Kinetička energija. Kinetička energija i njena promena - Hipermarket znanja Unutrašnja energija gasa

>>Fizika 10. razred >>Fizika: Kinetička energija i njena promjena

Kinetička energija

Kinetička energija je energija koju tijelo ima zbog svog kretanja.

Jednostavno rečeno, koncept kinetičke energije trebao bi značiti samo energiju koju tijelo ima pri kretanju. Ako tijelo miruje, odnosno uopće se ne kreće, tada će kinetička energija biti nula.

Kinetička energija jednaka je radu koji mora utrošiti da se tijelo dovede iz stanja mirovanja u stanje kretanja pri određenoj brzini.

Dakle, kinetička energija je razlika između ukupne energije sistema i njegove energije mirovanja. Drugim riječima, kinetička energija će biti dio ukupne energije koja nastaje zbog kretanja.

Pokušajmo razumjeti pojam kinetičke energije tijela. Na primjer, uzmimo kretanje paka na ledu i pokušajmo razumjeti odnos između količine kinetičke energije i rada koji se mora obaviti da bi se pak izbacio iz stanja mirovanja i pokrenuo određenom brzinom.

Primjer

Hokejaš koji igra na ledu, udarajući pak štapom, daje mu brzinu i kinetičku energiju. Odmah nakon udarca štapom, pak počinje da se kreće vrlo brzo, ali postepeno se njegova brzina usporava i na kraju potpuno staje. To znači da je smanjenje brzine rezultat sile trenja između površine i paka. Tada će sila trenja biti usmjerena protiv kretanja, a djelovanje ove sile prati kretanje. Tijelo koristi dostupnu mehaničku energiju, vršeći rad protiv sile trenja.

Iz ovog primjera vidimo da će kinetička energija biti energija koju tijelo primi kao rezultat svog kretanja.

Prema tome, kinetička energija tijela koje ima određenu masu kretat će se brzinom jednakom radu koji mora izvršiti sila primijenjena na tijelo u mirovanju da bi mu se prenijela ova brzina:

Kinetička energija je energija tijela koje se kreće, koja je jednaka umnošku mase tijela na kvadrat njegove brzine podijeljen na pola.

Svojstva kinetičke energije

Svojstva kinetičke energije uključuju: aditivnost, invarijantnost u odnosu na rotaciju referentnog okvira i očuvanje.

Svojstvo kao što je aditivnost je kinetička energija mehaničkog sistema, koji se sastoji od materijalnih tačaka i biće jednak zbiru kinetičkih energija svih materijalnih tačaka koje su uključene u ovaj sistem.

Svojstvo invarijantnosti u odnosu na rotaciju referentnog sistema znači da kinetička energija ne zavisi od položaja tačke i smera njene brzine. Njegova ovisnost se proteže samo od modula ili od kvadrata njegove brzine.

Svojstvo očuvanja znači da se kinetička energija uopšte ne menja tokom interakcija koje menjaju samo mehaničke karakteristike sistema.

Ovo svojstvo je nepromijenjeno u odnosu na Galilejeve transformacije. Svojstva održanja kinetičke energije i drugi Newtonov zakon bit će sasvim dovoljni da se izvede matematička formula za kinetičku energiju.

Odnos kinetičke i unutrašnje energije

Ali postoji tako zanimljiva dilema kao što je činjenica da kinetička energija može zavisiti od pozicije sa koje se ovaj sistem posmatra. Ako, na primjer, uzmemo predmet koji se može promatrati samo pod mikroskopom, onda je kao cjelina ovo tijelo nepomično, iako postoji i unutrašnja energija. U takvim uslovima kinetička energija se javlja samo kada se ovo telo kreće kao jedna celina.

Isto tijelo, kada se posmatra na mikroskopskom nivou, ima unutrašnju energiju zbog kretanja atoma i molekula od kojih se sastoji. A apsolutna temperatura takvog tijela bit će proporcionalna prosječnoj kinetičkoj energiji takvog kretanja atoma i molekula.

Kakve veze s tim imaju “uslovi za pretvaranje jedne vrste energije u drugu” i “očuvanje zakona tokom vremena”?

Postoji takva Noetherova teorema. To je u matematici, čak ni u fizici, striktno govoreći. Ona kaže da ako određeni sistem jednačina ima neku vrstu simetrije, onda će postojati i nešto što se ne mijenja tokom transformacija u okviru te simetrije.

