Потенциальная энергия — урок. Физика, 7 класс.

Энергия характеризует способность тела совершать работу. Натянутая тетива лука, сжатая пружина, поднятый с земли камень, сжатый газ при определённых условиях могут совершать работу.

Потенциальной энергией обладают: 
 

1. Тела, поднятые над поверхностью земли (например, камень при падении с высоты образует на земле воронку).
 

2. Упруго деформированные тела (например, человек натягивает тетиву лука и выпускает стрелу).
 

3. Сжатые газы (расстояние между молекулами газа уменьшается, и увеличивается сила отталкивания между ними).
 

Слово «потенциальный»  (potentia) на греческом языке означает «возможность».

Огромной потенциальной энергией обладают воды водопада. Потенциальная энергия воды совпадает с работой силы притяжения Земли.

Потенциальная энергия накапливается в водах рек. Сила притяжения Земли производит работу, заставляя реки течь в более низко расположенное место — в море. Человек научился полезно использовать потенциальную энергию рек. В древние времена строили водяные мельницы, а с \(20\) века — гидроэлектростанции (ГЭС).

Гидроэлектростанция в Итайпу, находящаяся на границе между Бразилией и Парагваем на реке Парана, на сегодня является крупнейшим действующим сооружением такого рода в мире. У её плотины (через которую протекает вода) имеются шлюзы, состоящие из \(14\) ворот, через которые за секунду проходит \(62200\) кубометров воды.

Потенциальную энергию тела, поднятого над опорой на высоту \(h\), рассчитывают по формуле:

Epot=mgh , где m — масса тела, а g — ускорение свободного падения у поверхности Земли.

Потенциальную энергию тела измеряют относительно некоторого условного уровня отсчёта, чаще всего относительно поверхности Земли. В таком случае принимают, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю.

Обрати внимание!

Тело одновременно может обладать и потенциальной, и кинетической энергией, и они могут переходить одна в другую.

Человек, качающийся на качелях, обладает максимальной потенциальной энергией в наивысшей точке подъёма, в этой точке качели на мгновение замирают и, значит, в этот момент кинетическая энергия человека равна нулю.

При движении из состояния \(1\) в состояние \(2\), потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая растёт (так как высота тела над уровнем земли уменьшается, а скорость движения тела возрастает).

Когда человек находится в самой нижней точке траектории движения \(2\), кинетическая энергия является наибольшей, так как в этот его момент скорость самая высокая. При движении из состояния \(2\) в состояние \(3\), увеличивается потенциальная энергия (так как увеличивается высота подъёма тела), а кинетическая энергия уменьшается (так как скорость движения тела уменьшается).

В замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии в любой момент времени остаётся неизменной.

Сумма потенциальной и кинетической энергии тела называется полной механической энергией тела.

Привязанный отвес на высоте \(h\) обладает максимальной потенциальной энергией, а кинетическая энергия (энергия движения) в это время равна \(0\).

Когда верёвку перерезают, отвес начинает свободно падать, высота уменьшается, а скорость увеличивается (с ускорением \(g\)), соответственно, потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая энергия возрастает.

В каждый момент времени, до момента соударения, сумма потенциальной и кинетической энергии отвеса одинакова.

В момент соударения энергия отвеса не исчезает, она передаётся другому телу — гвоздю, который под воздействием этой энергии начинает движение, уходя глубже в брус. Некоторая часть энергии преобразуется во внутреннюю — тепловую энергию (так как отвес при соударении нагревается).

Любое тело обладает внутренней энергией, которая не связана с движением тела.

Внутреннюю энергию образует движение атомов и молекул тела.

Например, в результате удара частички начинают двигаться интенсивнее — это проявляется в виде нагрева тела. При сжатии пружины изменяется потенциальная энергия частиц.

Натянутая резинка обладает потенциальной энергией, причиной этого является взаимное притяжение молекул.

Закон сохранения энергии:

энергия не исчезает и не возникает снова, она только преобразуется из одного вида энергии в другой вид энергии или переходит от одного тела к другому.

Полная энергия тела — это сумма его механической и внутренней энергии.

Внутренняя энергия — О’Пять пО физике!

Согласно MKT
все вещества состоят из частиц, которые находятся в непрерывном тепловом
движении и взаимодействуют друг с другом. Поэтому, даже если тело неподвижно и
имеет нулевую потенциальную энергию, оно обладает энергией (внутренней
энергией), представляющей собой суммарную энергию движения и взаимодействия
микрочастиц, составляющих тело. В состав внутренней энергии входят:

1. кинетическая энергия
   поступательного, вращательного и колебательного движения молекул;
2. потенциальная энергия
   взаимодействия атомов и молекул;
3. внутриатомная и внутриядерная
   энергии.

В
термодинамике рассматриваются процессы при температурах, при которых не
возбуждается колебательное движение атомов в молекулах, т.е. при температурах,
не превышающих 1000 К. В этих процессах изменяются только первые две
составляющие внутренней энергии. Поэтому под внутренней энергией в термодинамике понимают сумму кинетической
энергии всех молекул и атомов тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Внутренняя
энергия тела определяет его тепловое состояние и изменяется при переходе из
одного состояния в другое. В данном состоянии тело обладает вполне определенной
внутренней энергией, не зависящей от того, в результате какого процесса оно
перешло в данное состояние. Поэтому внутреннюю энергию очень часто называют функцией
состояния тела.

