Физическая природа потенциальной энергии

Потенциальная энергия

Она отображает работу, которую могут совершить силы консервативного поля при перемещении составляющих систему тел из одной конфигурации в другую.

По своей природе потенциальная энергия рассматривается как функция координат элементов системы, то есть зависит от взаимного расположения этих объектов. Этот термин впервые стал использоваться в работах шотландского инженера и физика У. Ренкина в XIX веке.

Физический смысл и особенности потенциальной энергии

Кинетическая энергия характеризует движение тела относительно определенной системы отсчета. В то время как потенциальная энергия указывает на энергетическое взаимодействие объекта с полем сил, исходящим от других тел или полей. Если кинетическая энергия напрямую зависит от скорости объекта, то потенциальная определяется исключительно положением в пространстве и силовом поле.

Кинетическая энергия всей физической системы — это суммирование соответствующих значений для всех ее материальных точек. Однако потенциальная энергия имеет смысл лишь для всей совокупности, а не для изолированной точки, поскольку отражает взаимодействие между частями системы.

Абсолютное значение потенциальной энергии не имеет физического смысла — важно её изменение в ходе соответствующего процесса. Выбор нулевого уровня всегда произволен, и обычно определяется исходя из условий задачи. Связь между силой и потенциальной энергией выражается через градиент: наличие силы связано с изменением потенциальной энергии при перемещении тела, действующего в поле этих сил.

Основные разновидности потенциальной энергии

Рассмотрим ключевые типы потенциальной энергии, наиболее характерные для различных физических явлений:

• Гравитационная энергия вблизи поверхности планеты.
• Электростатическая энергия заряженной частицы в поле.
• Энергия, возникающая при деформации, например, в результате сжатия или растяжения механических объектов.

Если объект находится на некоторой высоте над земной поверхностью, вычисление его потенциальной энергии по отношению к гравитационному полю упрощается: Ep = mgh, где m — масса объекта, g — ускорение свободного падения, а h — разница по высоте относительно принятого нулевого уровня.

Для заряда q в электрическом поле с потенциалом φ, потенциальная энергия равна произведению: Ep = qφ.

В механике, если речь идет о пружине, сохраняющей энергию при её сжатии или растяжении, используется: Ep = kx²/2, где k — характеристика жесткости, а x — величина деформации.

Потенциал Леннарда-Джонса

Энергетический потенциал Леннарда-Джонса — простая и широко используемая интермолекулярная модель, применяемая для неполярных частиц. Она иллюстрирует, как изменяется энергия взаимодействующих молекул в зависимости от расстояния между ними. Модель предельно приближена к взаимодействию реальных неполярных молекул (например, благородных газов) и применяется для компьютерного моделирования и расчетов в физических исследованиях. Введена данная концепция Джоном Леннардом-Джонсом в 1924 году.

Модель позволяет описывать свойства вещества во всех агрегатных состояниях — в виде газа, жидкости и твердых тел. Особенность модели в том, что минимум энергии достигается при определенной плотной упаковке молекул; но если плотность среды высокая, влияние третьих частиц уже нельзя игнорировать.

Понятие термодинамических потенциалов

Введение этих потенциалов обусловлено стремлением описывать термодинамические процессы с максимально удобными для каждой конкретной задачи переменными. Такой подход позволяет не только оптимально характеризовать состояние системы, но и формулировать критерии самопроизвольности процессов и работы, которую может совершить система при различных условиях.

С помощью термодинамических потенциалов выражения для физических величин удаётся привести к виду, где исходными оказываются только термодинамические переменные, что облегчает практические расчеты и анализ. Особенно это важно для параметров, которые сложно измерить напрямую.

При равновесии зависимости между потенциалами и переменными состояния выражаются каноническими уравнениями. В случае, когда система не находится в равновесии, классические соотношения теряют исходную форму, однако понятие потенциала может быть распространено и на такие процессы.