Energia și tipurile sale. Energia: energie potenţială şi cinetică Tipuri de energie cinetică

Energia este cea care face posibilă viața nu numai pe planeta noastră, ci și în Univers. Cu toate acestea, poate fi foarte diferit. Astfel, caldura, sunetul, lumina, electricitatea, cuptorul cu microunde, caloriile sunt diverse tipuri energie. Această substanță este necesară pentru toate procesele care au loc în jurul nostru. Orice lucru de pe Pământ primește cea mai mare parte a energiei sale de la Soare, dar există și alte surse. Soarele îl transmite planetei noastre cât ar produce 100 de milioane dintre cele mai puternice centrale electrice în același timp.

Ce este energia?

Teoria prezentată de Albert Einstein examinează relația dintre materie și energie. Acest mare om de știință a fost capabil să demonstreze capacitatea unei substanțe de a se transforma în alta. S-a dovedit că energia este cel mai important factor în existența corpurilor, iar materia este secundară.

Energia este, în mare, capacitatea de a face un fel de muncă. Ea este cea care stă în spatele conceptului de forță capabilă să miște un corp sau să-i dea noi proprietăți. Ce înseamnă termenul „energie”? Fizica este căreia și-au dedicat viața mulți oameni de știință din diferite epoci și țări. Aristotel a folosit și cuvântul „energie” pentru a desemna activitatea umană. Tradus din greacă, „energie” este „activitate”, „putere”, „acțiune”, „putere”. Prima dată când acest cuvânt a apărut a fost în tratatul unui om de știință grec numit „Fizică”.

În sensul general acceptat, acest termen a fost introdus în uz de un fizician englez. Acest eveniment semnificativ a avut loc în 1807. În anii 50 ai secolului XIX. Mecanicul englez William Thomson a folosit pentru prima dată conceptul de „energie cinetică”, iar în 1853 fizicianul scoțian William Rankine a introdus termenul de „energie potențială”.

Astăzi această mărime scalară este prezentă în toate ramurile fizicii. Este o singură măsură a diferitelor forme de mișcare și interacțiune a materiei. Cu alte cuvinte, reprezintă o măsură a transformării unei forme în alta.

Unități de măsură și simboluri

Cantitatea de energie este măsurată. Această unitate specială, în funcție de tipul de energie, poate avea denumiri diferite, de exemplu:

• W este energia totală a sistemului.
• Q - termică.
• U - potențial.

Tipuri de energie

În natură sunt multe diferite tipuri energie. Principalele sunt:

• mecanic;
• electromagnetic;
• electric;
• chimic;
• termic;
• nucleare (atomice).

Există și alte tipuri de energie: luminoasă, sonoră, magnetică. ÎN ultimii ani Un număr tot mai mare de fizicieni sunt înclinați către ipoteza existenței așa-numitei energii „întunecate”. Fiecare dintre tipurile enumerate anterior de această substanță are propriile sale caracteristici. De exemplu, energia sonoră poate fi transmisă folosind unde. Ele contribuie la vibrația timpanelor în urechile oamenilor și animalelor, datorită cărora sunetele pot fi auzite. Pe parcursul diverselor reactii chimice Este eliberată energia necesară vieții tuturor organismelor. Orice combustibil, alimente, baterii, baterii sunt o stocare a acestei energii.

Steaua noastră oferă Pământului energie sub formă de unde electromagnetice. Acesta este singurul mod în care poate depăși vastitatea Spațiului. Datorită tehnologii moderne, cum ar fi panourile solare, îl putem folosi cu cel mai mare efect. Excesul de energie neutilizată se acumulează în instalații speciale de stocare a energiei. Alături de tipurile de energie de mai sus, se folosesc adesea izvoarele termale, râurile, oceanele și biocombustibilii.

Energie mecanică

Acest tip de energie este studiat într-o ramură a fizicii numită „Mecanica”. Este desemnat prin litera E. Se măsoară în jouli (J). Ce este această energie? Fizica mecanică studiază mișcarea corpurilor și interacțiunea lor între ele sau cu câmpurile externe. În acest caz, energia datorată mișcării corpurilor se numește cinetică (notată cu Ek), iar energia datorată sau câmpurilor externe se numește potențial (Ep). Suma mișcării și interacțiunii reprezintă energia mecanică totală a sistemului.

