Kinetisk energi. Kinetisk energi og dens endring - Kunnskapshypermarked Intern energi av gass

>>Fysikk 10. klasse >>Fysikk: Kinetisk energi og dens endring

Kinetisk energi

Kinetisk energi er energien en kropp har på grunn av sin bevegelse.

Enkelt sagt bør begrepet kinetisk energi kun bety energien som en kropp har når den beveger seg. Hvis kroppen er i ro, det vil si ikke beveger seg i det hele tatt, vil den kinetiske energien være null.

Kinetisk energi tilsvarer arbeidet den må bruke for å bringe en kropp fra en hviletilstand til en bevegelsestilstand med en viss hastighet.

Derfor er kinetisk energi forskjellen mellom den totale energien til systemet og dets hvileenergi. Kinetisk energi vil med andre ord være en del av den totale energien som skyldes bevegelse.

La oss prøve å forstå konseptet med kinetisk energi til en kropp. La oss for eksempel ta bevegelsen til en puck på is og prøve å forstå sammenhengen mellom mengden kinetisk energi og arbeidet som må gjøres for å bringe pucken ut av hvile og sette den i bevegelse med en viss hastighet.

Eksempel

En hockeyspiller som spiller på isen, slår pucken med pinnen, gir den fart og kinetisk energi. Umiddelbart etter å ha blitt truffet med pinnen begynner pucken å bevege seg veldig raskt, men gradvis avtar hastigheten og til slutt stopper den helt. Dette betyr at nedgangen i hastighet var et resultat av friksjonskraften som oppsto mellom overflaten og pucken. Da vil friksjonskraften rettes mot bevegelsen og handlingene til denne kraften er ledsaget av bevegelse. Kroppen bruker den tilgjengelige mekaniske energien, og utfører arbeid mot friksjonskraften.

Fra dette eksemplet ser vi at kinetisk energi vil være energien som en kropp mottar som et resultat av sin bevegelse.

Følgelig vil den kinetiske energien til et legeme med en viss masse bevege seg med en hastighet lik arbeidet som må utføres av kraften som påføres kroppen i hvile for å gi den denne hastigheten:

Kinetisk energi er energien til et legeme i bevegelse, som er lik produktet av kroppens masse med kvadratet på hastigheten, delt i to.

Egenskaper til kinetisk energi

Egenskapene til kinetisk energi inkluderer: additivitet, invarians med hensyn til rotasjon av referanserammen og konservering.

En egenskap som additivitet er den kinetiske energien til et mekanisk system, som er sammensatt av materialpunkter og vil være lik summen av de kinetiske energiene til alle materialpunkter som inngår i dette systemet.

Egenskapen til invarians med hensyn til rotasjon av referansesystemet betyr at kinetisk energi ikke er avhengig av posisjonen til punktet og retningen til dets hastighet. Dens avhengighet strekker seg bare fra modulen eller fra kvadratet av hastigheten.

Bevaringsegenskapen betyr at den kinetiske energien ikke endres i det hele tatt under interaksjoner som endrer kun de mekaniske egenskapene til systemet.

Denne egenskapen er uendret med hensyn til galileiske transformasjoner. Egenskapene til bevaring av kinetisk energi og Newtons andre lov vil være ganske tilstrekkelige til å utlede den matematiske formelen for kinetisk energi.

Forholdet mellom kinetisk og indre energi

Men det er et så interessant dilemma som det faktum at kinetisk energi kan avhenge av posisjonen dette systemet ses fra. Hvis vi for eksempel tar et objekt som bare kan sees under et mikroskop, så er denne kroppen som helhet ubevegelig, selv om intern energi også eksisterer. Under slike forhold vises kinetisk energi bare når denne kroppen beveger seg som en enkelt helhet.

Den samme kroppen, når den ses på mikroskopisk nivå, har indre energi på grunn av bevegelsen til atomene og molekylene den består av. Og den absolutte temperaturen til en slik kropp vil være proporsjonal med den gjennomsnittlige kinetiske energien til en slik bevegelse av atomer og molekyler.

Hva har "betingelser for å konvertere en type energi til en annen" og "bevaring av lover over tid" med det å gjøre?

Det er et slikt teorem av Noether. Dette er i matematikk, ikke engang i fysikk, strengt tatt. Hun sier at hvis et bestemt ligningssystem har en eller annen form for symmetri, så vil det også være noe som ikke endres under transformasjoner innenfor rammen av denne symmetrien.

