Реферат: Кінетична і потенційна енергія

Термін "енергія" походить від слова energeia, яке вперше з'явилася в роботах Аристотеля.

Маркіза Емілі дю Шатле в книзі Уроки фізики (Institutions de Physique), опублікованій в 1740 році, об'єднала ідею Лейбніца з практичними спостереженнями Віллема Гравесена (Willem Jacob 's Gravesande), щоб показати: енергія рухається, пропорційна його масі і квадрату його швидкості (не швидкості самої по собі як вважав Ньютон).

У 1807 році Томас Юнг першим використав термін "енергія" в сучасному розумінні цього слова замість поняття жива сила. Гюстав Гаспар Коріоліса вперше використав термін "кінетична енергія" в 1829 році, а в 1853 році Вільям Ренкін вперше ввів поняття "потенційна енергія".

Кілька років велися суперечки, чи є енергія субстанцією (теплорода), або лише фізичною величиною.

Розвиток парових двигунів вимагало від інженерів розробити поняття і формули, які дозволили б їм описати механічний і термічний коефіцієнти корисної дії своїх систем. Інженери такі як Саді Карно, фізики такі як Джеймс Джоуль, математики такі як Еміль Клапейрон і Герман Гельмгольц - все розвивали ідею, що здатність здійснювати певні дії, звана роботою, була якось пов'язана з енергією системи. У 1850х роках, професор натурфілософії з Глазго Вільям Томсон та інженер Вільям Ренкін почали роботу по заміні застарілого мови механіки з такими поняттями як "кінетична і фактична (actual) енергії".

Вільям Томсон поєднав знання про енергію до законів термодинаміки, що сприяло стрімкому розвитку хімії. Рудольф Клаузіус, Джозайя Гіббс і Вальтер Нернст пояснили багато хімічні процеси, використовуючи закони термодинаміки. Розвиток термодинаміки було продовжено Клаузіусом, який ввів математично сформулював поняття ентропії, і Джозефом Стефаном, який ввів закон випромінювання абсолютно чорного тіла. У 1853 році Вільям Ренкін ввів поняття "потенційна енергія". У 1881 Вільям Томсон заявив перед слухачами:

Саме слово енергія, хоча і було вперше вжито в сучасному значенні доктором Томасом Юнгом приблизно на початку цього століття, тільки зараз входить до вживання практично після того, як теорія, яка дала визначення енергії,... розвинулася від просто формули математичної динаміки до принципу, що пронизує всю природу і направляє дослідника в галузі науки.

Приблизно протягом наступних тридцяти років ця нова наука мала кілька назв, наприклад динамічна теорія тепла (dynamical theory of heat) або енергетика (energetics). У 1920х роках загальноприйнятим став термін "Термодинаміка", наука про перетворення енергії. Особливості перетворення тепла і роботи були показані в перших двох законах термодинаміки. Наука про енергію розділилася на безліч різних областей, таких як біологічна термодинаміка і термоекономіка (thermoeconomics). Паралельно розвивалися пов'язані поняття, такі як ентропія, міра втрати корисної енергії, потужність, потік енергії за одиницю часу, і так далі. В останні два століття використання слова енергія в ненауковому сенсі широко поширилося в популярній літературі.

У 1918 було доведено, що закон збереження енергії є математичне наслідок трансляційної симетрії часу, величини сполученої енергії. Тобто енергія зберігається, тому що закони фізики не відрізняють різні моменти часу (див. Теорема Нетер, изотропия простору).

У 1961 році видатний викладач фізики і нобелівський лауреат, Річард Фейнман в лекціях так висловився про концепцію енергії:

Існує факт, або, якщо завгодно, закон, що керує всіма явищами природи, всім, що було відомо до сих пір. Винятків із цього закону не існує; наскільки ми знаємо, він абсолютно точний. Назва його - збереження енергії. Він стверджує, що існує певна величина, яка називається енергією, яка не змінюється ні за яких перетвореннях, що відбуваються в природі. Саме це твердження вельми і вельми відвернута. Це по суті математичний принцип, який стверджує, що існує деяка чисельна величина, яка не змінюється ні за яких обставин. Це аж ніяк не опис механізму явища або чогось конкретного, наголошується на тому дивну обставину, що можна підрахувати якесь число і потім спокійно стежити, як природа буде викидати будь-які свої трюки, а потім знову підрахувати це число - і воно залишиться тим самим.

