Энергия

Энергия
ВС является источником энергии для большинства жизни на Земле. Он получает свою энергию в основном от ядерного синтеза в его ядре, превращая массу в энергию, когда протоны объединяются в гелий. Эта энергия переносится на поверхность Солнца, а затем высвобождается в космос в основном в виде лучистой (световой) энергии .
Общие символы	E
Единица СИ	джоуль
Прочие единицы	кВт⋅ч , БТЕ , калория , эВ , эрг , фут-фунт
В базовых единицах СИ	J = кг м 2 с −2
Обширный ?	да
Сохранился ?	да
Измерение	M L 2 Т −2

Термодинамика
Классический тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесие
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Закрытая система Изолированная система Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсивом Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / энтропия  ( введение ) Давление  / Объем Химический потенциал  / число частиц Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ partial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ partial T}$ Сжимаемость  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ partial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ partial p}$ Тепловое расширение  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${\displaystyle U(S,V)}$ Энтальпия ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации " Экспериментальное исследование ... тепла " « О равновесии гетерогенных веществ » « Размышления о движущей силе огня » Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория
v т е

В физике , энергия является количественным свойством , которое должно быть передано к объекту для выполнения работы по, или тепло , объекта. ^{[примечание 1]} Энергия - это сохраняемая величина ; закон сохранения энергии гласит, что энергия может быть преобразована в форму, но не может быть создана или уничтожена. Единица СИ энергии является джоуль , что энергия , передаваемая на объект по работе перемещения его на расстоянии 1 метр против силы1 ньютон .

Общие формы энергии включают кинетическую энергию движущегося объекта, потенциальную энергию, запасенную положением объекта в силовом поле ( гравитационном , электрическом или магнитном ), упругую энергию, запасенную при растяжении твердых объектов, химическую энергию, выделяемую при сгорании топлива. , лучистая энергия, переносимая светом, и тепловая энергия, обусловленная температурой объекта .

Масса и энергия тесно связаны. Из -за эквивалентности массы и энергии любой объект, который имеет массу в неподвижном состоянии (называемый массой покоя ), также имеет эквивалентное количество энергии, форма которой называется энергией покоя , и любую дополнительную энергию (любой формы), приобретаемую объектом, находящимся выше этой энергии покоя. увеличит общую массу объекта так же, как и его общую энергию. Например, после нагревания объекта его увеличение энергии можно измерить как небольшое увеличение массы с достаточно чувствительной шкалой .

Живым организмам нужна энергия, чтобы оставаться в живых, например, энергия, которую люди получают из пищи . Человеческой цивилизации для своего функционирования требуется энергия, которую она получает из энергетических ресурсов, таких как ископаемое топливо , ядерное топливо или возобновляемые источники энергии . Процессы климата и экосистемы Земли управляются излучаемой энергией, которую Земля получает от Солнца, и геотермальной энергией, содержащейся в Земле.

Формы

Полная энергия системы может быть подразделена и классифицирована на потенциальную энергию, кинетическую энергию или их комбинации различными способами. Кинетическая энергия определяется движением объекта - или сложным движением компонентов объекта - а потенциальная энергия отражает потенциал объекта к движению и, как правило, является функцией положения объекта в поле или может храниться в самом поле.

Хотя этих двух категорий достаточно для описания всех форм энергии, часто бывает удобно рассматривать конкретные комбинации потенциальной и кинетической энергии как ее собственную форму. Например, макроскопическая механическая энергия представляет собой сумму поступательной и вращательной кинетической и потенциальной энергии в системе без учета кинетической энергии, обусловленной температурой, и ядерной энергией, которая объединяет потенциалы от ядерной силы и слабой силы , среди прочего. ^{[ необходима цитата ]}

История

Слово энергия происходит от древнегреческого : ἐνέργεια , латинизировано :  energeia , букв.  «деятельность, операция» ^[1], которая, возможно, впервые появляется в трудах Аристотеля в 4 веке до нашей эры. В отличие от современного определения, energeia была качественной философской концепцией, достаточно широкой, чтобы включать такие идеи, как счастье и удовольствие.

В конце 17 века Готфрид Лейбниц предложил идею на латыни : vis viva , или жизненная сила, которая определяется как произведение массы объекта и его скорости в квадрате; он считал, что total vis viva сохраняется. Чтобы объяснить замедление из-за трения, Лейбниц предположил, что тепловая энергия состоит из случайного движения составных частей материи, хотя прошло более столетия, прежде чем это стало общепризнанным. Современный аналог этого свойства - кинетическая энергия - отличается от vis viva лишь в два раза.

В 1807 году Томас Янг был, возможно, первым, кто использовал термин «энергия» вместо « vis viva» в его современном смысле. ^[2] Гюстав-Гаспар Кориолис описал « кинетическую энергию » в 1829 году в ее современном смысле, а в 1853 году Уильям Ренкин ввел термин « потенциальная энергия ». Закон сохранения энергии также был впервые постулирован в начале 19 века и применим к любой изолированной системе . В течение нескольких лет спорили о том, является ли тепло физической субстанцией, называемой калорийностью , или просто физической величиной, такой как количество движения . В 1845 году Джеймс Прескотт Джоульоткрыл связь между механической работой и выделением тепла.