Vel, hvis noe ikke endres, er det "lagret". Alle fysiske "bevaringslover" for noe er en konsekvens av en eller annen symmetri av fysiske ligninger.

Loven om bevaring av energi er bare en av mange fysiske bevaringslover, noen av dem kjenner du også til (for eksempel loven om bevaring av momentum, loven om bevaring av vinkelmomentum, loven om bevaring av elektrisk ladning). Og hver av de fysiske bevaringslovene gjenspeiler en av symmetriene til fysiske ligninger.

For eksempel endrer ikke parallell transport i rommet de fysiske lovene og formen på fysiske ligninger som gjenspeiler disse lovene. En konsekvens av dette faktum er bevaring av momentum til ethvert lukket system. Og hvis de fysiske lovene og ligningene som beskriver dem endret seg under en slik overføring, ville vi ikke ha bevart det totale momentumet.

Situasjonen er lik med tidsoverføring. Siden og så lenge fysiske lover ikke endres over tid, endres ikke den totale energien til et lukket system. Følgelig "tillater" faktumet om fysiske lovers uforanderlighet individuelle "energityper" å endre seg bare på en slik måte at den totale (totale) energien til et lukket system bevares. Følgelig er en økning i en type energi, med vilje, ALLTID ledsaget av en reduksjon i en annen, slik at mengden ikke endres. Og hvis den totale energien til et lukket system begynner å endre seg over tid, så har fysiske lover begynt å endre seg. Så langt har et slikt fenomen ikke blitt registrert, men hvem vet hva som skjedde, for eksempel på tidspunktet for fremveksten av universet vårt? Eller hva som vil skje over milliarder av år.

Dermed er GLOBALT bevaring av energi et synonym (konsekvens, ekvivalent) av konstantheten til fysiske lover i tid. Bevaringsbetingelsen er den universelle grunnårsaken til overgangen av en "type energi" til en annen. Siden summen ikke endres, kan vilkårene kun endres på bekostning av hverandre. Vel, de mer spesifikke fysiske implementeringsmekanismene vil være forskjellige i forskjellige tilfeller.

Med bevaring av momentum og andre bevaringslover er det nøyaktig den samme historien.

Det er klart at elektroner og deres komponenter er direkte involvert i energikonvertering, men hva skjer egentlig?

Et atom eller en gruppe av interagerende atomer har visse energinivåer som tilsvarer deres stabile tilstand. Mer presist tilsvarer disse nivåene ikke så mye tilstanden til atomet eller atomene som helhet, men til tilstanden til elektronene deres.

Hvor kommer disse energinivåene og deres tilsvarende tilstander fra? Tilstander er stasjonære løsninger på kvantemekanikkens ligninger, og energinivået er et karakteristisk tall (eller, om du vil, en parameter for systemet) der en stasjonær løsning kan finnes. Et atom eller system av atomer kan ha hvilken som helst annen energi bare i svært kort tid (tilstanden er ikke stasjonær) og vil helt sikkert gå inn i en av de stasjonære tilstandene.

Tenk nå på en situasjon der 1) to atomer var langt fra hverandre og 2) de var veldig nære. I det andre tilfellet vil de elektriske feltene til ladede kjerner overlappe hverandre. Elektroner i et slikt fellesfelt vil ha andre stasjonære tilstander enn i situasjonen med to atomer langt fra hverandre. Og andre stater har andre (deres) energier.

Nå sammenligner vi de laveste verdiene av stasjonære energinivåer i det første og andre tilfellet. Hvis energien i sekundet er lavere, er det "gunstig" for atomene å forene seg til et molekyl og sende ut overskuddsenergien (da vil det utsendte fotonet fly et sted langt unna, eller omvendt, samhandle mange ganger, sendes ut på nytt med andre atomer og dens energi vil bli til den kinetiske energien til den kaotiske bevegelsen av atomer, det vil si til varme). Her har du dannelsen av et diatomisk molekyl med frigjøring av energi under en kjemisk reaksjon.