Pentru a calcula ambele tipuri există regula generala. Pentru a determina cantitatea de energie, trebuie să calculăm munca necesară pentru a transfera corpul din starea zero în starea dată. Mai mult, cu cât mai multă muncă, cu atât mai multă energie va avea organismul într-o anumită stare.

Separarea speciilor în funcție de diferite caracteristici

Există mai multe tipuri de partajare a energiei. După diverse criterii, se împarte în: extern (cinetic și potențial) și intern (mecanic, termic, electromagnetic, nuclear, gravitațional). Energia electromagnetică, la rândul ei, este împărțită în magnetică și electrică, iar energia nucleară în energia interacțiunilor slabe și puternice.

Cinetică

Orice corp în mișcare se caracterizează prin prezența energiei cinetice. Este adesea numită forța motrice. Energia unui corp în mișcare se pierde atunci când încetinește. Astfel, cu cât viteza este mai mare, cu atât energia cinetică este mai mare.

Când un corp în mișcare intră în contact cu un obiect staționar, o parte cinetică este transferată acestuia din urmă, determinându-l să se miște. Formula energiei cinetice este următoarea:

• E k = mv 2: 2,
  unde m este masa corpului, v este viteza de mișcare a corpului.

În cuvinte, această formulă poate fi exprimată astfel: energia cinetică a unui obiect este egală cu jumătate din produsul masei sale cu pătratul vitezei sale.

Potenţial

Acest tip de energie este posedat de corpuri care se află într-un fel de câmp de forță. Astfel, magnetic apare atunci când un obiect este expus unui câmp magnetic. Toate corpurile de pe pământ au energie gravitațională potențială.

În funcție de proprietățile obiectelor de studiu, acestea pot avea diferite tipuri de energie potențială. Astfel, corpurile elastice și elastice care sunt capabile să se întindă au energie potențială de elasticitate sau tensiune. Orice corp în cădere care anterior era nemișcat își pierde potențialul și capătă cinetică. În acest caz, mărimea acestor două tipuri va fi echivalentă. În câmpul gravitațional al planetei noastre, formula energiei potențiale va avea următoarea formă:

• E p = mhg,
  unde m este greutatea corporală; h este înălțimea centrului de masă corporală deasupra nivelului zero; g - accelerație cădere liberă.

În cuvinte, această formulă poate fi exprimată astfel: energia potențială a unui obiect care interacționează cu Pământul este egală cu produsul masei sale, accelerația gravitației și înălțimea la care se află.

Această mărime scalară este o caracteristică a rezervei de energie a unui punct material (corp) situat într-un câmp de forță potențial și utilizat pentru a dobândi energie cinetică datorită muncii forțelor câmpului. Uneori se numește funcția de coordonate, care este un termen în Langrangian al sistemului (funcția Lagrange a sistemului dinamic). Acest sistem descrie interacțiunea lor.

Energia potențială este egală cu zero pentru o anumită configurație de corpuri situate în spațiu. Alegerea configurației este determinată de comoditatea calculelor ulterioare și se numește „normalizarea energiei potențiale”.

Legea conservării energiei

Una dintre cele mai de bază postulate ale fizicii este Legea conservării energiei. Potrivit lui, energia nu apare de nicăieri și nu dispare nicăieri. Se schimbă constant de la o formă la alta. Cu alte cuvinte, are loc doar o schimbare a energiei. De exemplu, energia chimică a bateriei unei lanterne este convertită în energie electrică, iar din aceasta în lumină și căldură. Diverse aparate electrocasnice transformă electricitatea în lumină, căldură sau sunet. Mai des rezultatul final schimbările sunt căldură și lumină. După aceasta, energia merge în spațiul înconjurător.