Pa, ako se nešto ne promijeni, onda je „spašeno“. Svi fizički “zakoni održanja” nečega posljedica su jedne ili druge simetrije fizičkih jednačina.

Zakon održanja energije samo je jedan od mnogih fizičkih zakona održanja, od kojih neke i znate (na primjer, zakon održanja količine gibanja, zakon održanja ugaone količine gibanja, zakon održanja električnog naboja). I svaki od zakona fizičkog održanja odražava jednu od simetrija fizičkih jednačina.

Na primjer, paralelni transport u prostoru ne mijenja fizičke zakone i oblik fizičkih jednačina koje odražavaju ove zakone. Posljedica ove činjenice je očuvanje impulsa bilo kojeg zatvorenog sistema. A da su se fizički zakoni i jednačine koje ih opisuju promijenili tokom takvog prijenosa, ne bismo sačuvali ukupni impuls.

Slična je situacija i sa prenosom vremena. Pošto se i sve dok se fizički zakoni ne mijenjaju tokom vremena, ukupna energija zatvorenog sistema se ne mijenja. Shodno tome, činjenica nepromjenjivosti fizičkih zakona „dopušta“ da se pojedine „vrste energije“ mijenjaju samo na način da se očuva ukupna (ukupna) energija zatvorenog sistema. Shodno tome, povećanje jedne vrste energije, htjeli-ne htjeli, UVIJEK je praćeno smanjenjem druge, tako da se količina ne mijenja. A ako ukupna energija zatvorenog sistema počne da se menja tokom vremena, onda su se fizički zakoni počeli menjati. Do sada takav fenomen nije registrovan, ali ko zna šta se, na primer, dogodilo u trenutku nastanka našeg Univerzuma? Ili šta će se dogoditi tokom milijardi godina.

Dakle, GLOBALNO očuvanje energije je sinonim (posljedica, ekvivalent) postojanosti fizičkih zakona u vremenu. Uvjet očuvanja je univerzalni korijenski uzrok prijelaza jedne "vrste energije" u drugu. Pošto se zbir ne menja, onda se uslovi mogu menjati samo na štetu jedni drugih. Pa, specifičniji fizički mehanizmi implementacije bit će različiti u različitim slučajevima.

Sa očuvanjem momenta i drugim zakonima očuvanja, potpuno je ista priča.

Jasno je da su elektroni i njihove komponente direktno uključeni u konverziju energije, ali šta se tačno dešava?

Atom ili grupa atoma u interakciji imaju određene energetske nivoe koji odgovaraju njihovom stabilnom stanju. Tačnije, ovi nivoi odgovaraju ne toliko stanju atoma ili atoma u cjelini, koliko stanju njegovih/njihovih elektrona.

Odakle potiču ovi nivoi energije i njihova odgovarajuća stanja? Stanja su stacionarna rješenja jednadžbi kvantne mehanike, a nivo energije je karakterističan broj (ili, ako želite, parametar sistema) na kojem se može naći stacionarno rješenje. Atom ili sistem atoma može imati bilo koju drugu energiju samo za vrlo kratko vrijeme (stanje nije stacionarno) i sigurno će preći u jedno od stacionarnih stanja.

Sada razmotrite situaciju u kojoj su 1) dva atoma bila udaljena jedan od drugog i 2) bili su vrlo blizu. U drugom slučaju, električna polja naelektrisanih jezgara će se preklapati. Elektroni u takvom zajedničkom polju će imati drugačija stacionarna stanja nego u situaciji dva atoma udaljena jedan od drugog. I druge države imaju druge (svoje) energije.

Sada uspoređujemo najniže vrijednosti stacionarnih nivoa energije u prvom i drugom slučaju. Ako je u drugom slučaju energija niža, tada je "korisno" da se atomi ujedine u molekulu i emituju višak energije (tada će emitirani foton odletjeti negdje daleko, ili, obrnuto, mnogo puta će stupiti u interakciju, ponovo emitiran sa drugim atomima i njegova energija će se pretvoriti u kinetičku energiju haotičnog kretanja atoma, odnosno u toplotu). Ovdje imate formiranje dvoatomske molekule sa oslobađanjem energije tokom hemijske reakcije.