I motsatt tilfelle er den minste indre energien til molekylet høyere enn summen av minimumsenergiene til de to atomene. Kan slike atomer danne et molekyl? Ja, hvis de først får energiforskjell fra et sted. For eksempel kan ett atom ikke ha lavest mulig energi, men et høyere. Hvorfor? Vel, det absorberte et foton, men hadde ikke tid til å sende det tilbake. Eller det kolliderte med et annet atom og ble opphisset på grunn av energien fra kollisjonen (den kinetiske energien til termisk syn ble omgjort til atomets indre energi og har ennå ikke blitt sendt ut). Og siden energien til et av atomene ikke er minimal, kan det være "lønnsomt" å lage et molekyl og "falle" på minimumsenergien. Her er et eksempel på en kjemisk reaksjon med energiabsorpsjon: noe eksiterer et atom ved å bruke energi, og bare på grunn av dette var atomet i stand til å reagere med naboen. Og energien som ble absorbert før reaksjonen forble inne i molekylet. Denne indre energien frigjøres først etter ødeleggelsen av molekylet.

Og bare elektroner er involvert i dette?

Elektroner og elektriske felt i kjerner som elektroner samhandler med. Enhver kjemisk reaksjon er en endring i tilstanden til elektroniske skall.

Hvorfor er ikke kjernene involvert? Fordi kjerner er uforlignelig tyngre enn elektroner. Solen vil heller neppe reagere på jordens tilnærming eller avstand - den er for tung til å rykke noe merkbart på grunn av en slik bagatell. Så atomkjerner legger ikke særlig vekt på hva som skjer med elektronene deres

Selve kjernene faller heller ikke fra hverandre på grunn av elektronenes elektriske felt. De indre kreftene som holder kvarkene i kjernen er uforlignelig kraftigere enn de elektriske feltene i atomet.

Av denne grunn løser kvantemekanikk problemet med kontroll av elektroner i kjernefeltet, men er ikke interessert i oppførselen til kjerner i elektronfeltet - dette er en så liten korreksjon at den ikke kan måles. Følgelig er all kjemi oppførselen til elektronskall i feltene til en eller flere kjerner. Og når det gjelder oppførselen til selve kjernen, er det ikke tid til kjemi.

Potensiell og kinetisk energi gjør det mulig å karakterisere tilstanden til enhver kropp. Hvis den første brukes i systemer med samvirkende objekter, er den andre assosiert med deres bevegelse. Disse energitypene vurderes vanligvis når kraften som forbinder kroppene er uavhengig av bevegelsesbanen. I dette tilfellet er bare deres innledende og endelige posisjoner viktige.

Generell informasjon og konsepter

Den kinetiske energien til et system er en av dets viktigste egenskaper. Fysikere skiller to typer slik energi avhengig av bevegelsestypen:

Progressiv;

Rotasjoner.

Kinetisk energi (E k) er forskjellen mellom den totale energien til systemet og resten av energien. Basert på dette kan vi si at det er forårsaket av systemets bevegelse. Kroppen har det bare når den beveger seg. Når objektet er i ro, er det lik null. Den kinetiske energien til ethvert legeme avhenger utelukkende av bevegelseshastigheten og massene deres. Den totale energien til et system er direkte avhengig av hastigheten til objektene og avstanden mellom dem.

Grunnleggende formler

I tilfellet når en kraft (F) virker på en kropp i hvile slik at den kommer i bevegelse, kan vi snakke om å utføre arbeid dA. I dette tilfellet vil verdien av denne energien dE være høyere, jo mer arbeid som gjøres. I dette tilfellet er følgende likhet sann: dA = dE.

Tar vi hensyn til banen som kroppen (dR) og dens hastighet (dU) har gått i betraktning, kan vi bruke Newtons andre lov, basert på hvilken: F = (dU/dE)*m.

Loven ovenfor brukes bare når det er en treghetsreferanseramme. Det er en annen viktig nyanse tatt i betraktning i beregningene. Energiverdien påvirkes av valg av system. Så ifølge SI-systemet måles det i joule (J). Den kinetiske energien til en kropp er preget av massen m, samt bevegelseshastigheten υ. I dette tilfellet vil det være: E k = ((υ*υ)*m)/2.

Basert på formelen ovenfor kan vi konkludere med at kinetisk energi bestemmes av masse og hastighet. Med andre ord, det representerer en funksjon av kroppsbevegelse.

Energi i et mekanisk system

Kinetisk energi representerer mekanisk energi systemer. Det avhenger av bevegelseshastigheten til punktene. Denne energien til et hvilket som helst materialpunkt er representert ved følgende formel: E = 1/2mυ 2, der m er massen til punktet, og υ er dets hastighet.