Legea energiei poate explica mulți oameni de știință care susțin că volumul total de energie din univers rămâne constant neschimbat. Nimeni nu poate crea din nou energie sau o poate distruge. Când produc unul dintre tipurile sale, oamenii folosesc energia combustibilului, a apei care cade și a unui atom. În acest caz, un tip de ea se transformă în altul.

În 1918, oamenii de știință au putut demonstra că legea conservării energiei este o consecință matematică a simetriei translaționale a timpului - valoarea energiei conjugate. Cu alte cuvinte, energia este conservată deoarece legile fizicii nu diferă în momente diferite.

Caracteristici energetice

Energia este capacitatea corpului de a lucra. În sistemele fizice închise, se păstrează pe tot parcursul timpului (atâta timp cât sistemul este închis) și reprezintă una dintre cele trei integrale aditive ale mișcării care își păstrează valoarea în timpul mișcării. Acestea includ: energie, moment Introducerea conceptului de „energie” este adecvată atunci când sistemul fizic este omogen în timp.

Energia internă a corpurilor

Este suma energiilor interacțiunilor moleculare și a mișcărilor termice ale moleculelor care o compun. Nu poate fi măsurat direct deoarece este o funcție unică a stării sistemului. Ori de câte ori un sistem se află într-o stare dată, energia sa internă are o valoare inerentă, indiferent de istoria existenței sistemului. Modificarea energiei interne în timpul tranziției de la o stare fizică la alta este întotdeauna egală cu diferența dintre valorile sale în starea finală și inițială.

Energia internă a gazului

Pe lângă solide, gazele au și energie. Reprezintă energia cinetică a mișcării termice (haotice) a particulelor sistemului, care includ atomi, molecule, electroni și nuclee. Energia internă a unui gaz ideal (un model matematic al unui gaz) este suma energiilor cinetice ale particulelor sale. În acest caz, se ia în considerare numărul de grade de libertate, care este numărul de variabile independente care determină poziția moleculei în spațiu.

În fiecare an omenirea consumă totul Mai mult resurse energetice. Cel mai adesea, hidrocarburile fosile precum cărbunele, petrolul și gazul sunt folosite pentru a obține energia necesară pentru iluminarea și încălzirea caselor noastre, funcționarea vehiculelor și diverse mecanisme. Ele se referă la

Din păcate, doar o mică parte din energia planetei noastre provine din resurse regenerabile precum apa, vântul și soarele. Astăzi, ponderea lor în sectorul energetic este de doar 5%. Oamenii primesc încă 3% sub formă de energie nucleară produsă la centralele nucleare.

Resursele neregenerabile au următoarele rezerve (în jouli):

• energie nucleară - 2 x 10 24;
• energia gazelor și petrolului - 2 x 10 23;
• căldura internă a planetei este de 5 x 10 20.

Valoarea anuală a resurselor regenerabile ale Pământului:

• energie solară - 2 x 10 24;
• vânt - 6 x 10 21;
• râuri - 6,5 x 10 19;
• mareele maritime - 2,5 x 10 23.

Numai cu o tranziție în timp util de la utilizarea rezervelor de energie neregenerabile ale Pământului la cele regenerabile, omenirea are șansa unei existențe lungi și fericite pe planeta noastră. Pentru a implementa dezvoltări avansate, oamenii de știință din întreaga lume continuă să studieze cu atenție diferitele proprietăți ale energiei.

Cuvântul „energie” este tradus din greacă ca „acțiune”. Numim o persoană energică care se mișcă activ, efectuând multe acțiuni diferite.

Energia în fizică

Și dacă în viață putem evalua energia unei persoane în principal prin consecințele activităților sale, atunci în fizică energia poate fi măsurată și studiată în multe moduri. în diverse moduri. Prietenul sau vecinul tău vesel va refuza, cel mai probabil, să repete aceeași acțiune de treizeci până la cincizeci de ori când ți se întâmplă brusc să investighezi fenomenul energiei lui.

Dar în fizică, puteți repeta aproape orice experiment de câte ori doriți, făcând cercetările de care aveți nevoie. Așa este și cu studiul energiei. Oamenii de știință au studiat și au etichetat multe tipuri de energie în fizică. Acestea sunt energie electrică, magnetică, atomică și așa mai departe. Dar acum vom vorbi despre energia mecanică. Și mai precis despre energia cinetică și potențială.