Эти разработки привели к теории сохранения энергии, формализованной в значительной степени Уильямом Томсоном ( лордом Кельвином ) как область термодинамики . Термодинамика способствовала быстрому развитию объяснений химических процессов Рудольфом Клаузиусом , Джозайей Уиллардом Гиббсом и Вальтером Нернстом . Это также привели к математической формулировке понятия энтропии Клаузиуса и введению законов лучистой энергии по Йозефу Стефану . Согласно теореме Нётер , сохранение энергии является следствием того факта, что законы физики не меняются со временем. ^[3]Таким образом, с 1918 года теоретики поняли, что закон сохранения энергии является прямым математическим следствием трансляционной симметрии величины, сопряженной с энергией, а именно времени.

Единицы измерения

В 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. Самый известный из них использовал «аппарат Джоуля»: нисходящий груз, прикрепленный к струне, вызывал вращение погруженной в воду лопасти, практически изолированной от теплопередачи. Он показал, что гравитационная потенциальная энергия, теряемая весом при спуске, равна внутренней энергии, полученной водой за счет трения о лопасть.

В Международной системе единиц (СИ) единицей энергии является джоуль, названный в честь джоуля. Это производная единица . Он равен энергии, затраченной (или выполненной работе ) на приложение силы в один ньютон на расстоянии одного метра. Однако энергия также выражается во многих других единицах, не входящих в систему СИ, таких как эрги , калории , британские тепловые единицы , киловатт-часы и килокалории , которые требуют коэффициента преобразования при выражении в единицах СИ.

Единица измерения расхода энергии в системе СИ (энергия в единицу времени) - это ватт , то есть джоуль в секунду. Таким образом, один джоуль равен одному ватт-секунду, а 3600 джоулей равняется одному ватт-часу. C единица энергии является эргами и имперский и США принят единицей является фут фунтом . Другие единицы измерения энергии, такие как электронвольт , калорийность пищи или термодинамические ккал (основанные на изменении температуры воды в процессе нагрева) и БТЕ , используются в конкретных областях науки и торговли.

Научное использование

Классическая механика

Часть серии по
Классическая механика
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d}{dt}}(m{\textbf {v}})}$ Второй закон движения
История График Учебники
ветви Применяемый Небесный Continuum Динамика Кинематика Кинетика Статика Статистический
Основы Ускорение Угловой момент Пара Принцип Даламбера Энергия кинетический потенциал Сила Точка зрения Инерциальная система отсчета Импульс Инерция  / момент инерции Масса Механическая мощность Механическая работа Момент Импульс Космос Скорость Время Крутящий момент Скорость Виртуальная работа
Составы Законы движения Ньютона Аналитическая механика Лагранжева механика Гамильтонова механика Рутианская механика Уравнение Гамильтона – Якоби Уравнение движения Аппеля Механика Купмана – фон Неймана
Основные темы Коэффициент демпфирования Смещение Уравнения движения Законы движения Эйлера Фиктивная сила Трение Гармонический осциллятор Инерциальная  / неинерциальная система отсчета Механика движения плоских частиц Движение  ( линейное ) Закон всемирного тяготения Ньютона Законы движения Ньютона Относительная скорость Жесткое тело динамика Уравнения Эйлера Простые гармонические колебания Вибрация
Вращение Круговое движение Вращающаяся опорная рамка Центростремительная сила Центробежная сила реактивный Сила Кориолиса Маятник Тангенциальная скорость Скорость вращения Угловое ускорение  / перемещение  / частота  / скорость
Ученые Кеплер Галилео Гюйгенс Ньютон Хоррокс Галлей Даниэль Бернулли Иоганн Бернулли Эйлер д'Аламбер Clairaut Лагранж Лаплас Гамильтон Пуассон Коши Раут Liouville Appell Гиббс Купман фон Нейман
Категории ► Классическая механика
v т е

В классической механике энергия является концептуально и математически полезным свойством, поскольку это сохраняемая величина . Несколько формулировок механики были разработаны с использованием энергии в качестве ключевой концепции.

Работа , как функция энергии, - это сила, умноженная на расстояние.

${\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }$

Это говорит о том, что работа ( ) равно криволинейный интеграл от силы F вдоль пути C ; подробности см. в статье о механических работах . Работа и, следовательно, энергия зависят от кадра . Например, представьте, что по мячу ударила летучая мышь. В системе отсчета центра масс летучая мышь не работает с мячом. Но в системе отсчета человека, размахивающего битой, с мячом выполняется значительная работа.${\displaystyle W}$

Полная энергия системы иногда называется гамильтонианом в честь Уильяма Роуэна Гамильтона . Классические уравнения движения могут быть записаны в терминах гамильтониана даже для очень сложных или абстрактных систем. Эти классические уравнения имеют замечательные прямые аналоги в нерелятивистской квантовой механике. ^[4]

Еще одна концепция, связанная с энергией, называется лагранжианом в честь Жозефа-Луи Лагранжа . Этот формализм столь же фундаментален, как и гамильтониан, и оба могут использоваться для вывода уравнений движения или выводиться из них. Он был изобретен в контексте классической механики , но обычно используется в современной физике. Лагранжиан определяется как кинетическая энергия за вычетом потенциальной энергии. Обычно формализм Лагранжа математически более удобен, чем гамильтониан для неконсервативных систем (например, систем с трением).

