Energija

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Energija
,
Dimenzija
enote
SI J
GHS erg
Sonce je vir energije za večino življenja na Zemlji. Svojo energijo črpa predvsem iz jedrske fuzije v svojem jedru, pretvarja maso v energijo, ko se protoni združijo v helij. Ta energija se prenaša na površino Sonca in se nato sprosti v vesolje, predvsem v obliki sevalne (svetlobne) energije .
Pri tipičnem udaru strele se 500 megadžulov potencialne električne energije pretvori v enako količino energije v drugih oblikah, predvsem v svetlobno energijo , zvočno energijo in toplotno energijo .
Toplotna energija je energija mikroskopskih sestavin snovi, ki lahko vključuje tako kinetično kot potencialno energijo . Ta slika prikazuje, kako se toplotna energija pretvori v svetlobno energijo.

Energija ( starogrško ἐνέργεια - delovanje, aktivnost, sila, moč) je skalarna fizična količina, ki je enotna mera različnih oblik gibanja in interakcije snovi , mera prehoda gibanja snovi iz ene oblike v drugo. Uvedba koncepta energije je priročna, ker če je fizični sistem zaprt, je njegova energija shranjena v tem sistemu v času, v katerem bo sistem zaprt. Ta izjava se imenuje zakon ohranjanja energije .

S temeljnega vidika je energija eden od treh (skupaj z zagonom in kotnim momentom ) aditivnih integralov gibanja (tj. količine, ohranjene v času), povezanih po Noetherjevem izreku s homogenostjo časa , tj. neodvisnost zakonov, ki opisujejo gibanje od časa ...

Besedo "energija" je uvedel Aristotel v razpravi " Fizika ", vendar je tam označevala človeško dejavnost.

Uporabljena notacija

Običajno je energija označena s simbolom E - iz lat. e nergia (dejanje, dejavnost, moč).

Za označevanje količine toplote (količine energije, prenesene z izmenjavo toplote), se običajno uporablja simbol Q - iz angleščine. q uantity toplote.

Za označevanje dela kot količine prenesene energije se običajno uporablja simbol A - od njega. a rbeit (delo, delo) ali simbol W - iz angleščine. w ork (dela, dela).

Za označevanje moči, kot količine spremembe energije na enoto časa, se uporablja simbol W.

Simbol U se običajno uporablja za označevanje notranje energije telesa (izvor simbola je treba pojasniti).

Zgodovina izraza

Izraz "energija" izvira iz grške besede ἐνέργεια , ki se je prvič pojavila v Aristotelovih delih in je označevala dejanje ali resničnost (to je dejansko izvajanje dejanja v nasprotju z njegovo možnostjo). Ta beseda pa izvira iz grškega ἔργον ("ergon") - "delo". Protoindoevropski koren werg je označeval delo ali dejavnost (prim. angleško delo , nemško Werk ) in je v obliki οργ / ουργ prisoten v grških besedah, kot sta orgija ali teurgija itd.

Thomas Jung je bil prvi, ki je uporabil koncept "energije" v sodobnem pomenu besede
Joule naprava za merjenje mehanskega ekvivalenta toplote. Teža navzdol, pritrjena na struno, povzroči, da se potopljeno veslo vrti.

Leibniz je v svojih razpravah iz let 1686 in 1695 uvedel pojem " žive sile " ( vis viva ), ki jo je opredelil kot zmnožek mase predmeta in kvadrata njegove hitrosti (v sodobni terminologiji je kinetična energija samo podvojila). Poleg tega je Leibniz verjel v ohranitev splošne "ljudske sile". Da bi pojasnil zmanjšanje hitrosti teles zaradi trenja , je predlagal, da izgubljeni del "žive sile" gre v atome.

Markiza Emilie du Châtelet je v svoji knjigi "Učbenik fizike" ( francoski Institutions de Physique , 1740) združila Leibnizovo idejo s praktičnimi opazovanji Willema Gravesanda .