Den kinetiske energien til et mekanisk system er den aritmetiske summen av de samme energiene av alle dets punkter. Det kan også uttrykkes med følgende formel: E k = 1/2Mυ c2 + Ec, der υc er hastigheten til massesenteret, M er massen til systemet, Ec er den kinetiske energien til systemet når man beveger seg rundt massesenteret.

Solid kroppsenergi

Den kinetiske energien til et legeme som beveger seg translasjonsmessig er definert som den samme energien til et punkt med en masse lik massen til hele kroppen. For å beregne indikatorer når du flytter, brukes mer komplekse formler. Endringen i denne energien til systemet i øyeblikket av dets bevegelse fra en posisjon til en annen skjer under påvirkning av påførte interne og eksterne krefter. Det er lik summen av arbeidet Aue og A"u av disse kreftene under denne bevegelsen: E2 - E1 = ∑u Aue + ∑u A"u.

Denne likheten reflekterer et teorem om endringen i kinetisk energi. Med dens hjelp løses en rekke mekaniske problemer. Uten denne formelen er det umulig å løse en rekke viktige problemer.

Kinetisk energi ved høye hastigheter

Hvis kroppens hastighet er nær lysets hastighet, kan den kinetiske energien til materialpunktet beregnes ved å bruke følgende formel:

E = m0c2/√1-υ2/c2 - m0c2,

hvor c er lysets hastighet i vakuum, m0 er punktets masse, m0с2 er punktets energi. Ved lav hastighet (υ

Energi under rotasjon av systemet

Under rotasjonen av et legeme rundt en akse beskriver hvert av dets elementære volumer med masse (mi) en sirkel med radius ri. I dette øyeblikket har volumet en lineær hastighet υi. Siden vi vurderer en solid kropp, vinkelhastighet rotasjon av alle volumer vil være den samme: ω = υ1/r1 = υ2/r2 = … = υn/rn (1).

Den kinetiske rotasjonsenergien til et fast legeme er summen av alle de samme energiene til dets elementære volumer: E = m1υ1 2/2 + miυi 2/2 + … + mnυn 2/2 (2).

Ved å bruke uttrykk (1) får vi formelen: E = Jz ω 2/2, hvor Jz er treghetsmomentet til kroppen rundt Z-aksen.

Når man sammenligner alle formler, blir det klart at treghetsmomentet er et mål på tregheten til en kropp under rotasjonsbevegelse. Formel (2) er egnet for objekter som roterer rundt en fast akse.

Flat kroppsbevegelse

Den kinetiske energien til en kropp som beveger seg nedover et plan er summen av rotasjonsenergi og bevegelse fremover: E = mυc2/2 + Jz ω 2/2, der m er massen til det bevegelige legemet, Jz er treghetsmomentet til legemet rundt aksen, υc er hastigheten til massesenteret, ω er vinkelhastigheten .

Energiendring i et mekanisk system

Endringen i verdien av kinetisk energi er nært knyttet til potensiell energi. Essensen av dette fenomenet kan forstås takket være loven om bevaring av energi i systemet. Summen av E + dP under kroppens bevegelse vil alltid være den samme. En endring i verdien av E skjer alltid samtidig med en endring i dP. Dermed forvandler de seg, som om de flyter inn i hverandre. Dette fenomenet kan finnes i nesten alle mekaniske systemer.

Sammenheng mellom energier

Potensielle og kinetiske energier er nært beslektet. Summen deres kan representeres som den totale energien til systemet. På molekylært nivå er det indre energi kropper. Den er konstant tilstede så lenge det i det minste er en viss interaksjon mellom kropper og termisk bevegelse.

Velge et referansesystem

For å beregne energiverdien velges et vilkårlig moment (det regnes som startmomentet) og et referansesystem. Det er mulig å bestemme den nøyaktige verdien av potensiell energi bare i sonen for påvirkning av krefter som ikke er avhengig av kroppens bane når du utfører arbeid. I fysikk kalles disse kreftene konservative. De har en konstant forbindelse med loven om bevaring av energi.

Forskjellen mellom potensiell og kinetisk energi

Hvis den ytre påvirkningen er minimal eller redusert til null, vil systemet som studeres alltid gravitere mot en tilstand der dets potensielle energi også vil ha en tendens til null. For eksempel vil en ball som kastes opp nå grensen for denne energien på toppen av banen og i samme øyeblikk begynne å falle ned. På dette tidspunktet omdannes energien som akkumuleres under flyturen til bevegelse (arbeid utført). For potensiell energi er det i alle fall en interaksjon av minst to kropper (i eksemplet med ballen påvirker planetens tyngdekraft den). Kinetisk energi kan beregnes individuelt for enhver bevegelig kropp.