Теорема Нётер (1918) утверждает, что любая дифференцируемая симметрия действия физической системы имеет соответствующий закон сохранения. Теорема Нётер стала фундаментальным инструментом современной теоретической физики и вариационного исчисления. Являясь обобщением основополагающих формулировок констант движения в лагранжевой и гамильтоновой механике (1788 и 1833, соответственно), он не применяется к системам, которые нельзя моделировать с помощью лагранжиана; например, диссипативные системы с непрерывными симметриями могут не иметь соответствующего закона сохранения.

Химия

В контексте химии энергия - это атрибут вещества, обусловленный его атомной, молекулярной или агрегатной структурой. Поскольку химическое превращение сопровождается изменением одного или нескольких видов структуры, оно неизменно сопровождается увеличением или уменьшением энергии участвующих веществ. Некоторая энергия передается между окружающей средой и реагентами реакции в виде тепла или света; таким образом, продукты реакции могут иметь больше или меньше энергии, чем реагенты. Реакция называется экзотермической или экзергонической, если конечное состояние ниже по шкале энергии, чем начальное состояние; в случае эндотермических реакций ситуация обратная.Химические реакции обычно невозможны, если реагенты не преодолевают энергетический барьер, известный как энергия активации . Скорость химической реакции (при данной температуре  Т ) связана с энергией активации  Е по Больцмана фактор населения е ^{- Е / кТ}  - то есть вероятность молекулы имеют энергию большую , чем или равно  Е при данной температуре  T . Эта экспоненциальная зависимость скорости реакции от температуры известна как уравнение Аррениуса . Энергия активации, необходимая для химической реакции, может быть представлена ​​в виде тепловой энергии.

Биология

В биологии энергия - это атрибут всех биологических систем от биосферы до мельчайших живых организмов. Внутри организма он отвечает за рост и развитие биологической клетки или органеллы биологического организма. Энергия, используемая при дыхании, в основном хранится в молекулярном кислороде ^[5] и может быть разблокирована реакциями с молекулами таких веществ, как углеводы (включая сахара), липиды и белки, хранящиеся в клетках . Говоря человеческим языком, человеческий эквивалент(Он) (Преобразование энергии человека) указывает для данного количества расхода энергии относительное количество энергии, необходимое для метаболизма человека , при условии, что средний расход энергии человека составляет 12 500 кДж в день, а базовая скорость метаболизма составляет 80 Вт. Например, если наши тела работают (в среднем) на 80 Вт, то электрическая лампочка, работающая на 100 Вт, работает с 1,25 человеческим эквивалентом (100 ÷ 80), то есть 1,25 He. Для сложной задачи, длящейся всего несколько секунд, человек может выдать тысячи ватт, что во много раз превышает 746 ватт на одну официальную мощность в лошадиных силах. Для задач продолжительностью в несколько минут человек в хорошей форме может выработать около 1000 ватт. Для активности, которую необходимо поддерживать в течение часа, производительность падает примерно до 300; для работы в течение всего дня 150 Вт - это максимум.^[6] Человеческий эквивалент помогает понять потоки энергии в физических и биологических системах, выражая единицы энергии в человеческих терминах: он дает «ощущение» использования определенного количества энергии. ^[7]

Лучистая энергия солнечного света также улавливается растениями в качестве потенциальной химической энергии при фотосинтезе , когда углекислый газ и вода (два низкоэнергетических соединения) превращаются в углеводы, липиды, белки и высокоэнергетические соединения, такие как кислород ^[5] и АТФ. Углеводы, липиды и белки могут выделять энергию кислорода, которая используется живыми организмами в качестве акцептора электронов . Высвобождение энергии, накопленной во время фотосинтеза в виде тепла или света, может быть вызвано внезапно искрой, во время лесного пожара, или она может медленнее становиться доступной для метаболизма животных или человека, когда органические молекулы попадают в организм, а катаболизм запускается ферментом действие.

Любой живой организм полагается на внешний источник энергии - лучистую энергию Солнца в случае зеленых растений, химическую энергию в той или иной форме в случае животных - чтобы иметь возможность расти и воспроизводиться. Ежедневные 1500–2000  калорий (6–8 МДж), рекомендуемые для взрослого человека, принимаются как комбинация молекул кислорода и пищи, последние в основном углеводы и жиры, из которых глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и стеарин (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) являются удобными примерами. Молекулы пищи окисляются в митохондриях до углекислого газа и воды.

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81.5O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$

и часть энергии используется для преобразования АДФ в АТФ .

