en die afhanklikheid van krag op potensiële energie – wys hoe intiem die begrippe van krag en potensiële energie gekoppel is: as twee voorwerpe nie kragte op mekaar uitoefen nie, dan is daar met ander woorde geen potensiële energie tussen hulle nie. As twee voorwerpe kragte op mekaar uitoefen dan bestaan daar natuurlik potensiële energie in die stelsel en maak dit deel uit van die stelsel se totale energie. Aangesien potensiële energie ontstaan weens kragte, sal enige verandering in die ruimtelike rangskikking van die stelsel, die stelsel se potensiële energie vermeerder of verminder soos die stelsel herrangskik word.

Wanneer 'n stelsel na 'n laer potensiële energietoestand beweeg, word energie vrygestel in 'n vorm of omgeskakel na 'n ander vorm van energie, soos kinetiese energie. Die potensiële energie kan "gestoor" word as swaartekragenergie, elastiese energie, chemiese energie, rusmassa-energie of elektriese energie, maar ontstaan in alle gevalle weens die ruimtelike rangskikking en wisselwerkinge van voorwerpe in sodanige stelsel. Anders as kinetiese energie wat in 'n bewegende voorwerp bestaan, bestaan potensiële energie in enige voorwerp waar daar 'n wisselwerking met 'n ander voorwerp bestaan.

'n Voorbeeld daarvan is dat wanneer 'n massa bo die aarde gelos word dit aanvanklik potensiële energie het vanweë die aantrekking van die swaartekrag van die aarde, wat dan omgeskakel word na kinetiese energie soos die swaartekrag op die voorwerp uitgeoefen word en sy potensiële energie dan verminder soos hy val.

Vergelyking:

Energie = krag × afstand is:

${\displaystyle E=F.x}$

Potensiële energie is dan

${\displaystyle E_{p}=mgh}$

waar m die massa is, g die swaartekragversnelling is en h die hoogte is.

Onthou dat die afwaartse krag wat 'n voorwerp uitoefen agv sy massa is massa × swaartekragversnelling = mg. Hierdie krag is in dieselfde rigting as die "rigting" van die hoogte.

Interne energie is die kinetiese energie geassosieer met die beweging van molekules en die potensiële energie geassosieer met die rotasie, vibrasie en elektriese energie van atome binne-in molekules. Interne energie is 'n kwantifiseerbare toestandsfunksie van 'n stelsel.

Energie is 'n eienskap van die toestand van 'n stelsel.

As die stelsel beweeg word tot 'n ander konfigurasie en dan weer terugbeweeg word na die vorige konfigurasie, sal die stelsel weer dieselfde energie hê as voorheen. Hiérvoor om waar te wees, moet al die kragte (of velde) omkeerbaar wees. In die geval van nie-omkeerbare kragte, verloor die wet van die behoud van energie sy belangrikheid. Gewoonlik moet daar dan oorweging geskenk word aan een of ander energiekanaal wat voorheen nagelaat is (soos wrywing) om die onverklaarde verlies aan energie te verduidelik.

'n Voorbeeld van die omskakeling en behoud van energie is die slinger. By sy hoogste punt is die kinetiese energie nul en die potensiële swaartekrag-energie op sy maksimum. By die laagste punt is die kinetiese energie weer op sy maksimum en gelyk aan die verlaging in potensiële energie. As 'n mens onrealisties aanvaar dat daar geen wrywing is nie, dan sal die energie behoue bly in die slinger en sal hy bly swaai tot in lengte van dae.

'n Ander voorbeeld is 'n chemiese ontploffing waardeur die potensiële chemiese energie omgeskakel word na kinetiese energie en warmte in 'n baie kort tydjie.

krag = massa × versnelling

Eenhede: N = kg × m/s²

energie = krag × afstand

Eenhede: J = N × m = kg × m/s² × m = kg.m²/s²

Sien energie in Wiktionary, die vrye woordeboek.

• Energiekrisis
• Termodinamika

• Einstein, Albert (1952). Relativity: The Special and the General Theory (Fifteenth Edition). ISBN 0-517-88441-0

• Encyclopedia of free energy (en)
• What does energy really mean? Vanaf Physics World Geargiveer 3 Augustus 2004 op Wayback Machine (en)
• Renewable Energy Benefits Geargiveer 18 Desember 2014 op Wayback Machine (en)

• Feynman, Richard. Six Easy Pieces: Essentials of Physics Explained by Its Most Brilliant Teacher. Helix Book. Sien die hoofstuk "conservation of energy" vir Feynman se verduideliking van wat energie is en hoe 'n mens daaroor moet dink.