Leta 1807 je Thomas Jung kot prvi uporabil izraz "energija" v sodobnem pomenu besede namesto pojma "živa sila" [1] . Gaspard-Gustave Coriolis je leta 1829 odkril povezavo med delom in kinetično energijo. William Thomson (bodoči Lord Kelvin) je prvič uporabil izraz » kinetična energija « najkasneje leta 1851, leta 1853 pa je William Rankin prvič uvedel izraz » potencialna energija «.

Že nekaj let potekajo spori o tem, ali je energija snov ( kalorična ) ali le fizična količina.

Napredek parnih strojev je od inženirjev zahteval, da razvijejo koncepte in formule, ki bi jim omogočile, da opišejo mehansko in toplotno učinkovitost njihovih sistemov. Fiziki ( Sadi Carnot , James Joule , Emile Clapeyron in Hermann Helmholtz ), matematiki, so vsi razvili idejo, da je sposobnost izvajanja določenih dejanj, imenovanih delo , nekako povezana z energijo sistema. V 1850-ih sta profesor naravne filozofije v Glasgowu William Thomson in inženir William Rankin začela delati za zamenjavo zastarelega jezika mehanike s koncepti, kot so "kinetične in dejanske energije" [1] . William Thomson je znanje o energiji združil v zakone termodinamike, kar je prispevalo k hitremu razvoju kemije. Rudolph Clausius , Josiah Gibbs in Walter Nernst so razložili številne kemične procese z uporabo zakonov termodinamike. Razvoj termodinamike sta nadaljevala Clausius, ki je uvedel in matematično oblikoval pojem entropije, in Joseph Stephen, ki je uvedel zakon sevanja črnega telesa. Leta 1853 je William Rankin uvedel koncept " potencialne energije " [1] . Leta 1881 je William Thomson občinstvu izjavil [2] :

Sama beseda energija , čeprav jo je v sodobnem pomenu prvi uporabil dr. Thomas Jung okoli začetka tega stoletja, se zdaj uporablja praktično šele po tem, ko se je teorija, ki je dala definicijo energije ... razvila iz preproste formule matematične dinamike do načela, ki prežema celotno naravo in vodilnega raziskovalca v znanosti.

V naslednjih tridesetih letih je ta nova znanost imela več imen, kot sta "dinamična teorija toplote" ( engl. Dynamical theory of heat) in "Energija" ( engl. Energetics). V dvajsetih letih prejšnjega stoletja je bilo splošno sprejeto ime " termodinamika " - znanost o pretvorbi energije.

Značilnosti pretvorbe toplote in dela so bile prikazane v prvih dveh zakonih termodinamike . Znanost o energiji je razdeljena na množico različnih področij, kot sta biološka termodinamika in termoekonomika ( angl. Thermoeconomics). Vzporedno so se razvili sorodni koncepti, kot je entropija , merilo izgube uporabne energije, moči , pretoka energije na enoto časa itd. V zadnjih dveh stoletjih se je v poljudni literaturi zelo razširila uporaba besede energija v neznanstvenem pomenu.

Leta 1918 je bilo dokazano, da je zakon ohranjanja energije matematična posledica translacijske simetrije časa, velikosti konjugirane energije. To pomeni, da se energija ohranja, ker se zakoni fizike sčasoma ne spreminjajo (glej Noetherjev izrek , izotropija prostora ).

Leta 1961 je izjemni učitelj fizike in Nobelov nagrajenec Richard Feynman v svojih predavanjih takole predstavil koncept energije [3] :

Obstaja dejstvo ali, če hočete, zakon, ki ureja vse naravne pojave, vse, kar je bilo do sedaj znano. Od tega zakona ni izjem; kolikor vemo, je popolnoma točna. Njegovo ime je varčevanje z energijo . Trdi, da obstaja določena količina, imenovana energija, ki se ne spremeni med nobenimi transformacijami, ki se dogajajo v naravi. Ta izjava je sama po sebi zelo, zelo abstraktna. V bistvu gre za matematično načelo, ki pravi, da obstaja neka številčna vrednost, ki se v nobenem primeru ne spremeni. To nikakor ni opis mehanizma pojava ali nečesa posebnega, le opozorjeno je, da je opažena čudna okoliščina, da lahko prešteješ neko številko in nato mirno opazuješ, kako bo narava vrgla katerega od svojih trikov, nato pa spet izračunaj to številko - in ostal bo enak.