АДФ + HPO ₄ ^2- → АТФ + H ₂ O

Остальная часть химической энергии в O ₂ ^[8] и углеводах или жирах преобразуется в тепло: АТФ используется как своего рода «энергетическая валюта», а часть содержащейся в нем химической энергии используется для другого метаболизма, когда АТФ реагирует с группами ОН и в конечном итоге расщепляется на АДФ и фосфат (на каждой стадии метаболического пути некоторая химическая энергия преобразуется в тепло). Для работы используется лишь малая часть исходной химической энергии: ^{[примечание 2]}

Прирост кинетической энергии спринтера на дистанции 100 м: 4 кДж

Прирост гравитационной потенциальной энергии 150 кг груза, поднятого на 2 метра: 3 кДж

Суточное потребление пищи нормальным взрослым: 6–8 МДж.

Казалось бы, живые организмы чрезвычайно неэффективны (в физическом смысле) в использовании получаемой энергии (химической или лучистой энергии), и это правда, что большинство реальных машин обладают более высокой эффективностью. В растущих организмах энергия, которая преобразуется в тепло, служит жизненно важной цели, так как позволяет тканям организма быть упорядоченными по отношению к молекулам, из которых она построена. Второй закон термодинамики гласит , что энергия (и материя) имеет тенденцию становиться более равномерно распределены по всей вселенной: к энергии концентрата (или вещества) в одном конкретном месте, необходимо разложить большее количество энергии ( в виде тепла) через остальную часть вселенной («окружение»). ^{[заметка 3]}Более простые организмы могут достигать более высокой энергоэффективности, чем более сложные, но сложные организмы могут занимать экологические ниши , недоступные их более простым собратьям. Преобразование части химической энергии в тепло на каждом этапе метаболического пути - это физическая причина пирамиды биомассы, наблюдаемой в экологии : сделать только первый шаг в пищевой цепи , из расчета 124,7 Пг / год углерод, который фиксируется путем фотосинтеза , 64,3 мкг / год (52%) используется для метаболизма зеленых растений ^[9], т.е. повторно превращается в диоксид углерода и тепло.

Науки о Земле

В геологии , дрейф континентов , горных хребтов , вулканов и землетрясений явления , которые могут быть объяснены с точки зрения преобразования энергии в недрах Земли, ^[10] в то время как метеорологические явления , как ветер, дождь, град , снег, молнии, смерчи и ураганы являются все это результат преобразований энергии, вызванных солнечной энергией в атмосфере планеты Земля.

Солнечный свет может храниться в виде потенциальной гравитационной энергии после того, как он попадает на Землю, так как (например) вода испаряется из океанов и оседает на горах (где после выброса на плотине гидроэлектростанции ее можно использовать для привода турбин или генераторов для производства электричество). Солнечный свет также является движущей силой многих погодных явлений, за исключением тех, которые вызваны вулканическими явлениями. Примером солнечного погодного явления является ураган, который возникает, когда большие нестабильные области теплого океана, нагретые в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить энергичное движение воздуха в течение нескольких дней.

В более медленном процессе радиоактивный распад атомов в ядре Земли выделяет тепло. Эта тепловая энергия движет тектонику плит и может поднимать горы за счет орогенеза.. Этот медленный подъем представляет собой своего рода накопление гравитационной потенциальной энергии тепловой энергии, которая позже может быть преобразована в активную кинетическую энергию при оползнях после триггерного события. Землетрясения также высвобождают запасенную упругую потенциальную энергию в горных породах - запас, который в конечном итоге был произведен из тех же радиоактивных источников тепла. Таким образом, согласно нынешнему пониманию, знакомые события, такие как оползни и землетрясения, высвобождают энергию, которая была сохранена в виде потенциальной энергии в гравитационном поле Земли или упругой деформации (механической потенциальной энергии) в скалах. До этого они представляют собой высвобождение энергии, которая хранилась в тяжелых атомах с тех пор, как коллапс давно разрушенных сверхновых звезд создал эти атомы.

Космология

В космологии и астрономии явления звезд , новых , сверхновых , квазаров и гамма-всплесков представляют собой наиболее эффективные преобразования энергии во Вселенной. Все звездные явления (включая солнечную активность) вызваны различными видами преобразований энергии. Энергия в таких преобразованиях возникает либо от гравитационного коллапса вещества (обычно молекулярного водорода) в различные классы астрономических объектов (звезды, черные дыры и т. Д.), Либо от ядерного синтеза (более легких элементов, в первую очередь водорода). Ядерный синтезВодород на Солнце также высвобождает еще один запас потенциальной энергии, который был создан во время Большого взрыва . В то время, согласно теории, пространство расширилось, и Вселенная остыла слишком быстро, чтобы водород полностью расплавился на более тяжелые элементы. Это означало, что водород представляет собой запас потенциальной энергии, которую можно высвободить при синтезе. Такой процесс термоядерного синтеза запускается теплом и давлением, создаваемым гравитационным коллапсом водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть энергии термоядерного синтеза затем преобразуется в солнечный свет.