Energia cinetică și potențială

Mecanica studiază mișcarea și interacțiunea corpurilor între ele. Prin urmare, se obișnuiește să se facă distincția între două tipuri de energie mecanică: energia datorată mișcării corpurilor sau energie cinetică și energia datorată interacțiunii corpurilor sau energie potențială.

În fizică, există o regulă generală care conectează energia și munca. Pentru a găsi energia unui corp, este necesar să găsiți munca care este necesară pentru a transfera corpul într-o stare dată de la zero, adică una la care energia sa este zero.

Energia potențială

În fizică, energia potențială este energia care este determinată de poziția relativă a corpurilor sau părților aceluiași corp care interacționează. Adică, dacă un corp este ridicat deasupra solului, atunci are capacitatea de a lucra în timp ce cade.

Și valoarea posibilă a acestei lucrări va fi egală cu energia potențială a corpului la înălțimea h. Pentru energia potențială, formula este determinată conform următoarei scheme:

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

unde Ep este energia potențială a corpului,
m greutate corporală,
h este înălțimea corpului deasupra solului,
g accelerarea căderii libere.

Mai mult, orice poziție convenabilă pentru noi poate fi luată drept poziție zero a corpului, în funcție de condițiile experimentelor și măsurătorilor efectuate, nu doar de suprafața Pământului. Aceasta ar putea fi suprafața podelei, a mesei și așa mai departe.

Energia cinetică

În cazul în care un corp se mișcă sub influența forței, nu numai că poate, ci și lucrează. În fizică, energia cinetică este energia deținută de un corp datorită mișcării sale. Când un corp se mișcă, consumă energie și lucrează. Pentru energia cinetică formula se calculează după cum urmează:

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

unde Ek este energia cinetică a corpului,
m greutate corporală,
v viteza corpului.

Din formulă este clar că cu cât masa și viteza unui corp sunt mai mari, cu atât energia cinetică a acestuia este mai mare.

Fiecare corp are fie energie cinetică, fie energie potențială, sau ambele simultan, cum ar fi, de exemplu, un avion zburător.

>>Fizica clasa a X-a >>Fizica: Energia cinetica si schimbarea ei

Energia cinetică

Energia cinetică este energia pe care o are un corp datorită mișcării sale.

În termeni simpli, conceptul de energie cinetică ar trebui să însemne doar energia pe care o are un corp atunci când se mișcă. Dacă corpul este în repaus, adică nu se mișcă deloc, atunci energia cinetică va fi zero.

Energia cinetică este egală cu munca pe care trebuie să o cheltuiască pentru a aduce un corp dintr-o stare de repaus într-o stare de mișcare cu o anumită viteză.

Prin urmare, energia cinetică este diferența dintre energia totală a sistemului și energia sa de repaus. Cu alte cuvinte, energia cinetică va face parte din energia totală care se datorează mișcării.

Să încercăm să înțelegem conceptul de energie cinetică a unui corp. De exemplu, să luăm mișcarea unui disc pe gheață și să încercăm să înțelegem relația dintre cantitatea de energie cinetică și munca care trebuie făcută pentru a scoate discul din repaus și a-l pune în mișcare la o anumită viteză.

Exemplu

Un jucător de hochei care joacă pe gheață, lovind pucul cu bastonul, îi conferă viteză și energie cinetică. Imediat după ce a fost lovit cu bastonul, pucul începe să se miște foarte repede, dar treptat viteza sa încetinește și în cele din urmă se oprește complet. Aceasta înseamnă că scăderea vitezei a fost rezultatul forței de frecare care apare între suprafață și disc. Apoi forța de frecare va fi îndreptată împotriva mișcării și acțiunile acestei forțe sunt însoțite de mișcare. Corpul folosește energia mecanică disponibilă, efectuând lucru împotriva forței de frecare.

Din acest exemplu vedem că energia cinetică va fi energia pe care o primește un corp ca urmare a mișcării sale.