Внутренняя
энергия — величина, характеризующая термодинамическое состояние тела. Каждое
тело состоит из частиц, которые постоянно движутся и взаимодействуют друг с
другом. Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии движения
частиц вещества и потенциальной  энергии их взаимодействия.

Числом степени свободы называется число независимых
переменных, определяющих положение тела в пространстве и обозначается i.

Как
видно, положение материальной точки (одноатомной молекулы) задаётся тремя
координатами, поэтому она имеет три степени свободы:  i
= 3

Внутренняя энергия зависит от температуры. Если изменяется температура, значит изменяется внутренняя энергия.

Изменение внутренней энергии           

   Для решения практических вопросов существенную роль играет не сама внутренняя энергия, а ее изменение ΔU = U2 — U1. Изменение же внутренней энергии рассчитывают, исходя из законов сохранения энергии.
Внутренняя энергия тела может изменяться двумя способами:

1.   При совершении механической
работы.

а) Если
внешняя сила вызывает деформацию тела, то при этом изменяются расстояния между
частицами, из которых оно состоит, а следовательно, изменяется потенциальная
энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того,
изменяется температура тела, т.е. изменяется кинетическая энергия теплового
движения частиц. Но при деформации тела совершается работа, которая и является
мерой изменения внутренней энергии тела.

б)
Внутренняя энергия тела изменяется также при его неупругом соударении с другим
телом. Как мы видели раньше, при неупругом соударении тел их кинетическая
энергия уменьшается, она превращается во внутреннюю (например, если ударить
несколько раз молотком по проволоке, лежащей на наковальне, — проволока
нагреется). Мерой изменения кинетической энергии тела является, согласно
теореме о кинетической энергии, работа действующих сил. Эта работа может
служить и мерой изменения внутренней энергии.

в) Изменение
внутренней энергии тела происходит под действием силы трения, поскольку, как
известно из опыта, трение всегда сопровождается изменением температуры трущихся
тел. Работа силы трения может служить мерой изменения внутренней энергии.

  2. При помощи теплообмена.
Например, если тело поместить в пламя горелки, его температура изменится,
следовательно, изменится и его внутренняя энергия. Однако никакая работа здесь
не совершалась, ибо не происходило видимого перемещения ни самого тела, ни его
частей.

Изменение
внутренней энергии системы без совершения работы называется теплообменом
(теплопередачей).

Существует
три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и излучение.

а) Теплопроводностью
называется процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их
непосредственном контакте, обусловленный тепловым хаотическим движением частиц
тела. Амплитуда колебаний молекул твердого тела тем больше, чем выше его
температура. Теплопроводность газов обусловлена обменом энергией между
молекулами газа при их столкновениях. В случае жидкостей работают оба
механизма. Теплопроводность вещества максимальна в твердом и минимальна в
газообразном состоянии.

б) Конвекция
представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних
участков занимаемого ими объема в другие.

в)
Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством
электромагнитных волн.

Проверяем усвоение материала:

1. Найдите внутреннюю энергию 2 кг водорода при температуре 200 °С.

А) 6,1 кДж; Б) 6,1 МДж; В) 610 000 Дж.

2. Найдите внутреннюю энергию 5 м³ гелия при давлении 10⁵ Па.

А) 7,5 МДж; Б) 7,5 кДж; В) 750 000 Дж.

3. Сравните внутреннюю энергию 32 г кислорода и 2 г водорода при температуре 23 °С.

А) U_О > U_Н; Б) U_О < U_Н ; В) U_О = U_Н.

4. Сравните внутреннюю энергию 1 моля кислорода и 1 моля аргона при одной и той же температуре.

А) U_О > U_Ar; Б) U_О < U_Ar; В) U_О = U_Ar.

5. От каких величин зависит внутренняя энергия газа?

А) только от Т; Б) только от V; В) от Т и V.

Тренажер 1

Тренажер 2

Тренажер 3

Тренажер 4

Тренажер 5

Внутренняя энергия тела

Что такое внутренняя энергия тела

Любое тело или предмет обладают энергией. Например, летящий самолет или падающий шар обладают механической энергией. В зависимости от взаимодействия с внешними телами различают два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией обладают все предметы, которые тем или иным способом движутся в пространстве. Это самолет, птица, летящий в ворота мяч, перемещающийся автомобиль и др. Вторым видом механической энергии является потенциальная. Этой энергией обладают, например, поднятый камень или мяч над поверхностью земли, сжатая пружина и т.п. При этом кинетическая энергия тела может переходить в потенциальную и наоборот.

Самолеты, вертолет и дирижабль обладают кинетической энергией

Сжатая пружина обладает потенциальной энергией

Рассмотрим пример. Тренер поднимает мяч и держит его в руках. При этом мяч обладает потенциальной энергией. Когда тренер бросает мяч на землю, то у него появляется кинетическая энергия, пока он летит. После того, как мяч отскакивает,  также происходит перетекание энергии до тех пор, пока мяч не будет лежать на поле. В этом случае и кинетическая и потенциальная энергии равны нулю. Но у мяча при этом повысилась внутренняя энергия молекул из-за взаимодействия с полем.

Но существует еще внутренняя энергия молекул тела, например, того же мяча. Пока мы его перемещаем или поднимаем, внутренняя энергия не изменяется. Внутренняя энергия не зависит от механического воздействия или движения, а зависит только от температуры, агрегатного состояния и других особенностей.