Квантовая механика

В квантовой механике энергия определяется в терминах оператора энергии как производная по времени от волновой функции . Уравнение Шредингера приравнивает оператор энергии к полной энергии частицы или системы. Его результаты можно рассматривать как определение измерения энергии в квантовой механике. Уравнение Шредингера описывает пространственную и временную зависимость медленно меняющейся (нерелятивистской) волновой функции квантовых систем. Решение этого уравнения для связанной системы является дискретным (набор разрешенных состояний, каждое из которых характеризуется уровнем энергии ), что приводит к концепции квантов. При решении уравнения Шредингера для любого осциллятора (вибратора) и для электромагнитных волн в вакууме результирующие энергетические состояния связаны с частотой соотношением Планка : (где - постоянная Планка и частота). В случае электромагнитной волны эти энергетические состояния называются квантами света или фотонами .${\displaystyle E=h\nu }$${\displaystyle h}$${\displaystyle \nu }$

Относительность

При вычислении кинетической энергии ( работа по ускорению массивного тела от нулевой скорости до некоторой конечной скорости) релятивистски - с использованием преобразований Лоренца вместо ньютоновской механики - Эйнштейн обнаружил неожиданный побочный продукт этих вычислений - член энергии, который не обращается в нуль при нуле. скорость. Он назвал это энергией покоя : энергией, которой должно обладать каждое массивное тело, даже когда оно находится в состоянии покоя. Количество энергии прямо пропорционально массе тела:

${\displaystyle E_{0}=mc^{2}}$,

куда

m - масса тела,

c - скорость света в вакууме,

${\displaystyle E_{0}}$ это остальная энергия.

Например рассмотрим электрон - positron аннигиляции, в котором энергия покоя этих двух отдельных частиц ( что эквивалентно их массе покоя ) преобразуется в лучистую энергию фотонов , образующихся в процессе. В этой системе вещество и антивещество (электроны и позитроны) разрушаются и превращаются в нематерию (фотоны). Однако полная масса и полная энергия не меняются при этом взаимодействии. Каждый фотон не имеет массы покоя, но, тем не менее, обладает лучистой энергией, которая демонстрирует ту же инерцию, что и две исходные частицы. Это обратимый процесс - обратный процесс называется созданием пары. - в котором масса покоя частиц создается из лучистой энергии двух (или более) аннигилирующих фотонов.

В общей теории относительности тензор энергии-импульса служит источником для гравитационного поля, грубо аналогично тому, как масса служит источником в нерелятивистском ньютоновском приближении. ^[11]

Энергия и масса - это проявления одного и того же основного физического свойства системы. Это свойство отвечает за инерцию и силу гравитационного взаимодействия системы («массовые проявления»), а также за потенциальную способность системы выполнять работу или нагревание («энергетические проявления») с учетом ограничений другие физические законы.

В классической физике энергия - это скалярная величина, канонически сопряженная со временем. В специальной теории относительности энергия также является скаляром (хотя и не скаляром Лоренца, а временной составляющей 4-вектора энергии-импульса ). ^[11] Другими словами, энергия инвариантна относительно вращений пространства , но не инвариантна относительно вращений пространства-времени (= ускорения ).

Трансформация

Энергия может быть преобразована между различными формами с разной эффективностью . Предметы, которые трансформируются между этими формами, называются преобразователями . Примеры преобразователей включают батарею, от химической энергии до электрической энергии ; плотина: от гравитационной потенциальной энергии до кинетической энергии движущейся воды (и лопастей турбины ) и, в конечном итоге, до электрической энергии через электрический генератор ; или тепловой двигатель , от жары до работы.

Примеры преобразования энергии включают в себя выработку электроэнергии из тепловой энергии с помощью паровой турбины или подъем объекта против силы тяжести с использованием электрической энергии, приводящей в движение двигатель крана. Подъем против силы тяжести выполняет механическую работу с объектом и сохраняет в объекте потенциальную гравитационную энергию. Если объект падает на землю, гравитация выполняет механическую работу с объектом, которая преобразует потенциальную энергию в гравитационном поле в кинетическую энергию, выделяемую в виде тепла при ударе о землю. Наше Солнце преобразует ядерную потенциальную энергиюк другим формам энергии; его общая масса не уменьшается из-за этого самого по себе (поскольку он все еще содержит ту же полную энергию, даже если в разных формах), но его масса действительно уменьшается, когда энергия уходит в окружающую среду, в основном в виде лучистой энергии .

Существуют строгие ограничения на то, насколько эффективно тепло может быть преобразовано в работу в циклическом процессе, например, в тепловом двигателе, как описано теоремой Карно и вторым законом термодинамики . Однако некоторые преобразования энергии могут быть весьма эффективными. Направление преобразований энергии (какой вид энергии преобразуется в какой другой) часто определяется соображениями энтропии (равное распределение энергии среди всех доступных степеней свободы ). На практике все преобразования энергии разрешены в малом масштабе, но некоторые более крупные преобразования не разрешены, потому что статистически маловероятно, что энергия или материя случайным образом переместятся в более концентрированные формы или меньшие пространства.