III . Кінетична енергія

Кінетична енергія - енергія механічної системи, що залежить від швидкостей руху її точок. Часто виділяють кінетичну енергію поступального та обертального руху. Одиниця виміру в системі СІ - Джоуль.

Більш строго, кінетична енергія є різниця між повною енергією системи і її енергією спокою; таким чином, кінетична енергія - частина повної енергії, обумовлена рухом.

Рухоме тіло має кінетичної енергією. Кінетична енергія тіла дорівнює роботі всіх сил, під дією яких тіло розганяється зі стану спокою.

Кінетична енергія матеріальної точки:

K = m * v ^ 2/2

m - маса тіла

М - швидкість його центру мас

У загальному випадку, кінетична енергія тіла - фізична величина, зміна якої дорівнює роботі всіх діючих на тіло - внутрішніх і зовнішніх - сил:

Звідси випливає, що енергія вимірюється в тих же одиницях, що і робота, - в джоулях.

Визначення роботи як зміни кінетичної енергії рухомого тіла може бути використано й у тому випадку, коли діють на тіло сили непостійні. Крім того, воно дозволяє зрозуміти, чому при криволінійному русі з постійною за модулем швидкістю робота не здійснюється: при такому русі не змінюється кінетична енергія.

Спостереження показують, що за певних умов робота може бути здійснена будь-яким тілом. Наприклад, стисла або розтягнута пружина, діюча силою пружності на прикріплене до неї тіло, переміщує його і при цьому здійснює механічну роботу. Може здійснювати роботу і будь-яке рухоме тіло. Стикаючись з іншим тілом, воно діє на нього силою і може викликати переміщення цього тіла або його частин (деформацію). При цьому теж відбувається механічна робота.

Про тіла, які можуть здійснювати роботу, говорять, що вони мають енергію. Енергією називають скалярну фізичну величину, яка показує, яку роботу може зробити тіло. Енергія дорівнює тій максимальній роботі, яку тіло може зробити в даних умовах. Механічна робота є мірою зміни енергії в різних процесах. Тому енергію і роботу виражають в одних і тих же одиницях (в СІ - в джоулях). У більш загальному сенсі енергія - це єдина міра різних форм руху матерії, а також міра переходу руху матерії з однієї форми в іншу. Для характеристики конкретних форм руху матерії використовують поняття про відповідні види енергії: механічної, внутрішньої, електромагнітної і т.д. Механічна енергія є характеристикою руху та взаємодії тіл. Вона залежить від швидкостей і взаємного розташування тіл.

1. Співвідношення кінетичної і внутрішньої енергії.

Кінетична енергія залежить від того, з яких позицій розглядається система. Якщо розглядати макроскопічний об'єкт (наприклад, тверде тіло видимих розмірів), то тіло нерухомо як єдине ціле, і такі форми енергії, як тепло, розглядаються як внутрішня енергія. Кінетична енергія в цьому випадку з'являється лише тоді, коли тіло рухається як ціле. Те ж тіло, що розглядається з мікроскопічної точки зору, складається з атомів, молекул, і внутрішня теплова енергія обумовлена рухом атомів і молекул і розглядається як наслідок броунівського руху, а температура тіла відрізняється від кінетичної енергії такого руху лише на постійний коефіцієнт - постійну Больцмана характерістікой руху та взаємодії тіл. Вона залежить від швидкостей і взаємного розташування тіл.

2. " Постійна" Людвіга Больцмана.

Людвіг Больцман - один з творців молекулярно-кінетичної теорії газів, на якій грунтується сучасна картина взаємозв'язку між рухом атомів і молекул з одного боку і макроскопічними властивостями матерії, такими як температура і тиск, з іншого. У рамках такої картини тиск газу обумовлене пружними ударами молекул газу об стінки судини, а температура - швидкістю руху молекул (а точніше, їх кінетичної енергією). Чим швидше рухаються молекули, тим вища температура.

Постійна Больцмана дає можливість прямо зв'язати характеристики мікросвіту з характеристиками макросвіту - зокрема, з показаннями термометра. Ось ключова формула, що встановлює це співвідношення:

1/2 mv2 = kT