В каждом теле имеется множество молекул, они могут обладать как кинетической энергией движения, так и потенциальной энергией взаимодействия. При этом внутренняя энергия является суммой энергий всех молекул тела.

Как изменить внутреннюю энергию тела

Внутренняя энергия зависит от скорости движения молекул в теле. Чем быстрее они движутся, тем выше энергия тела. Обычно это происходит при нагревании тела. Если же мы его охлаждаем, то происходит обратный процесс  — внутренняя энергия уменьшается.

Если мы нагреваем кастрюлю при помощи огня (плиты), то мы совершаем над этим предметом работу и, соответственно, изменяем его внутреннюю энергию.

Внутреннюю энергию можно изменить двумя основными способами. Совершая работу над телом, мы увеличиваем его внутреннюю энергию и наоборот, если тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Вторым способом изменения внутренней энергии является процесс теплопередачи. Обратите внимание, что во втором варианте над телом не совершается работы. Так, например, нагревается стул зимой, стоящий рядом возле горячей батареи. Теплопередача всегда происходит от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой.

Таким образом, зимой нагревается воздух от батарей. Проведем небольшой эксперимент, который можно выполнить в домашних условиях. Наберите стакан горячей воды и поставьте его в чашу или контейнер с холодной. Через время температура воды в обоих сосудах станет одинаковой. Это и является процессом теплопередачи, то есть изменения внутренней энергии без совершения работы. Существует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.

Внутренняя энергия | Физика

В механике различают два вида энергии: кинетическую и потенциальную. Но когда говорят об этих видах энергии, то обычно приводят примеры крупных, заметных глазу тел: движущегося поезда, летящего футбольного мяча, поднятого камня. Привыкнув связывать представление об энергии с подобными примерами, довольно трудно бывает перейти к явлениям в мире микрочастиц. Однако движение происходит и во внутреннем мире тела. Так, еще М. В. Ломоносов писал: «Нельзя также отрицать движение там, где глаз его не видит. Кто будет отрицать, что движутся листья и ветви в лесу при сильном ветре, хотя издали он не заметит никакого движения. Как здесь из-за отдаленности, так и в горячих телах, вследствие малости частичек вещества, движение скрывается от взоров.»

А вот выдержка из трудов известного английского физика и химика Роберта Бойля: «Когда кузнец поспешно выковывает гвоздь или какую-нибудь вещь из железа, металл при этом необыкновенно сильно нагревается, и так как здесь, кроме сильных ударов молотка, ничего особенного не происходит, то эти удары приводят частицы железа в движение; железо, будучи предварительно холодным, делается теплым благодаря внутренним движениям частиц». И дальше: «При вколачивании гвоздя в дерево шляпка его только после большого числа ударов молотка немного нагревается. Но когда гвоздь вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку. Действительно, в первом случае каждый удар молотка вгоняет гвоздь в дерево, производя, таким образом, поступательное движение всего гвоздя по известному направлению. Во втором случае, когда движение гвоздя прекратилось, эти удары, не будучи способны ни к тому, чтобы дальше вгонять гвоздь, ни к тому, чтобы разбить его на части, идут только на то, чтобы приводить в движение частицы гвоздя, а это движение и составляет сущность теплоты.»

Молекулы находятся в движении, т. е. обладают кинетической энергией. Между молекулами действуют силы взаимного притяжения и отталкивания; молекулы обладают и потенциальной энергией. Подсчитать энергию этого беспорядочного движения огромного множества частиц, а тем более учесть потенциальную энергию каждой из них и всех в целом невозможно, однако ясно, что все эти внутренние движения и внутренние силы слагаются в какую-то общую сумму, с которой мы и связываем понятие внутренней энергии тела. Внутренней энергией тела называют, таким образом, сумму кинетической и потенциальной энергии его частиц. Измерить можно лишь изменение внутренней энергии, а не всю энергию тела.

Изменение внутренней энергии происходит, например, при нагревании тела. При этом энергия передается от горячего тела холодному.

Другой пример изменения внутренней энергии — изменение агрегатного состояния вещества. При плавлении (отвердевании) и испарении (конденсации) температура тела не изменяется. Температура льда во время плавления остается 0°C и в том случае, когда сосуд со льдом стоит на горячей плите; вода при нормальном атмосферном давлении кипит при 100°C, и эта температура во время кипения не изменяется. Поскольку температура тела не изменилась, следовательно, не изменилась и кинетическая энергия молекул льда и воды. Подводимая к ним извне энергия превратилась во внутреннюю потенциальную энергию, зависящую от расположения молекул и расстояния между ними.

Изменить состояние вещества можно и без затраты теплоты. Укрепите на столе использованный ружейный патрон, налейте в него воды и закупорьте пробкой (рис. 113). Обмотав патрон несколько раз веревкой, начинайте тянуть веревку за концы то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время вода в патроне нагреется, закипит и пар выбросит пробку. В этом примере была затрачена механическая энергия.

В том, что вода обладает большей энергией, чем лед, их которого она образовалась, а пар — большей энергией по сравнению с водой, легко убедиться, определив количество энергии, выделяющейся в процессе затвердевания тела или конденсации пара. Если взять воду при 0°С и пытаться ее охлаждать, то можно заметить, что температура ее меняться не будет, пока вся вода не превратится в лед. Количество энергии, выделяющейся при отвердевании, или, как говорят, количество теплоты, равно 385 Дж на 1 г.