Энергетические преобразования во Вселенной с течением времени характеризуются различными видами потенциальной энергии, которая была доступна после Большого взрыва, которая позже «высвобождается» (преобразуется в более активные типы энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия), когда доступен пусковой механизм. Знакомые примеры таких процессов включают ядерный распад, в котором энергия высвобождается , которая первоначально было «хранится» в тяжелых изотопах (такие , как уран и торий ), с помощью нуклеосинтеза , в конечном счете , процесс с использованием гравитационного потенциала энергии , выделяемой из гравитационного коллапса из сверхновыхдля хранения энергии при создании этих тяжелых элементов до того, как они были включены в Солнечную систему и Землю. Эта энергия запускается и высвобождается в ядерных бомбах деления или в гражданской ядерной энергетике. Аналогичным образом , в случае химического взрыва , химический потенциал энергия преобразуется в кинетическую энергию и тепловую энергию в очень короткий промежуток времени. Еще один пример - маятник . В самых высоких точках кинетическая энергия равна нулю, а гравитационная потенциальная энергия максимальна. В самой нижней точке кинетическая энергия максимальна и равна уменьшениюпотенциальная энергия . Если (нереалистично) предположить, что нет трения или других потерь, преобразование энергии между этими процессами будет идеальным, и маятник будет продолжать качаться бесконечно.

Энергия также постоянно передается от потенциальной энергии ( ) к кинетической энергии ( ), а затем обратно к потенциальной энергии. Это называется сохранением энергии. В этой закрытой системе энергия не может быть создана или уничтожена; следовательно, начальная энергия и конечная энергия будут равны друг другу. Это можно продемонстрировать следующим образом:${\displaystyle E_{p}}$${\displaystyle E_{k}}$

${\displaystyle E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}}$

( 4 )

Затем уравнение можно упростить еще больше, поскольку (масса, умноженная на ускорение силы тяжести, умноженное на высоту) и (половина массы, умноженная на квадрат скорости). Тогда общее количество энергии можно найти, сложив .${\displaystyle E_{p}=mgh}$${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{total}}$

Сохранение энергии и массы при трансформации

Энергия увеличивает вес, когда она попадает в систему с нулевым импульсом, где ее можно взвесить. Это также эквивалентно массе, и эта масса всегда связана с ней. Масса также эквивалентна определенному количеству энергии и также всегда оказывается связанной с ней, как описано в эквиваленте массы и энергии . Формула E  =  mc ², полученная Альбертом Эйнштейном (1905), количественно определяет взаимосвязь между массой покоя и энергией покоя в рамках концепции специальной теории относительности. В различных теоретических рамках аналогичные формулы были выведены Дж. Дж. Томсоном (1881 г.), Анри Пуанкаре (1900 г.), Фридрихом Хазенёрлем (1904 г.) и другими (см.Эквивалентность массы и энергии # История для получения дополнительной информации).

Часть энергии покоя (эквивалентная массе покоя) материи может быть преобразована в другие формы энергии (все еще сохраняя массу), но ни энергия, ни масса не могут быть уничтожены; скорее, оба остаются неизменными во время любого процесса. Однако, поскольку она чрезвычайно велика по сравнению с обычными человеческими весами, преобразование повседневного количества массы покоя (например, 1 кг) из энергии покоя в другие формы энергии (например, кинетическую энергию, тепловую энергию или переносимую лучистую энергию). светом и другим излучением) может высвободить огромное количество энергии (~${\displaystyle c^{2}}$${\displaystyle 9\times 10^{16}}$джоуль = 21 мегатонна в тротиловом эквиваленте), что можно увидеть в ядерных реакторах и ядерном оружии. И наоборот, массовый эквивалент ежедневного количества энергии ничтожен, поэтому потерю энергии (потерю массы) в большинстве систем трудно измерить на весах, если только потеря энергии не очень велика. Примеры больших преобразований между энергией покоя (материи) и другими формами энергии (например, кинетической энергией в частицы с массой покоя) можно найти в ядерной физике и физике элементарных частиц .

Обратимые и необратимые превращения

Термодинамика делит преобразование энергии на два вида: обратимые процессы и необратимые процессы.. Необратимый процесс - это процесс, в котором энергия рассеивается (распространяется) в пустые энергетические состояния, доступные в объеме, из которых она не может быть восстановлена ​​в более концентрированные формы (меньшее количество квантовых состояний) без деградации еще большей энергии. Обратимый процесс - это процесс, в котором такого рода диссипация не происходит. Например, преобразование энергии из одного типа потенциального поля в другой является обратимым, как в описанной выше маятниковой системе. В процессах, в которых генерируется тепло, квантовые состояния с более низкой энергией, присутствующие в качестве возможных возбуждений в полях между атомами, действуют как резервуар для части энергии, из которой она не может быть восстановлена, для преобразования со 100% эффективностью в другие. формы энергии. В этом случае энергия должна частично оставаться в виде тепла и не может быть полностью восстановлена ​​в виде полезной энергии.за исключением увеличения некоторого другого теплового увеличения беспорядка в квантовых состояниях во Вселенной (например, расширение материи или рандомизация в кристалле).