Vrste energije

Vrste energije :
Atwood machine.svg Mehanski Potencial
Kinetični
Notranji
Sončni kotiček.svg Elektromagnetno Električni
Magnetno
Logo portala za nafto in plin.PNG kemični
Simbol sevanja alternate.svg jedrski
Gravitacijski
Vakuumski
Hipotetično:
Temno
Glej tudi: Zakon o ohranjanju energije

Mehanika razlikuje med potencialno energijo (ali, bolj splošno, energijo interakcije teles ali njihovih delov med seboj ali z zunanjimi polji) in kinetično energijo (energijo gibanja). Njihova vsota se imenuje skupna mehanska energija .

Vse vrste polj imajo energijo. Na podlagi tega jih ločimo: elektromagnetno (včasih delimo na električno in magnetno energijo), gravitacijsko (gravitacijsko) in atomsko (jedrsko) energijo (lahko jo razdelimo tudi na energijo šibkih in močnih interakcij ).

Termodinamika upošteva notranjo energijo in druge termodinamične potenciale .

V kemiji se upoštevajo količine, kot sta vezavna energija in entalpija , ki imata dimenzijo energije, povezano s količino snovi . Glej tudi: kemični potencial .

Energija eksplozije se včasih meri v ekvivalentu TNT .

Kinetični

Kinetična energija je energija mehanskega sistema , ki je odvisna od hitrosti gibanja njegovih točk. Kinetična energija translacijskega in rotacijskega gibanja je pogosto izolirana. Enota SI je joul . Natančneje, kinetična energija je razlika med celotno energijo sistema in njegovo energijo mirovanja ; tako je kinetična energija del celotne energije zaradi gibanja .

Potencial

Potencialna energija - skalarna fizikalna količina, ki označuje rezervo energije telesa (ali materialne točke), ki se nahaja v potencialnem silnem polju, ki se uporablja za pridobivanje (spreminjanje) kinetične energije telesa zaradi dela sil polja. Druga definicija: potencialna energija je funkcija koordinat, kar je izraz v Lagrangianu sistema in opisuje interakcijo elementov sistema [5] .

Izraz "potencialna energija" je v 19. stoletju skoval škotski inženir in fizik William Rankin . Enota energije SI je joule . Potencialna energija je enaka nič za določeno konfiguracijo teles v prostoru, katere izbira je določena s priročnostjo nadaljnjih izračunov. Postopek izbire te konfiguracije se imenuje normalizacija potencialne energije .

Elektromagnetno

Gravitacijski

Gravitacijska energija je potencialna energija sistema teles (delcev) zaradi njihove medsebojne gravitacije . Gravitacijsko vezan sistem je sistem, v katerem je gravitacijska energija večja od vsote vseh drugih vrst energij (poleg energije mirovanja ). Splošno sprejeta lestvica, po kateri je za kateri koli sistem teles, ki se nahajajo na končnih razdaljah, gravitacijska energija negativna, za neskončno oddaljena, torej za gravitacijsko nedelujoča telesa, pa je gravitacijska energija nič. Celotna energija sistema, enaka vsoti gravitacijske in kinetične energije, je konstantna; za izoliran sistem je gravitacijska energija vezavna energija . Sistemi s pozitivno skupno energijo ne morejo biti stacionarni.

jedrski

Jedrska energija (atomska energija) je energija, ki jo vsebujejo atomska jedra in se sprosti med jedrskimi reakcijami .