U suprotnom slučaju, minimalna unutrašnja energija molekula je veća od zbira minimalnih energija dva atoma. Mogu li takvi atomi formirati molekule? Da, ako prvo odnekud dobiju razliku u energiji. Na primjer, jedan atom može imati ne najmanju moguću energiju, već višu. Zašto? Pa, apsorbovao je foton, ali nije imao vremena da ga emituje nazad. Ili se sudario sa drugim atomom i bio uzbuđen zbog energije sudara (kinetička energija toplotnog vida pretvorila se u unutrašnju energiju atoma i još nije emitovana). A budući da energija jednog od atoma nije minimalna, onda bi moglo biti "isplativo" stvoriti molekul i "pasti" na njegovu minimalnu energiju. Evo primjera kemijske reakcije s apsorpcijom energije: nešto pobuđuje atom trošeći njegovu energiju, i samo zbog toga atom je mogao reagirati sa svojim susjedom. A energija apsorbirana prije reakcije ostala je unutar molekula. Ova unutrašnja energija će se osloboditi tek nakon uništenja molekula.

I samo elektroni su uključeni u ovo?

Elektroni i električna polja jezgara sa kojima elektroni komuniciraju. Svaka hemijska reakcija je promena stanja elektronskih školjki.

Zašto jezgra nisu uključena? Jer su jezgra neuporedivo teža od elektrona. I Sunce će teško reagovati na približavanje ili udaljenost Zemlje - preteško je da bi se bilo primjetno trznulo zbog takve sitnice. Dakle, atomska jezgra ne obraćaju mnogo pažnje na ono što se dešava sa njihovim elektronima

Sama jezgra se također ne raspadaju zbog električnog polja elektrona. Unutrašnje sile koje drže kvarkove u jezgri neuporedivo su moćnije od električnih polja u atomu.

Iz tog razloga, kvantna mehanika rješava problem kontrole elektrona u polju jezgara, ali je ne zanima ponašanje jezgara u polju elektrona - ovo je tako mala korekcija da se ne može izmjeriti. Prema tome, sva hemija je ponašanje elektronskih ljuski u poljima jednog ili više jezgara. A kada je u pitanju ponašanje samog jezgra, nema vremena za hemiju.

Potencijalna i kinetička energija omogućavaju karakterizaciju stanja bilo kojeg tijela. Ako se prvi koristi u sistemima interakcijskih objekata, onda je drugi povezan s njihovim kretanjem. Ove vrste energije se obično razmatraju kada je sila koja povezuje tijela neovisna o putanji kretanja. U ovom slučaju bitne su samo njihove početne i krajnje pozicije.

Opće informacije i koncepti

Kinetička energija sistema je jedna od njegovih najvažnijih karakteristika. Fizičari razlikuju dvije vrste takve energije ovisno o vrsti kretanja:

Progressive;

Rotacije.

Kinetička energija (E k) je razlika između ukupne energije sistema i energije mirovanja. Na osnovu ovoga možemo reći da je uzrokovano kretanjem sistema. Telo ga ima samo kada se kreće. Kada objekt miruje, jednak je nuli. Kinetička energija bilo kojeg tijela ovisi isključivo o brzini kretanja i njihovoj masi. Ukupna energija sistema direktno zavisi od brzine njegovih objekata i udaljenosti između njih.

Osnovne formule

U slučaju kada bilo koja sila (F) djeluje na tijelo koje miruje tako da se ono pokreće, možemo govoriti o vršenju rada dA. U ovom slučaju, vrijednost ove energije dE će biti veća, što se više radi. U ovom slučaju vrijedi sljedeća jednakost: dA = dE.

Uzimajući u obzir put koji pređe tijelo (dR) i njegovu brzinu (dU), možemo koristiti Newtonov 2. zakon na osnovu kojeg je: F = (dU/dE)*m.

Gornji zakon se koristi samo kada postoji inercijalni referentni okvir. U proračunima se uzima u obzir još jedna važna nijansa. Na energetsku vrijednost utiče izbor sistema. Dakle, prema SI sistemu, mjeri se u džulima (J). Kinetičku energiju tijela karakterizira masa m, kao i brzina kretanja υ. U ovom slučaju, to će biti: E k = ((υ*υ)*m)/2.

Na osnovu gornje formule možemo zaključiti da je kinetička energija određena masom i brzinom. Drugim riječima, predstavlja funkciju kretanja tijela.

Energija u mehaničkom sistemu

Kinetička energija predstavlja mehanička energija sistemima. Zavisi od brzine kretanja njegovih tačaka. Ova energija bilo koje materijalne tačke je predstavljena sledećom formulom: E = 1/2mυ 2, gde je m masa tačke, a υ njena brzina.