По мере того, как Вселенная развивается во времени, все больше и больше ее энергии оказывается в необратимых состояниях (то есть в виде тепла или других видов увеличения беспорядка). Это было названо неизбежной термодинамической тепловой смертью Вселенной . В этой тепловой смерти энергия Вселенной не изменяется, но часть энергии, которая доступна для работы с помощью теплового двигателя , или может быть преобразована в другие полезные формы энергии (с помощью генераторов, прикрепленных к тепловым двигателям), растет все меньше и меньше.

Сохранение энергии

Тот факт, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, называется законом сохранения энергии . В форме первого закона термодинамики это гласит, что энергия замкнутой системы постоянна, если энергия не передается внутрь или наружу посредством работы или тепла , и что энергия не теряется при передаче. Общий приток энергии в систему должен равняться общему оттоку энергии из системы плюс изменение энергии, содержащейся в системе. Всякий раз, когда кто-то измеряет (или вычисляет) полную энергию системы частиц, взаимодействия которых не зависят явно от времени, оказывается, что полная энергия системы всегда остается постоянной. ^[12]

В то время как высокая температура может быть всегда полностью превращается в работу в обратимом изотермическом расширении идеального газа, для циклических процессов , представляющих практический интерес в тепловых двигателей на второй закон термодинамики гласит , что система делает работу всегда теряет некоторую энергию как отходящее тепло . Это создает ограничение на количество тепловой энергии, которая может работать в циклическом процессе, предел, называемый доступной энергией . Механическая и другие формы энергии могут быть преобразованы в другом направлении в тепловую энергию без таких ограничений. ^[13] Полная энергия системы может быть рассчитана путем сложения всех форм энергии в системе.

Ричард Фейнман сказал во время лекции 1961 года: ^[14]

Есть факт или, если хотите, закон , регулирующий все известные на сегодняшний день природные явления. Нет никаких известных исключений из этого закона - насколько нам известно, он точен. Закон называется сохранением энергии . В нем говорится, что существует определенная величина, которую мы называем энергией, которая не изменяется во многих изменениях, которым подвергается природа. Это самая абстрактная идея, потому что это математический принцип; он говорит, что есть числовая величина, которая не меняется, когда что-то происходит. Это не описание механизма или чего-то конкретного; Просто странный факт, что мы можем вычислить какое-то число, и когда мы закончим наблюдать, как природа выполняет свои уловки и снова вычисляет число, это то же самое.

-  Лекции Фейнмана по физике

Большинство видов энергии (за исключением гравитационной энергии) ^[15] также подчиняются строгим локальным законам сохранения. В этом случае обмен энергией может происходить только между соседними областями пространства, и все наблюдатели соглашаются относительно объемной плотности энергии в любом данном пространстве. Также существует глобальный закон сохранения энергии, гласящий, что полная энергия Вселенной не может изменяться; это следствие местного законодательства, но не наоборот. ^{[13] [14]}

Этот закон - фундаментальный принцип физики. Как строго показано теоремой Нётер , сохранение энергии является математическим следствием трансляционной симметрии времени ^[16], свойством большинства явлений ниже космического масштаба, которое делает их независимыми от их местоположения на временной координате. Иными словами, вчера, сегодня и завтра физически неотличимы. Это потому, что энергия - это величина, которая канонически сопряженако времени. Эта математическая путаница энергии и времени также приводит к принципу неопределенности - невозможно определить точное количество энергии в течение любого определенного интервала времени. Принцип неопределенности не следует путать с сохранением энергии - он скорее устанавливает математические пределы, до которых в принципе можно определять и измерять энергию.

Каждая из основных сил природы связана с различным типом потенциальной энергии, и все типы потенциальной энергии (как и все другие типы энергии) проявляются как масса системы , когда бы они ни были. Например, сжатая пружина будет немного массивнее, чем до сжатия. Аналогичным образом, всякий раз, когда энергия передается между системами с помощью какого-либо механизма, вместе с ней передается соответствующая масса.

В квантовой механике энергия выражается с помощью оператора Гамильтона . В любых временных масштабах неопределенность энергии равна

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}$

который по форме похож на принцип неопределенности Гейзенберга (но не является математически эквивалентным ему, поскольку H и t не являются динамически сопряженными переменными ни в классической, ни в квантовой механике).

В физике элементарных частиц это неравенство позволяет качественно понять виртуальные частицы, которые несут импульс , обмен которыми и с реальными частицами отвечает за создание всех известных фундаментальных сил (более точно известных как фундаментальные взаимодействия ). Виртуальные фотоны также ответственны за электростатическое взаимодействие между электрическими зарядами (которое приводит к закону Кулона ), за спонтанный радиационный распад возбужденных состояний атома и ядра, за силу Казимира, силы связи Ван-дер-Ваальса и некоторые другие наблюдаемые явления.

