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Kinetische Energie

Kinetische Energie

Die kinetische Energie oder Bewegungsenergie ist eine Energieform, die einen Körper aufgrund der Massenträgheit in Bewegung setzt. In nichtrelativistischen Bezugsrahmen ist die kinetische Energie direkt proportional zur Masse und zum Quadrat der Geschwindigkeit. Es ist das gleiche wie die Arbeit, die gemacht werden muss, damit der Körper vom Ruhezustand in den Zustand übergeht, in dem er sich befindet.

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 der Körper auch eine Rotation um den Massenschwerpunkt erfährt, hat er infolge dieser Rotation eine 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 gilt der König-Satz, und die gesamte kinetische Energie ist die Summe der kinetischen Energien beider Bewegungen.

Energieumwandlung

Die gesamte kinetische Energie eines Systems kann sich zum Beispiel bei der Umwandlung in oder aus potentieller Energie ändern, indem chemische Energie in einen Verbrennungsmotor einschließlich eines Raketentriebwerks umgewandelt wird und ein Projektil sowie Wärme oder Energie abgefeuert werden thermisch, bei Reibung oder Kollision.

Die Geschwindigkeit und damit auch die kinetische Energie hängt vom gewählten Inertialsystem ab. Die kinetische Gesamtenergie eines Systems ist niedriger, wenn sich der Massenmittelpunkt dieses Systems im Ruhezustand befindet. In anderen Fällen wird die kinetische Energie, die der Bewegung der Gesamtmasse der Geschwindigkeit des Schwerpunkts entspricht, addiert. Die Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts eines geschlossenen Systems bleibt aufgrund des Erhaltungssatzes des Moments konstant. Die Änderungen der gesamten kinetischen Energie des Systems wie in den vorherigen Beispielen hängen daher nicht vom Trägheitsrahmen ab, sondern Änderungen in den Systemteilen.

Wenn sich beispielsweise zwei Körper anziehen und ihre Trennung geringer wird, wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Abhängig vom Inertialsystem steigt dieser Anstieg der kinetischen Energie für jeden der beiden Körper unterschiedlich an. Sogar die kinetische Energie eines Körpers kann abnehmen und die Energie des anderen Körpers erhöhen.

Wenn eine Rakete chemische Energie in kinetische Energie umwandelt, hängt sie in ähnlicher Weise von der Geschwindigkeit der Rakete (und damit des Trägheitssystems) ab, inwieweit diese Erhöhung der gesamten kinetischen Energie der Rakete zugute kommt und in welchem ​​Maße die Masse Die Reaktion und die kinetische Energie der Rakete können sogar abnehmen, die Reaktionsmasse erhöhen oder umgekehrt. Bei einer vollständig elastischen Zentralkollision hängt die übertragene kinetische Energie wie folgt vom Trägheitssystem ab: Diese Energie ist proportional zur Geschwindigkeit des Massenschwerpunkts der Objekte bei der Kollision.

Kinetische Übersetzungsenergie

Die Energie der kinetischen Gesamtverschiebung zweier Körper in Bezug auf den Massenschwerpunkt kann auf der Grundlage der reduzierten Masse und der gegenseitigen Geschwindigkeit berechnet werden, siehe das Problem zweier Körper. Die Verteilung dieser Energie zwischen den beiden Körpern ist umgekehrt proportional zur Masse. Beispielsweise ändert sich mit dem System eines fahrenden Autos und der übrigen Erde die kinetische Energie der restlichen Erde kaum mit der Geschwindigkeitsänderung des Autos, obwohl sich der Impuls immer im gleichen Maß wie das Automobil ändert.

Bei einem Drei-Körper-Problem mit Sonne, Erde und einer Weltraumkapsel ist auch die kinetische Energie der Sonne im Verhältnis zum Massenmittelpunkt aller drei Körper vernachlässigbar. Die Änderungen der kinetischen Energie der Erde durch die Wechselwirkung mit der Kapsel sind nun in Bezug auf die kinetische Energie der Kapsel nicht zu vernachlässigen, siehe auch die Fluchtgeschwindigkeit.

Die kinetische Energie in den Molekülen

Die gesamte kinetische Translationsenergie der lokalen Moleküle ist die Summe der kinetischen Energie, die der Bewegung der Gesamtmasse dieser Moleküle bei der Geschwindigkeit ihres Massenschwerpunkts entspricht (dh makroskopische Bewegung). auf der anderen Seite die Energie der kinetischen Translation relativ zum Massenmittelpunkt. Letzteres bezieht sich auf die Temperatur an der entsprechenden Stelle.

Bei einem idealen Gas ist 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 den Molekülen eines einzelnen Atoms ist es gleich der spezifischen Wärme in konstantem Volumen. Bei den Molekülen mehrerer Atome gibt es eine andere Energie, die mit der Temperatur zunimmt, nämlich die Rotation und Vibration der Moleküle, so dass die spezifische Wärme größer ist.

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

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Geändert am: 8. Mai 2019

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