Kinetička energija mehaničkog sistema je aritmetički zbir istih energija svih njegovih tačaka. Može se izraziti i sljedećom formulom: E k = 1/2Mυ c2 + Ec, gdje je υc brzina centra mase, M je masa sistema, Ec je kinetička energija sistema pri kretanju centar mase.

Čvrsta tjelesna energija

Kinetička energija tijela koje se kreće translatorno definira se kao ista energija tačke čija je masa jednaka masi cijelog tijela. Za izračunavanje indikatora prilikom kretanja koriste se složenije formule. Promjena ove energije sistema u trenutku njegovog kretanja iz jednog položaja u drugi nastaje pod utjecajem primijenjenih unutrašnjih i vanjskih sila. Jednaka je zbiru rada Aue i A"u ovih sila tokom ovog kretanja: E2 - E1 = ∑u Aue + ∑u A"u.

Ova jednakost odražava teoremu o promjeni kinetičke energije. Uz njegovu pomoć rješavaju se različiti mehanički problemi. Bez ove formule nemoguće je riješiti niz važnih problema.

Kinetička energija pri velikim brzinama

Ako je brzina tijela bliska brzini svjetlosti, kinetička energija materijalne točke može se izračunati pomoću sljedeće formule:

E = m0c2/√1-υ2/c2 - m0c2,

gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu, m0 je masa tačke, m0s2 je energija tačke. Pri maloj brzini (υ

Energija tokom rotacije sistema

Prilikom rotacije tijela oko ose, svaki njegov elementarni volumen s masom (mi) opisuje krug poluprečnika ri. U ovom trenutku zapremina ima linearnu brzinu υi. Pošto razmatramo čvrsto telo, ugaona brzina rotacija svih volumena će biti ista: ω = υ1/r1 = υ2/r2 = … = υn/rn (1).

Kinetička energija rotacije čvrstog tijela je zbir svih istih energija njegovih elementarnih zapremina: E = m1υ1 2/2 + miυi 2/2 + … + mnυn 2/2 (2).

Koristeći izraz (1), dobijamo formulu: E = Jz ω 2/2, gdje je Jz moment inercije tijela oko Z ose.

Kada se uporede sve formule, postaje jasno da je moment inercije mjera inercije tijela tokom rotaciono kretanje. Formula (2) je pogodna za objekte koji rotiraju oko fiksne ose.

Ravno kretanje tela

Kinetička energija tijela koje se kreće niz ravan je zbir energije rotacije i kretanje naprijed: E = mυc2/2 + Jz ω 2/2, gdje je m masa tijela u pokretu, Jz je moment inercije tijela oko ose, υc je brzina centra mase, ω je ugaona brzina .

Promjena energije u mehaničkom sistemu

Promjena vrijednosti kinetičke energije usko je povezana s potencijalnom energijom. Suština ovog fenomena može se shvatiti zahvaljujući zakonu održanja energije u sistemu. Zbir E + dP tokom kretanja tijela uvijek će biti isti. Promjena vrijednosti E uvijek se događa istovremeno sa promjenom dP. Tako se transformišu, kao da se prelivaju jedno u drugo. Ovaj fenomen se može naći u gotovo svim mehaničkim sistemima.

Međusobni odnos energija

Potencijalna i kinetička energija su usko povezane. Njihov zbir se može predstaviti kao ukupna energija sistema. Na molekularnom nivou jeste unutrašnja energija tijela. Ona je stalno prisutna sve dok postoji barem neka interakcija između tijela i toplinskog kretanja.

Odabir referentnog sistema

Za izračunavanje energetske vrijednosti bira se proizvoljni moment (smatra se početnim momentom) i referentni sistem. Tačnu vrijednost potencijalne energije moguće je odrediti samo u zoni djelovanja sila koje ne zavise od putanje tijela pri obavljanju rada. U fizici se ove sile nazivaju konzervativnim. Imaju stalnu vezu sa zakonom održanja energije.

Razlika između potencijalne i kinetičke energije

Ako je vanjski utjecaj minimalan ili smanjen na nulu, sistem koji se proučava uvijek će gravitirati ka stanju u kojem će i njegova potencijalna energija težiti nuli. Na primjer, izbačena lopta dostići će granicu ove energije u gornjoj tački svoje putanje i u istom trenutku početi padati. U tom trenutku energija akumulirana tokom leta pretvara se u kretanje (izvršeni rad). Za potencijalnu energiju, u svakom slučaju, postoji interakcija najmanje dva tijela (u primjeru s loptom na nju djeluje gravitacija planete). Kinetička energija se može izračunati pojedinačno za bilo koje tijelo koje se kreće.