При конденсации 1 г пара при 100°C выделяется количество теплоты, равное 2555 Дж. Теплота, выделяемая при конденсации, играет огромную роль в природе. Когда атмосферный воздух насыщен парами, то при небольшом понижении температуры легко образуется роса и выделяющаяся при этом теплота парообразования, равна 2555 кДж/кг, предохраняет воздух от дальнейшего охлаждения.

Понятие энергии относится всегда к системе тел или частиц тела. Нельзя считать, что потенциальной энергией может обладать какое-нибудь одно тело или одна частица без связи с другими телами и с другими частицами. Нельзя говорить о потенциальной энергии камня безотносительно к Земле. Неверно также полагать, что летящий мяч или снаряд обладает кинетической энергией сам по себе, а не по отношению к какому-нибудь телу. При всяком изменении формы или объема тела изменяется внутренняя энергия тела. Если при этом не изменяется температура (кинетическая энергия частиц), то изменяется потенциальная энергия частиц тела. Обычно одновременно изменяются и кинетическая, и потенциальная энергия частиц тела.

Потенциальная энергия частиц тела изменяется не только при плавлении и парообразовании, но и при раскалывании твердого тела и измельчении в порошок. Затраченная энергия расходуется на разрыв связей между молекулами, т. е. энергия передается ограниченному числу молекул.

Некоторое сходство с этим можно усмотреть в растяжении упругой пружины: энергия, затраченная на преодоление упругих сил, преобразуется в потенциальную энергию частиц растянутой пружины. Точно так же и разъединенные частицы измельченного тела обладают большей потенциальной энергией.

Энергия частиц измельченного тела используется в технике в ряде явлений, объединяемых общим названием «сорбция». Разорванные внутренние связи создают так называемое «силовое поле поверхности». За счет энергии этого поля происходит активация угля, улавливание таких дорогих растворителей, как ацетон, эфир, процесс флотации (обогащение руд).

Вот несколько вопросов для самопроверки.

1. Во время падения камня с некоторой высоты на землю общая сумма потенциальной и кинетической энергии в любой точке пути остается постоянной. Куда девалась эта энергия, когда камень оказался на земле?
2. Шар, наполненный водородом, поднялся на некоторую высоту и там сгорел. Откуда берется энергия для подъема шара и куда она девается в случае его сгорания?
3. Кусок цинка подвешен на нити в стакане с серной кислотой. Через некоторое время цинк растворился. Куда делась его потенциальная энергия?

В заключение посоветуем прочитать в книге «Занимательная механика» Я. Перельмана статью об «энергии растворенной пружины» — она поможет вам разобраться в поставленных вопросах.

Конечно, энергия сгоревшего шара, растворенного цинка, растворенной пружины не могла исчезнуть. Но где она?

Богданов К.Ю. — учебник по физике для 10 класса

§ 28. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА.
ФОРМУЛА ДЛЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА.

Внутренней энергией тела называют сумму кинетической
энергии теплового движения его атомов и молекул и потенциальной энергии их
взаимодействия между собой.

Во многих случаях
механическая энергия тела, являющаяся суммой его кинетической и потенциальной
энергии (см. §17), изменяется. Например, мяч, катящийся по полю, замедляется, а
сосулька, упавшая с крыши, разбивается о землю и превращается в несколько неподвижных осколков. Когда мяч катится по полю,
он преодолевает силу трения, совершая работу, в результате чего его
кинетическая энергия уменьшается на величину совершённой работы, а вместе с ней
– и скорость. Работа против силы трения приводит к различным деформациям вдоль
траектории мяча, его нагреву, а также к нагреву всего того, чего он касался при
движении. Механическая энергия ударившейся о землю сосульки частично расходуется
на работу, необходимую для того, чтобы расколоть ее на куски,  а остальная часть энергии тратится на деформацию
этих осколков и участка земли, на который они упали. Ну, а если эти осколки
скользили по земле прежде, чем остановиться, то часть механической энергии
превратилась и в тепло.

Так как энергия не может
исчезать или возникать из неоткуда, то
уменьшение механической энергии движущегося мяча и падающей сосульки означает,
что механическая энергия переходит в какой-то другой вид энергии, зависящий от
внутреннего состояния тела – его температуры, энергии связи между его частями и
т. п. Этот вид энергии тела называют его внутренней энергией.

Внутренняя энергия тела
увеличивается при нагреве, так как с ростом температуры кинетическая энергия
молекул тоже растёт. Вторым слагаемым внутренней энергии является потенциальная
энергия связей между частицами тела, т.к. эти частицы притягиваются друг к
другу, чем и обеспечивается его целостность (рис. 28). Поэтому, внутреннюю энергию
тела можно изменить, если сжать, растянуть или даже раздробить его, совершая,
таким образом, работу над телом.

Однако внутренняя энергия
тела зависит не только от его температуры, действующих на него сил и степени
раздробленности. При плавлении, затвердевании, конденсации и испарении, т.е.
при изменении агрегатного состояния тела, потенциальная энергия связи
между его атомами и молекулами тоже изменяется, а значит, изменяется и его
внутренняя энергия. Кроме того, внутренняя энергия может изменяться, когда
вещество, из которого состоит тело, вступает в химическую (или ядерную)
реакцию, в результате чего химическая структура вещества (или структура
атомного ядра) изменяется и его внутренняя энергия – тоже.