Sammenheng mellom ulike energier

Potensiell og kinetisk energi endres utelukkende under samspillet mellom kropper, når kraften som virker på kroppene virker, hvis verdi er forskjellig fra null. I et lukket system er arbeidet utført av tyngdekraften eller elastisiteten lik endringen i den potensielle energien til objekter med tegnet "-": A = - (Ep2 - Ep1).

Arbeidet utført av tyngdekraften eller elastisiteten er lik endringen i energi: A = Ek2 - Ek1.

Fra en sammenligning av begge likhetene er det klart at endringen i energien til objekter i et lukket system er lik endringen i potensiell energi og er motsatt i fortegn: Ek2 - Ek1 = - (Ep2 - Ep1), eller på annen måte: Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

Fra denne likheten er det klart at summen av disse to energiene til legemer i et lukket mekanisk system og de samvirkende kreftene elastisitet og tyngdekraft alltid forblir konstant. Basert på ovenstående kan vi konkludere med at i prosessen med å studere et mekanisk system, bør samspillet mellom potensielle og kinetiske energier vurderes.

Ordet "energi" er oversatt fra gresk som "handling". Vi kaller en energisk person som beveger seg aktivt og utfører mange forskjellige handlinger.

Energi i fysikk

Og hvis vi i livet kan evaluere en persons energi hovedsakelig ut fra konsekvensene av hans aktiviteter, kan energi i fysikk måles og studeres på mange forskjellige måter. Din blide venn eller nabo vil mest sannsynlig nekte å gjenta den samme handlingen tretti til femti ganger når det plutselig faller deg inn å undersøke fenomenet hans energi.

Men i fysikk kan du gjenta nesten alle eksperimenter så mange ganger du vil, og gjøre den forskningen du trenger. Slik er det med studiet av energi. Forskere har studert og merket mange typer energi i fysikk. Disse er elektrisk, magnetisk, atomenergi og så videre. Men nå skal vi snakke om mekanisk energi. Og mer spesifikt om kinetisk og potensiell energi.

Kinetisk og potensiell energi

Mekanikk studerer bevegelse og samspill mellom kropper med hverandre. Derfor er det vanlig å skille mellom to typer mekanisk energi: energi på grunn av bevegelser av kropper, eller kinetisk energi, og energi på grunn av vekselvirkning mellom kropper, eller potensiell energi.

I fysikk er det en generell regel som forbinder energi og arbeid. For å finne energien til en kropp, er det nødvendig å finne arbeidet som er nødvendig for å overføre kroppen til en gitt tilstand fra null, det vil si en der energien er null.

Potensiell energi

I fysikk er potensiell energi energien som bestemmes av den relative posisjonen til samvirkende kropper eller deler av samme kropp. Det vil si at hvis en kropp er hevet over bakken, har den evnen til å gjøre noe arbeid mens den faller.

Og den mulige verdien av dette arbeidet vil være lik den potensielle energien til kroppen i høyden h. For potensiell energi bestemmes formelen i henhold til følgende skjema:

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

hvor Ep er den potensielle energien til kroppen,
m kroppsvekt,
h er høyden på kroppen over bakken,
g akselerasjon av fritt fall.

Dessuten kan enhver posisjon som er praktisk for oss tas som nullposisjonen til kroppen, avhengig av betingelsene for eksperimentene og målingene som utføres, ikke bare jordens overflate. Dette kan være overflaten på gulvet, bordet og så videre.

Kinetisk energi

I tilfelle når en kropp beveger seg under påvirkning av makt, kan den ikke bare, men også gjøre noe arbeid. I fysikk er kinetisk energi energien som en kropp besitter på grunn av dens bevegelse. Når en kropp beveger seg, bruker den energi og fungerer. For kinetisk energi beregnes formelen som følger:

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

hvor Ek er den kinetiske energien til kroppen,
m kroppsvekt,
v kroppshastighet.

Fra formelen er det klart at jo større masse og hastighet et legeme har, desto høyere kinetisk energi.

Hver kropp har enten kinetisk eller potensiell energi, eller begge deler på en gang, som for eksempel et flygende fly.