În consecință, energia cinetică a unui corp având o anumită masă se va deplasa cu o viteză egală cu munca ce trebuie efectuată de forța aplicată corpului în repaus pentru a-i conferi această viteză:

Energia cinetică este energia unui corp în mișcare, care este egală cu produsul masei corpului la pătratul vitezei sale, împărțit la jumătate.

Proprietățile energiei cinetice

Proprietățile energiei cinetice includ: aditivitatea, invarianța față de rotația cadrului de referință și conservarea.

O proprietate precum aditivitatea este energia cinetică a unui sistem mecanic, care este compus din puncte materiale și va fi egală cu suma energiilor cinetice ale tuturor punctelor materiale care sunt incluse în acest sistem.

Proprietatea invarianței în raport cu rotația sistemului de referință înseamnă că energia cinetică nu depinde de poziția punctului și de direcția vitezei acestuia. Dependența sa se extinde numai de la modul sau de la pătratul vitezei sale.

Proprietatea de conservare înseamnă că energia cinetică nu se modifică deloc în timpul interacțiunilor care modifică doar caracteristicile mecanice ale sistemului.

Această proprietate este neschimbată în raport cu transformările galileene. Proprietățile de conservare a energiei cinetice și a doua lege a lui Newton vor fi destul de suficiente pentru a deriva formula matematică a energiei cinetice.

Relația dintre energia cinetică și cea internă

Dar există o dilemă atât de interesantă precum faptul că energia cinetică poate depinde de poziția din care este privit acest sistem. Dacă, de exemplu, luăm un obiect care poate fi văzut doar la microscop, atunci, în ansamblu, acest corp este nemișcat, deși există și energie internă. În astfel de condiții, energia cinetică apare doar atunci când acest corp se mișcă ca un întreg.

Același corp, privit la nivel microscopic, are energie internă datorită mișcării atomilor și moleculelor din care constă. Iar temperatura absolută a unui astfel de corp va fi proporțională cu energia cinetică medie a unei astfel de mișcări a atomilor și moleculelor.

Energia este o mărime scalară. Unitatea de energie din SI este Joule.

Energia cinetică și potențială

Există două tipuri de energie - cinetică și potențială.

DEFINIŢIE

Energia cinetică- aceasta este energia pe care o posedă un corp datorită mișcării sale:

DEFINIŢIE

Energia potențială este energia care este determinată de poziția relativă a corpurilor, precum și de natura forțelor de interacțiune dintre aceste corpuri.

Energia potențială din câmpul gravitațional al Pământului este energia datorată interacțiunii gravitaționale a unui corp cu Pământul. Este determinată de poziția corpului față de Pământ și este egală cu munca de mutare a corpului dintr-o poziție dată la nivelul zero:

Energia potențială este energia cauzată de interacțiunea părților corpului între ele. Este egal cu munca forțelor externe în tensiune (compresie) a unui arc neformat cu valoarea:

Un corp poate poseda simultan atât energie cinetică, cât și energie potențială.

Energia mecanică totală a unui corp sau a unui sistem de corpuri este egală cu suma energiilor cinetice și potențiale ale corpului (sistem de corpuri):

Legea conservării energiei

Pentru un sistem închis de corpuri, legea conservării energiei este valabilă:

În cazul în care asupra unui corp (sau a unui sistem de corpuri) acţionează forţe externe, de exemplu, legea conservării energiei mecanice nu este îndeplinită. În acest caz, modificarea energiei mecanice totale a corpului (sistemul de corpuri) este egală cu forțele externe:

Legea conservării energiei ne permite să stabilim o relație cantitativă între diverse forme miscarea materiei. La fel ca și , este valabil nu numai pentru, ci și pentru toate fenomenele naturale. Legea conservării energiei spune că energia din natură nu poate fi distrusă, așa cum nu poate fi creată din nimic.

In cel mai mult vedere generală Legea conservării energiei poate fi formulată după cum urmează:

• Energia din natură nu dispare și nu este creată din nou, ci doar se transformă de la un tip la altul.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

EXEMPLUL 2