Очевидно, что внутренняя
энергия тела должна быть пропорциональна его объёму и равна сумме кинетической
и потенциальной энергии всех молекул и атомов, из которых состоит это тело. К
сожалению, для большинства веществ величины кинетической и потенциальной
энергии молекул неизвестны, и поэтому вычислить значение внутренней энергии
соответствующих тел не представляется возможным. В то же время, идеальный газ
устроен очень просто и состоит из молекул, не взаимодействующих между собой, а
значит, потенциальная энергия из взаимодействия равна нулю. Поэтому внутренняя
энергия идеального газа равна кинетической энергии теплового движения его
атомов или молекул и может быть вычислена довольно просто следующим образом.

Пусть газ одноатомный,
т.е. состоит из отдельных атомов, а не молекул, например, любой из инертных
газов. Тогда кинетическая энергия атомов этого газа равна кинетической энергии
их поступательного движения, так как вращательное
отсутствует. Поэтому для вычисления внутренней энергии, U одноатомного газа массы m необходимо умножить среднюю
кинетическую энергию, Е_СР его атома (см. 23.6) на общее
количество, N атомов в газе (см. 19.1 и 19.2):

Как следует из (28.1),
внутренняя энергия идеального газа прямо пропорциональна его абсолютной
температуре и не зависит от других макроскопических параметров газа – его
давления и объёма. Таким образом, сжимая газ в изотермических условиях, мы не
изменяем его внутренней энергии.       

Вопросы для
повторения:

·       
Дайте определение внутренней энергии тела?

·       
Как внутренняя энергия зависит от агрегатного состояния и
температуры?

·       
Как зависит внутренняя энергия идеального газа от его
температуры, давления и объёма.

Рис. 28.
Схематическое изображение внутренней энергии воды в стакане, состоящей из кинетической
энергии движения её молекул (верх) и потенциальной энергии из взаимодействия
(низ).

Энергия внутри нас

Способ 1

Теплопередача. Примеров процесса теплопередачи множество — нагревание чайника на плите, оконного подоконника в солнечный день и т.п. Однако никакая работа здесь не совершается.

Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей (или теплообменом). Существует три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.

Теплопроводность — это процесс теплообмена между телами (или частями тела) при их непосредственном контакте. Теплопроводность вещества зависит от его агрегатного состояния, пористости и других качеств. Ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы, так как она обладает плохой теплопроводностью. Мех животных из-за плохой теплопроводности предохраняет их от охлаждения зимой и перегрева летом.

Конвекция представляет собой теплопередачу нагретыми потоками жидкости или газа от одних участков занимаемого ими объёма в другие. Конвекция невозможна в твёрдых телах. Примеры проявления конвекции: циркуляция воздуха в отапливаемой комнате, центральное водяное отопление, ветры, морские течения и т. д.

Теплообмен при излучении осуществляется на расстоянии посредством электромагнитных волн, которые излучает любое нагретое тело. Так, вся энергия, получаемая Землёй от Солнца, передается путём лучеиспускания. Тепло от костра передаётся человеку путём излучения энергии, так как теплопроводность воздуха мала, а конвекционные потоки направлены вверх.

Способ 2

Механическая работа. Изменение внутренней энергии тела происходит под действием силы трения. Как мы поступаем, когда зимой на улице замерзают руки? Мы трём их, то есть совершаем работу над руками и они нагреваются, а значит, увеличивается их внутренняя энергия.

Внутренняя энергия тела может измениться, если тело деформировать. Например, ударить, надавить, сжать, скрутить, растянуть и т. д. При этом изменяются расстояния между частицами, из которых оно состоит, следовательно, изменяется потенциальная энергия взаимодействия частиц. При неупругих деформациях, кроме того, изменяется температура тела, то есть изменяется скорость отдельных частей тела (следовательно, и кинетическая энергия движения частиц). Например, если кусок алюминиевой проволоки быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место нагреется. 

Закон сохранения механической энергии — определение и формулы

Энергия: что это такое

Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим 😂), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

Смотреть на мир через формулы и физические процессы — гораздо увлекательнее! А еще так проще разобраться со сложной контрольной и подтянуть оценки по физике.

Приходиться учиться в современном формате в онлайн-школу Skysmart. Подростков ждут интерактивные задания, карта личного прогресса и домашка, в которую хочется «залипать».

Кинетическая энергия

Еще разок: кинетическая энергия — это энергия действия. Величина, которая очевиднее всего характеризует действие — это скорость. Соответственно, в формуле кинетической энергии точно должна присутствовать скорость.

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия.2.

Решение:

Формула потенциальной энергии Еп = mgh

Выразим высоту:

h = Eп/mg

Переведем 637 кДж в Джоули.

637 кДж = 637000 Дж

Подставляем значения

h = 637 000/(65 * 9,8) = 1000 м

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Задачка три

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E1 и E2. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Решение:

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

По условию задачи

m1 = m

h2 = 2h

m2 = 2m

h3 = h

Таким образом, получим, что

E1 = m*g*2h = 2 mgh,

а E2 = 2mgh,

то есть E1 = E2.

Ответ: E1 = E2.

Закон сохранения энергии

В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

Задачка раз

Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли.2)/2 = gh

Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

Ответ: высота увеличится в 4 раза

Задачка два

Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v0, поднялось на максимальную высоту h0. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

Решение

По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Емех = Еп = mgh0.

Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Емех = mgh0.2)/2 = 1,6 Дж

h = E/mg = 1,6/0,1*10 = 1,6 м

Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

Переход механической энергии во внутреннюю

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

Задачка

Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

Решение:

В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Емех = Ек.

В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Емех/2 = Ек/2

Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Еполн = Емех/2 + Евнутр

Емех = Емех/2 + Евнутр

Емех/2 = Евнутр

Евнутр = Ек/2

Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

Вот что сформулировал Фурье:

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие без участия внешних сил тепловые процессы необратимы.

Дальше Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

Математически его можно описать так:

Данное равенство называется уравнением теплового баланса. В реальных опытах обычно получается, что отданное более нагретым телом количество теплоты больше количества теплоты, полученного менее нагретым телом:

Это объясняется тем, что некоторое количество теплоты при теплообмене передаётся окружающему воздуху, а ещё часть — сосуду, в котором происходит теплообмен.

Чтобы разобраться в задачках, читайте нашу статью про агрегатные состояния вещества. А лучше — сразу приходите практиковаться на уроки физики в современную школу Skysmart. Никаких скучных заданий! Вместо этого — захватывающие примеры из жизни, вдохновение и поддержка внимательных учителей.

Запишитесь на бесплатный вводный урок: определим уровень знаний и составим индивидуальную программу обучения.

Задачка раз

Сколько граммов спирта нужно сжечь в спиртовке, чтобы нагреть на ней воду массой 580 г на 80 °С, если учесть, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.7Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°С).

Решение:

При нагревании тело получает количество теплоты

Q = cmΔt ,

где c — удельная теплоемкость вещества

При сгорании тела выделяется энергия

Qсгор = q*mсгор,

где q — удельная теплота сгорания топлива

По условию задачи нам известно, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

То есть:

Q = 0,2 * Qсгор

cmΔt =0,2 * qmсгор

mсгор = cmΔt / 0,2 q

Ответ: масса сгоревшего топливаа равна 33,6 г.

Задачка два

Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг*℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3*10^5 Дж/кг.5 * 0,5 = 165000 Дж

Таким образом:

Q = Qнагрев + Qпл = 10500 + 165000 = 175500 Дж = 175,5 кДж

Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.

Внутренняя энергия — Chemistry LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Уравнения изменения внутренней энергии
2. Краткие заметки
3. Внешние ссылки
4. Авторы и атрибуты

Внутренняя энергия системы отождествляется со случайным, неупорядоченным движением молекул; полная (внутренняя) энергия в системе включает потенциальную и кинетическую энергию.Это контрастирует с внешней энергией, которая является функцией образца по отношению к внешней среде (например, кинетическая энергия, если образец движется, или потенциальная энергия, если образец находится на высоте от земли и т. Д.). Символ изменения внутренней энергии — \ (ΔU \).

Энергия в меньшем масштабе

• Внутренняя энергия включает энергию в микроскопическом масштабе
• Это сумма всех микроскопических энергий, таких как:
  1. поступательная кинетическая энергия
  2. колебательная и вращательная кинетическая энергия
  3. потенциальная энергия от межмолекулярных сил

Уравнения изменения внутренней энергии

Первый закон термодинамики

ΔU = q + w

, где q — тепло, а w — работа

Изолированная система не может обмениваться теплом или работать с окружающей средой, делая изменение внутренней энергии равным нулю.

ΔU _{изолированная система} = 0

Энергия сохраняется

ΔU _{система} = -ΔU _{окружение}

Признаки внутренней энергии

• Энергия , входящая в , система имеет значение ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ (+) , что означает, что тепло поглощено , q> 0 .Таким образом, работа выполняется в системе , w> 0
• Энергия , выходящая из , система имеет ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ (-) , что означает, что тепло отдается системой, q <0 и работа выполняется системой, w <0
• Начиная с Δ U _{изолирована система} = 0, ΔU _{система} = -ΔU _{окружающая среда} и сохраняется энергия .

Краткие заметки

• Система содержит ТОЛЬКО внутреннюю энергию
• система НЕ содержит энергии в виде тепла или работы
• Тепло и работа существуют только при изменении системы
• Внутренняя энергия — функция состояния

Внешние ссылки

• Левин Ира Н.«Термодинамическая внутренняя энергия идеального газа жестких роторов». J. Chem. Educ. 1985 : 62, 53.

Авторы и авторство

Первый закон термодинамики

Термодинамика — это раздел физики
который имеет дело с энергией и работой системы.
Термодинамика занимается только
крупномасштабный ответ
системы, которую мы можем наблюдать
и измерять в экспериментах. Маломасштабные газовые взаимодействия
описывается кинетической теорией газов.Есть три основных
законы термодинамики, которые описаны на отдельных слайдах. Каждый
закон приводит к определению
термодинамические свойства
которые помогают нам понять и спрогнозировать работу физического
система. Мы представим несколько простых примеров этих законов и
свойства для множества физических систем, хотя
нас больше всего интересует термодинамика
двигательные установки
а также
высокоскоростные потоки.
К счастью, многие из
Классические примеры термодинамики включают газовую динамику.

