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Was ist kinetische Energie?

Kinetische Energie oder Bewegungsenergie ist eine Energieform, die ein Körper aufgrund der Trägheit der Masse in Bewegung hat. In nicht-relativistischen Bezugssystemen ist die kinetische Energie direkt proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit. Es ist dasselbe wie die Arbeit, die getan werden muss, um den Körper aus dem Ruhezustand in den Zustand zu bringen, in dem er sich befindet.

Was ist kinetische Energie?

In der klassischen Mechanik machen wir folgende Überlegungen:

  • Ein Körper mit der Masse m, der sich mit einer Geschwindigkeit v bewegt, hat eine kinetische Energie Ec = (m · v 2 ) / 2.
  • Wenn sich der Körper auch um den Massenschwerpunkt dreht, hat er infolge dieser Drehung kinetische Energie. Ec = (I · w 2 ) / 2. In der obigen Gleichung ist I die Trägheit des Körpers und w ist die Winkelgeschwindigkeit.
  • Bei einer allgemeinen Bewegung ist der König-Satz anwendbar, und die gesamte kinetische Energie ist die Summe der kinetischen Energien beider Bewegungen.

Energieumwandlung

Die gesamte kinetische Energie eines Systems kann sich beispielsweise ändern, wenn sie in oder aus potentieller Energie umgewandelt wird, indem chemische Energie in einem Verbrennungsmotor, einschließlich eines Raketenmotors, umgewandelt wird und indem ein Projektil abgefeuert wird, sowie durch Wärme oder Energie. thermisch, im Falle von Reibung oder Kollision.

Die Geschwindigkeit und damit auch die kinetische Energie hängt vom gewählten Trägheitssystem ab. Die gesamte kinetische Energie eines Systems ist geringer, wenn der Schwerpunkt dieses Systems in Ruhe ist. In anderen Fällen wird die kinetische Energie, die der Bewegung der Gesamtmasse entspricht, zur Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts addiert.

Die Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts eines geschlossenen Systems bleibt aufgrund des Erhaltungsgesetzes des Moments konstant. Änderungen der gesamten kinetischen Energie des Systems wie in den vorherigen Beispielen hängen daher nicht vom Trägheitsrahmen ab, sondern von den Änderungen in den Teilen des Systems.

Wenn sich beispielsweise zwei Körper anziehen und ihre Trennung kleiner wird, wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Je nach Trägheitssystem nimmt dieser Anstieg der kinetischen Energie für jeden der beiden Körper unterschiedlich zu. Sogar die kinetische Energie eines Körpers kann abnehmen und die Energie des anderen erhöhen.

Wenn eine Rakete chemische Energie in kinetische Energie umwandelt, hängt dies in ähnlicher Weise von der Geschwindigkeit der Rakete (und damit vom Trägheitssystem) ab, inwieweit diese Zunahme der gesamten kinetischen Energie der Rakete zugute kommt und inwieweit die Masse der Reaktion und die kinetische Energie der Rakete können sogar abnehmen, die Reaktionsmasse erhöhen oder umgekehrt.

Bei einer Matrize hängt bei einer vollelastischen Zentralkollision die übertragene kinetische Energie wie folgt vom Trägheitssystem ab: Diese Energie ist proportional zur Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts der kollidierenden Objekte.

Kinetische Translationsenergie

Die gesamte kinetische Translationsenergie zweier Körper relativ zum Massenmittelpunkt kann basierend auf der reduzierten Masse und der gegenseitigen Geschwindigkeit berechnet werden, siehe das Zweikörperproblem. Die Verteilung dieser Energie zwischen den beiden Körpern ist umgekehrt proportional zur Masse.

Beispielsweise ändert sich beim System eines fahrenden Autos und des Restes der Erde die kinetische Energie des Restes der Erde kaum mit den Geschwindigkeitsänderungen des Autos, obwohl sich der Impuls immer im gleichen Maße ändert wie das Auto.

Bei einem Drei-Körper-Problem mit Sonne, Erde und einer Raumkapsel ist auch die kinetische Energie der Sonne relativ zum Massenschwerpunkt aller drei Körper vernachlässigbar. Änderungen der kinetischen Energie der Erde durch Wechselwirkung mit der Kapsel sind nun im Verhältnis zur kinetischen Energie der Kapsel nicht zu vernachlässigen, siehe auch die Fluchtgeschwindigkeit.

Die kinetische Energie in den Molekülen

Die gesamte kinetische Translationsenergie lokaler Moleküle ist die Summe von einerseits der kinetischen Energie, die der Bewegung der Gesamtmasse dieser Moleküle mit der Geschwindigkeit ihres Massenschwerpunkts (d. H. Makroskopische Bewegung) entspricht, und andererseits die kinetische Translationsenergie relativ zum Massenschwerpunkt. Letzteres hängt mit der Temperatur am entsprechenden Ort zusammen.

Bei einem idealen Gas beträgt die kinetische Translationsenergie relativ zum Massenmittelpunkt das 3/2-fache des Drucks multipliziert mit dem Volumen und proportional zur Temperatur, nämlich 12,47 J pro Mol pro Kelvin. Letzteres ist das 3/2-fache der Gaskonstante und in Einzelatommolekülen gleich der spezifischen Wärme in konstantem Volumen.

Bei mehratomigen Molekülen gibt es eine andere Energie, die mit der Temperatur zunimmt, nämlich die der Rotation und Vibration der Moleküle, wodurch die spezifische Wärme höher wird.

Bei gleicher Temperatur (und insbesondere auch in einem Gasgemisch) haben schwere Moleküle im Durchschnitt die gleiche kinetische Translationsenergie wie Licht (Equipartitionstheorie); Daher haben sie eine geringere Geschwindigkeit.

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Geändert am: 8. Mai 2019