Передача энергии

Закрытые системы

Перенос энергии можно рассматривать для частного случая систем, закрытых для переноса вещества. Доля энергии, которая передается консервативными силами на расстояние, измеряется как работа, которую система-источник выполняет над принимающей системой. Часть энергии, которая не работает во время передачи, называется теплом . ^{[примечание 4]} Энергия может передаваться между системами различными способами. Примеры включают передачу электромагнитной энергии через фотоны, физические столкновения, передающие кинетическую энергию , ^{[примечание 5]} и кондуктивный перенос тепловой энергии .

Энергия строго сохраняется, а также сохраняется локально везде, где это можно определить. В термодинамике для закрытых систем процесс передачи энергии описывается первым законом : ^{[примечание 6]}

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q}$

( 1 )

где - количество переданной энергии,   представляет работу, проделанную в системе, и представляет собой тепловой поток в систему. В качестве упрощения термином "тепло" иногда пренебрегают, особенно когда термический КПД передачи высок.${\displaystyle E}$${\displaystyle W}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle Q}$

${\displaystyle \Delta {}E=W}$

( 2 )

Это упрощенное уравнение используется, например, для определения джоуля .

Открытые системы

Помимо ограничений закрытых систем, открытые системы могут набирать или терять энергию в связи с переносом материи (оба этих процесса иллюстрируются заправкой автомобиля, системы, которая таким образом получает энергию без добавления работы или тепла). Обозначая эту энергию через , можно написать${\displaystyle E}$

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q+E.}$

( 3 )

Термодинамика

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия - это сумма всех микроскопических форм энергии системы. Это энергия, необходимая для создания системы. Это связано с потенциальной энергией, например, молекулярной структурой, кристаллической структурой и другими геометрическими аспектами, а также с движением частиц в форме кинетической энергии. Термодинамика в основном занимается изменениями внутренней энергии, а не ее абсолютным значением, которое невозможно определить с помощью одной только термодинамики. ^[17]

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает , что энергия (но не обязательно термодинамическая свободная энергия ) всегда сохраняются ^[18] и что тепловой поток является формой передачи энергии. Для однородных систем с четко определенными температурой и давлением обычно используемое следствие первого закона состоит в том, что для системы, подверженной только силам давления и теплопередаче (например, баллон, полный газа) без химических изменений, дифференциальное изменение внутренней энергии системы (с приростом энергии, обозначенным положительной величиной) задается как

${\displaystyle \mathrm {d} E=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V\,}$,

где первый член справа - это тепло, передаваемое в систему, выраженное через температуру T и энтропию S (в которой энтропия увеличивается, а изменение d S является положительным при нагревании системы), а последний член справа Сторона стороны идентифицируется как работа, выполненная в системе, где давление P и объем V (отрицательный знак возникает, поскольку сжатие системы требует выполнения работы над ней, и поэтому изменение объема, d V , является отрицательным, когда работа выполняется в системе).

Это уравнение очень специфично, игнорируя все химические, электрические, ядерные и гравитационные силы, такие как адвекция любой формы энергии, кроме тепла и pV-работы. Общая формулировка первого закона (т. Е. Сохранения энергии) верна даже в ситуациях, когда система неоднородна. Для этих случаев изменение внутренней энергии замкнутой системы выражается в общем виде соотношением

${\displaystyle \mathrm {d} E=\delta Q+\delta W}$

где - тепло, подводимое к системе, и - работа, приложенная к системе.${\displaystyle \delta Q}$${\displaystyle \delta W}$

Равное распределение энергии

Энергия механического гармонического осциллятора (масса на пружине) является альтернативной кинетической и потенциальной энергией . В двух точках цикла колебаний он полностью кинетический, а в двух точках - полностью потенциальный. Таким образом, в течение всего цикла или многих циклов чистая энергия поровну распределяется между кинетической и потенциальной. Это называется принципом равнораспределения ; полная энергия системы со многими степенями свободы поровну распределяется между всеми доступными степенями свободы.

Этот принцип жизненно важен для понимания поведения величины, тесно связанной с энергией, называемой энтропией . Энтропия - это мера равномерности распределения энергии между частями системы. Когда изолированной системе дается больше степеней свободы (т. Е. Заданы новые доступные энергетические состояния , которые такие же, как и существующие), тогда общая энергия распределяется по всем доступным степеням одинаково без различия между «новыми» и «старыми» степенями. Этот математический результат называется вторым началом термодинамики . Второй закон термодинамики справедлив только для систем, которые находятся в состоянии, близком или находящемся в равновесном состоянии.. Для неравновесных систем законы, управляющие поведением системы, все еще остаются спорными. Одним из руководящих принципов этих систем является принцип максимального производства энтропии . ^{[19] [20]} Он утверждает, что неравновесные системы ведут себя таким образом, чтобы максимизировать производство энтропии. ^[21]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

дальнейшее чтение

Журналы

• Журнал истории энергетики / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018-

внешняя ссылка

• Энергия в Curlie
• Различия между теплом и тепловой энергией - BioCab