По нашим наблюдениям за проделанной работой,
или газом, мы обнаружили, что объем работы зависит не только
от начального и конечного состояний газа
но также и в процессе или пути, который производит конечное состояние.
Точно так же количества тепла, переданного в, или
от газа также зависит от начального и конечного состояний и
процесс , который производит конечное состояние. Многие наблюдения реальных
газов показали, что разница теплового потока в газ
а работа, проделанная газом, зависит только от начального и конечного
состояния газа и не зависит от процесса или пути
который производит конечное состояние.Это говорит о существовании
дополнительная переменная, называемая внутренней энергией газа,
который зависит только от состояния газа, а не от какого-либо процесса.
Внутренняя энергия — это переменная состояния, как и температура или
давление. Первый закон термодинамики определяет внутреннюю
энергия (E) равна разности теплопередачи (Q) в
система и работа (W), выполненная на систему.

E2 — E1 = Q — W

Мы подчеркнули
слова «в» и «по» в определении.Отвод тепла из системы
будет присвоен отрицательный знак в уравнении. Аналогично работаем
Сделанному в системе присваивается отрицательный знак.

Внутренняя энергия — это просто форма энергии, подобная потенциальной
энергия объекта на некоторой высоте над землей, или кинетическая
энергия движущегося объекта. Точно так же и потенциальная энергия
может быть преобразован в кинетическую энергию при сохранении полной энергии
системы, внутренняя энергия термодинамической системы может быть
преобразуется либо в кинетическую, либо в потенциальную энергию.Как потенциал
энергия, внутренняя энергия может храниться в системе.
Обратите внимание, однако, что тепло и
работы не могут храниться или сохраняться независимо, поскольку они зависят от
о процессе. Первый закон термодинамики допускает многие
возможные состояния системы, но только определенные состояния
обнаружено, что существует в природе. В
второй закон
термодинамики помогает
объясните это наблюдение.

Если система полностью изолирована от внешней среды, она
возможно изменение состояния, при котором тепло не передается в
система.Ученые называют процесс, в котором нет тепла.
перенос как адиабатический процесс .
Реализация
первого закона термодинамики для газов вводит еще один
полезная переменная состояния, называемая энтальпией
который описан на отдельной странице.

Экскурсии с гидом

• Термодинамика:

Деятельность:

Связанные сайты:
Rocket Index
Rocket Home
Руководство для начинающих Домашняя страница

термодинамика — Тепловая энергия vs.внутренняя энергия?

Я сегодня много думал о том же. Это единственное логическое определение тепла / тепловой энергии, которое я смог получить.

Внутренняя энергия хорошо определена математически (как сумма кинетической и потенциальной энергий частиц, составляющих систему). Выполненная работа математически четко определена. Но тепло, третий член в уравнении 1-го закона, четко не определено.

Итак, мы можем использовать 1-й закон для математического определения «тепла».

1-й закон термодинамики гласит, что для любой термодинамической системы верно следующее:

дельта E (int) = Q — W

[E (int) = внутренняя энергия системы, Q = тепло, W = работа, выполняемая газом над окружающей средой]

Пусть
Вт (вкл.)
быть работой, проделанной над термодинамической системой ее окружением.

Итак, ясно,
Вт (вкл.) = — Вт

Первый закон теперь можно записать как —

дельта E (внутр.) = Q + W (вкл.)

Внутренняя энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц, составляющих термодинамическую систему.

Итак, дельта E (int) = дельта K (sys) + дельта U (sys)

Также, Вт (вкл.) = Дельта K (sys)

[«sys» означает рассматриваемую термодинамическую систему]

Первый закон теперь подразумевает —

дельта K (sys) + дельта U (sys) = Q + дельта K (sys)

подразумевает- Q = дельта U (sys)

Итак, тепло — это не что иное, как изменение потенциальной энергии термодинамической системы.

Тепло — это изменение тепловой энергии.

Итак, тепловая энергия — это чистая потенциальная энергия системы.

, а внутренняя энергия — это чистая потенциальная энергия + чистая кинетическая энергия системы.

Итак, в этом разница.

p.s — У меня были правильные формулы, написанные математическими символами с помощью www.codecogs.com. Не понимаю, почему сработал спам-фильтр. Пришлось их удалить.

термодинамика — Что в моем учебнике подразумевается под «потенциальной энергией» при определении внутренней энергии системы?

термодинамика — Что в моем учебнике подразумевается под «потенциальной энергией» при определении внутренней энергии системы? — Обмен физическими стеками

Сеть обмена стеков

Сеть Stack Exchange состоит из 177 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0

3. +0

6. Авторизоваться
   Зарегистрироваться

Physics Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для активных исследователей, ученых и студентов-физиков.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил
8 месяцев назад

Просмотрено
102 раза

$ \ begingroup $

Напомним, что тепловая энергия — это внутренняя энергия, состоящая из
кинетическая и потенциальная энергии, связанные со случайными движениями
атомы, молекулы и другие микроскопические тела внутри объекта.)

Я думал, что внутренняя энергия $ Q-W $ зависит только от температуры (без учета фазовых переходов) и что потенциальная энергия / энергии диссоциации связей не имеют отношения к термодинамике. Они полезны в химии / QM. Возможно, в моем учебнике имелась в виду потенциальная гравитационная энергия. Кто-нибудь знает такое раньше?

Мой учебник — Основы физики Халлидея

Qmechanic ♦

148k2828 золотых знаков355355 серебряных знаков17581758 бронзовых знаков

Создан 11 сен.

поперек

24411 серебряный знак77 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

2

$ \ begingroup $

Для одноатомных газов единственной формой внутренней энергии является поступательная i.е. кинетическая энергия атомов. Однако для молекул мы также можем иметь вращательную и колебательную энергию, а также поступательную энергию.