Vezavna energija - energija, ki je potrebna za razdelitev jedra na posamezne nukleone, se imenuje vezavna energija. Energija vezave na nukleon ni enaka za različne kemične elemente in celo izotope istega kemičnega elementa.

Notranji

Notranja energija telesa (označena kot E ali U) je vsota energij molekularnih interakcij in toplotnih gibanj molekul. Notranje energije telesa ni mogoče neposredno izmeriti. Notranja energija je nedvoumna funkcija stanja sistema. To pomeni, da kadar koli je sistem v določenem stanju, njegova notranja energija prevzame vrednost, ki je neločljiva v tem stanju, ne glede na zgodovino sistema. Posledično bo sprememba notranje energije med prehodom iz enega stanja v drugo vedno enaka razliki med njenimi vrednostmi v končnem in začetnem stanju, ne glede na pot, po kateri je bil prehod opravljen.

Kemični potencial

Kemični potencial - eden od termodinamičnih parametrov sistema, in sicer energija dodajanja enega delca v sistem brez opravljanja dela.

Energija eksplozije

Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени , приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов.

При химическом взрыве, кроме газов, могут образовываться и твёрдые высокодисперсные частицы, взвесь которых называют продуктами взрыва . Энергию взрыва иногда измеряют в тротиловом эквиваленте — мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии.

Энергия вакуума

Энергия вакуума — энергия, равномерно распределённая в вакууме и вызывающая отталкивание между любыми материальными объектами во Вселенной с силой, прямо пропорциональной их массе и расстоянию между ними. Обладает крайне низкой плотностью.

Осмотическая энергия

Осмотическая энергия — работа, которую надо произвести, чтобы повысить концентрацию молекул или ионов в растворе.

Энергия и работа

Энергия является мерой способности физической системы совершить работу . Например, изменение полной механической энергии тела численно равно величине механической работы, совершённой над телом. Поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

В специальной теории относительности

Энергия и масса

Согласно специальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна :

где — энергия системы;
— её масса ;
скорость света в вакууме .

Несмотря на то, что исторически предпринимались попытки трактовать это выражение как полную эквивалентность понятия энергии и массы, что, в частности, привело к появлению такого понятия как релятивистская масса , в современной физике принято сужать смысл этого уравнения, понимая под массой массу тела в состоянии покоя (так называемая масса покоя ), а под энергией — только внутреннюю энергию, заключённую в системе.

Энергия тела, согласно законам классической механики, зависит от системы отсчёта, то есть неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со скоростью относительно некоего наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно будет казаться неподвижным. Соответственно, для первого наблюдателя кинетическая энергия тела будет равна, , где — масса тела, а для другого наблюдателя — нулю .

Эта зависимость энергии от системы отсчёта сохраняется также в теории относительности. Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса .

Зависимость энергии тела от скорости рассматривается уже не так, как в ньютоновской физике, а согласно вышеназванной формуле Эйнштейна:

где инвариантная масса . В системе отсчёта, связанной с телом, его скорость равна нулю, а энергия, которую называют энергией покоя, выражается формулой:

Это минимальная энергия, которую может иметь тело, обладающее массой. Значение формулы Эйнштейна также в том, что до неё энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, а формула Эйнштейна указывает абсолютное значение этой постоянной.

Энергия и импульс

Специальная теория относительности рассматривает энергию как компоненту 4-импульса (4-вектора энергии-импульса), в который наравне с энергией входят три пространственные компоненты импульса. Таким образом энергия и импульс оказываются связанными и оказывают взаимное влияние друг на друга при переходе из одной системы отсчёта в другую.

В квантовой механике

В квантовой механике энергия свободной частицы связана с круговой частотой соответствующей волны де Бройля соотношением , где постоянная Планка .[6][7] Это уравнение является математическим выражением принципа корпускулярно-волнового дуализма волн и частиц для случая энергии.[8] В квантовой механике энергия двойственна времени . В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно энергию системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. При проведении серии измерений одного и того же процесса значения измеренной энергии будут флуктуировать, однако среднее значение всегда определяется законом сохранения энергии. Это приводит к тому, что иногда говорят, что в квантовой механике сохраняется средняя энергия.