Međusobni odnos različitih energija

Potencijalna i kinetička energija se mijenjaju isključivo tokom međudjelovanja tijela, kada sila koja djeluje na tijela radi, čija je vrijednost različita od nule. U zatvorenom sistemu, rad koji vrši sila gravitacije ili elastičnosti jednak je promjeni potencijalne energije objekata sa predznakom “-”: A = - (Ep2 - Ep1).

Rad koji vrši sila gravitacije ili elastičnosti jednak je promjeni energije: A = Ek2 - Ek1.

Iz poređenja obje jednakosti jasno je da je promjena energije objekata u zatvorenom sistemu jednaka promjeni potencijalne energije i suprotnog je predznaka: Ek2 - Ek1 = - (Ep2 - Ep1), ili inače: Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

Iz ove jednakosti je jasno da zbir ove dvije energije tijela u zatvorenom mehaničkom sistemu i uzajamnih sila elastičnosti i gravitacije uvijek ostaje konstantan. Na osnovu navedenog možemo zaključiti da u procesu proučavanja mehaničkog sistema treba razmotriti interakciju potencijalne i kinetičke energije.

Reč "energija" sa grčkog je prevedena kao "akcija". Energičnu osobu nazivamo koja se aktivno kreće, izvodeći mnogo različitih radnji.

Energija u fizici

I ako u životu čovjekovu energiju možemo procijeniti uglavnom po posljedicama njegovih aktivnosti, onda se u fizici energija može mjeriti i proučavati na mnogo različitih načina. Vaš veseli prijatelj ili komšija će najverovatnije odbiti da ponovi istu radnju trideset do pedeset puta kada vam odjednom padne na pamet da istražite fenomen njegove energije.

Ali u fizici, možete ponoviti gotovo svaki eksperiment koliko god puta želite, radeći istraživanje koje vam je potrebno. Tako je i sa proučavanjem energije. Naučnici su proučavali i označili mnoge vrste energije u fizici. To su električna, magnetna, atomska energija i tako dalje. Ali sada ćemo govoriti o mehaničkoj energiji. A tačnije o kinetičkoj i potencijalnoj energiji.

Kinetička i potencijalna energija

Mehanika proučava kretanje i interakciju tijela jedno s drugim. Stoga je uobičajeno razlikovati dvije vrste mehaničke energije: energiju uslijed kretanja tijela, ili kinetičku energiju, i energiju zbog interakcije tijela, odnosno potencijalnu energiju.

U fizici postoji opšte pravilo koje povezuje energiju i rad. Da bi se pronašla energija nekog tijela, potrebno je pronaći rad koji je neophodan da se tijelo prevede u dato stanje iz nule, odnosno u ono pri kojem je njegova energija nula.

Potencijalna energija

U fizici, potencijalna energija je energija koja je određena relativnim položajem tijela ili dijelova istog tijela u interakciji. Odnosno, ako je tijelo podignuto iznad tla, onda ima sposobnost da obavi neki rad dok pada.

A moguća vrijednost ovog rada bit će jednaka potencijalnoj energiji tijela na visini h. Za potencijalnu energiju formula se određuje prema sljedećoj shemi:

A=Fs=Ft*h=mgh, ili Ep=mgh,

gdje je Ep potencijalna energija tijela,
m tjelesne težine,
h je visina tijela iznad tla,
g ubrzanje slobodnog pada.

Štaviše, bilo koji položaj pogodan za nas može se uzeti kao nulti položaj tijela, ovisno o uvjetima eksperimenata i mjerenja koja se provode, a ne samo površine Zemlje. To može biti površina poda, stola i tako dalje.

Kinetička energija

U slučaju kada se telo kreće pod dejstvom sile, ono ne samo da može, već i obavlja neki posao. U fizici, kinetička energija je energija koju tijelo posjeduje zbog njegovog kretanja. Kada se tijelo kreće, ono troši energiju i obavlja rad. Za kinetičku energiju formula se izračunava na sljedeći način:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2, ili Ek = (mv^2) / 2,

gdje je Ek kinetička energija tijela,
m tjelesne težine,
v brzina tela.

Iz formule je jasno da što je veća masa i brzina tijela, to je veća njegova kinetička energija.

Svako tijelo ima ili kinetičku ili potencijalnu energiju, ili oboje odjednom, kao, na primjer, leteći avion.