Каждая активная вращательная мода получает $ \ tfrac12 kT $ энергии, как и каждая поступательная мода. Однако каждая активная колебательная мода получает $ kT $ энергии, потому что мы получаем $ \ tfrac12 kT $, связанный с кинетической энергией колебательного движения, и другую $ \ tfrac12 kT $, связанную с потенциальной энергией колебательного движения. Я предполагаю, что Халлидей имеет в виду это.

Создан 11 сен.

Джон РенниДжон Ренни

313k9898 золотых знаков651651 серебряный знак916916 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

1

$ \ begingroup $

Потенциальная энергия не имеет значения только в том случае, если система включает идеальный газ, поскольку в идеальном газе атомы не взаимодействуют друг с другом или в идеальном газе нет межмолекулярных сил, и я думаю, вы запутались между поведением идеального газа и реальным газом. газовое поведение.

В реальном газе между молекулами действуют межмолекулярные силы, т.е. сила, обусловленная электронами и протонами, и небольшая сила, обусловленная массами. Поскольку они взаимодействуют друг с другом, у них тоже есть потенциальная энергия.

Надеюсь, это поможет 🙂.

Создан 11 сен.

Анкит

5,71911 золотой знак1414 серебряных знаков4848 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

1

Physics Stack Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь с тем, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой использования файлов cookie.

Принимать все файлы cookie

Настроить параметры

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследовать
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT

Меню ↓

Поиск

Меню

Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще!

Что вы ищете?

Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Внутренняя энергия — Энергетическое образование

Фигура 1.Стакан воды обманчиво спокоен; внутренне это масса высокоскоростных частиц и прочных химических и ядерных связей. ^[1]

Внутренняя энергия [математика] (U) [/ математика] — это микроскопическая энергия, содержащаяся в веществе, определяемая случайной, неупорядоченной кинетической энергией молекул. Кроме того, он включает потенциальную энергию между этими молекулами и ядерную энергию, содержащуюся в атомах этих молекул. ^[2] Внутренняя энергия и тепловая энергия очень похожи в основном термодинамическом контексте.Однако они различаются, потому что внутренняя энергия охватывает гораздо больше, чем просто среднюю кинетическую энергию молекул. Это различие важно, потому что потенциальные энергии между молекулами и атомами важны для понимания фазовых превращений, химических реакций, ядерных реакций и многих других микроскопических явлений.

Все объекты в космосе обладают макроскопической и микроскопической энергией. Хотя они очень похожи по концепции, главное различие состоит в том, что микроскопическая энергия не видна.Например, стакан воды на столе не имеет видимой макроскопической энергии, но в микроскопическом масштабе это масса высокоскоростных молекул, движущихся со скоростью сотни метров в секунду. ^[3]

Первый закон термодинамики гласит, что внутренняя энергия может быть изменена в системе, выполняя над ней работу, добавляя / удаляя из нее тепло, или их комбинацию. Если система изолирована, ей запрещено взаимодействовать с окружающей средой, что означает, что внутренняя энергия не может измениться.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ flyupmike, Pixabay [Online], Доступно: http://pixabay.com/p-475451/?no_redirect[Оценено: 13 июля 2018 г.]
2. ↑ Randall Knight, Physics for Scientists and Engineers, 3rd Ed. Нью-Йорк: Пирсон, 2013, гл. 17, стр. 470.
3. ↑ Hyperphysics, Internal energy [Online], доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/inteng.html

Energy — потенциальная кинетическая и внутренняя энергия

Что такое энергия?

Энергия определяется как способность выполнять работу.Энергия передается от одного объекта к другому в разных формах. Это свойство вещества, благодаря которому объект может выполнять работу. единица энергии —

джоуль.

В мире существуют разные формы энергии, но следующие два типа энергии являются основными в любой системе.

1. Накопленная энергия

2. Транзитная энергия или энергия в переходной форме

1. Накопленная энергия

Накопленная энергия определяется как вещество, которое ограничено в пределах границ системы.Потенциальная энергия, кинетическая энергия, внутренняя энергия, химическая энергия, ядерная энергия являются примером накопленной энергии, а также термодинамическим свойством.

2. Транзитная энергия

Это форма энергии, которая способна пересекать границы системы. Примером транзитной энергии является тепло, работа, электрическая энергия.

Теперь мы собираемся обсудить три типа накопленной энергии.

1. Потенциальная энергия

2. Кинетическая энергия

3. Внутренняя энергия

1.Потенциальная энергия

Энергия, которой обладает тело в силу своего положения, называется его потенциальной энергией и определяется следующим уравнением:

Лет,

W = Вес тела
м = Масса тела
z = Расстояние, на которое тело падает,
г = Аккреция под действием силы тяжести = 9,81 м / с ²

∴ Потенциальная энергия,

Если можно отметить, что,

a) Когда W выражается в ньютонах, а z — в метрах, тогда потенциальная энергия будет в Н-м.

b) Когда m выражено в кг, а z — в метрах, тогда потенциальная энергия также будет в Нм, тогда

Потенциальная энергия,

2. Кинетическая энергия

Энергия, которой обладает тело в силу своей движение называется его кинетической энергией и задается следующим уравнением:

Лет,

m = масса тела
V = скорость тела

Если m выражено в кг, а V — в м / с, кинетическая энергия будет в Н-м,

Мы знаем, что кинетическая энергия,

3.