В общей теории относительности

В общей теории относительности время не является однородным, поэтому возникают определённые проблемы при попытке введения понятия энергии. В частности, оказывается невозможным определить энергию гравитационного поля как тензор относительно общих преобразований координат.

Энергия и энтропия

Внутренняя энергия (или энергия хаотического движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может превращаться в другие виды энергии без потерь (см.: энтропия ).

Физическая размерность и соотношение между единицами измерения

В системе физических величин LMT энергия имеет размерность .

Соотношения между единицами энергии.
Единица Эквивалент
в Дж в эрг в межд. кал в эВ
1 Дж 1 10 7 0,238846 0,624146⋅10 19
1 эрг 10 −7 1 2,38846⋅10 −8 0,624146⋅10 12
1 межд. Дж [9] 1,00020 1,00020⋅10 7 0,238891 0,624332⋅10 19
1 кгс·м 9,80665 9,80665⋅10 7 2,34227 6,12078⋅10 19
1 кВт·ч 3,60000⋅10 6 3,60000⋅10 13 8,5985⋅10 5 2,24693⋅10 25
1 л · атм 101,3278 1,013278⋅10 9 24,2017 63,24333⋅10 19
1 межд. кал (cal IT ) 4,1868 4,1868⋅10 7 1 2,58287⋅10 19
1 термохим. кал (кал ТХ ) 4,18400 4,18400⋅10 7 0,99933 2,58143⋅10 19
1 электронвольт (эВ) 1,60219⋅10 −19 1,60219⋅10 −12 3,92677⋅10 −20 1

Источники энергии

Турбогенератор преобразует энергию пара под давлением в электрическую энергию

Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и постоянные . К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС и т. д.

Невозобновляемые ресурсы энергиии их величина [10]
Вид ресурса Запасы, Дж
Термоядерная энергия 3,6·10 26
Ядерная энергия 2·10 24
Химическая энергия нефти и газа 2·10 23
Внутреннее тепло Земли 5·10 20
Возобновляемые ресурсы энергии и их годовая величина [10]
Вид ресурса Запасы, Дж
Солнечная энергия 2·10 24
Энергия морских приливов 2,5·10 23
Энергия ветра 6·10 21
Энергия рек 6,5·10 19

Потребление энергии

Существует довольно много форм энергии, большинство из которых [11] так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях .

Темпы энергопотребления растут во всем мире, поэтому на современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблема энергоэффективности и энергосбережения .

См. также

Примечания

  1. 1 2 3 Смит, Кросби. The science of energy: a cultural history of energy physics in Victorian Britain. — The University of Chicago Press, 1998. — ISBN 0-226-76421-4 .
  2. Томсон, Уильям. Об источниках энергии, доступных человеку для совершения механических эффектов = On the sources of energy available to man for the production of mechanical effect. — BAAS Rep, 1881. С. 513
  3. Richard Feynman. The Feynman Lectures on Physics. — США: Addison Wesley, 1964. — Vol. 1. — ISBN 0-201-02115-3 .
  4. Фейнман, Ричард . Фейнмановские лекции по физике = The Feynman Lectures on Physics. — Т. 1.
  5. Ландау, Л. Д. , Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика . — 5-е изд. — М. : Физматлит, 2004. — Т. I. Механика. — 224 с. — ISBN 5-9221-0055-6 .
  6. Паули, 1947 , с. 11.
  7. Широков, 1972 , с. 18.
  8. Широков, 1972 , с. 19.
  9. Джоуль (единица энергии и работы) — статья из Большой советской энциклопедии . Г. Д. Бурдун.
  10. 1 2 Алексеев, 1978 , с. 134.
  11. http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.files/Inf03.pdf

Литература

Ссылки