Энергия

Физическая величина

Энергия (от др.-греч. ἐνέργεια ( enérgeia )  «активность») — количественное свойство , которое передается телу или физической системе , распознаваемое при выполнении работы и в форме тепла и света . Энергия — сохраняющаяся величина — закон сохранения энергии гласит, что энергия может быть преобразована в форму, но не создана или уничтожена; материя и энергия также могут быть преобразованы друг в друга. Единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж).

Формы энергии включают кинетическую энергию движущегося объекта, потенциальную энергию, запасенную объектом (например, из-за его положения в поле ) , упругую энергию, запасенную в твердом объекте, химическую энергию, связанную с химическими реакциями , лучистую энергию, переносимую электромагнитным излучением , внутреннюю энергию, содержащуюся в термодинамической системе , и энергию покоя, связанную с массой покоя объекта .

Все живые организмы постоянно потребляют и выделяют энергию. Климат Земли и процессы экосистем в основном управляются лучистой энергией солнца . ^[1] Энергетическая промышленность обеспечивает энергию, необходимую для функционирования человеческой цивилизации, которую она получает из таких энергетических ресурсов , как ископаемое топливо , ядерное топливо , возобновляемая энергия и геотермальная энергия .

Формы

При типичном ударе молнии 500 мегаджоулей электрической потенциальной энергии преобразуются в такое же количество энергии в других формах, в основном в световую энергию , звуковую энергию и тепловую энергию .

Тепловая энергия — это энергия микроскопических составляющих материи, которая может включать как кинетическую , так и потенциальную энергию .

Полная энергия системы может быть подразделена и классифицирована на потенциальную энергию , кинетическую энергию или их комбинации различными способами. Кинетическая энергия определяется движением объекта – или составным движением компонентов объекта – в то время как потенциальная энергия отражает потенциал объекта иметь движение, как правило, основанный на положении объекта в поле или на том, что хранится в самом поле. ^[2]

Хотя эти две категории достаточны для описания всех форм энергии, часто бывает удобно ссылаться на конкретные комбинации потенциальной и кинетической энергии как на ее собственную форму. Например, сумма поступательной и вращательной кинетической и потенциальной энергии внутри системы называется механической энергией , тогда как ядерная энергия относится к объединенным потенциалам внутри атомного ядра либо от ядерной силы , либо от слабой силы , среди прочих примеров. ^[3]

История

Томас Янг , первый человек, использовавший термин «энергия» в современном смысле

Слово «энергия» происходит от древнегреческого : ἐνέργεια , романизированного :  energeia , букв.  «деятельность, действие», ^[4], которое, возможно, впервые появляется в работе Аристотеля в 4 веке до н. э. В отличие от современного определения, energeia была качественной философской концепцией, достаточно широкой, чтобы включать такие идеи, как счастье и удовольствие.

В конце 17-го века Готфрид Лейбниц предложил идею латинского термина vis viva , или живой силы, которая определялась как произведение массы объекта на его скорость в квадрате; он считал, что общая vis viva сохраняется. Чтобы учесть замедление из-за трения, Лейбниц выдвинул теорию, что тепловая энергия состоит из движений составных частей материи, хотя прошло более столетия, прежде чем это стало общепринятым. Современный аналог этого свойства, кинетическая энергия , отличается от vis viva всего в два раза. В начале 18-го века Эмили дю Шатле предложила концепцию сохранения энергии в заметках на полях своего перевода на французский язык Principia Mathematica Ньютона , которая представляла собой первую формулировку сохраняющейся измеримой величины, которая отличалась от импульса и которая позже была названа «энергией».

В 1807 году Томас Юнг , возможно, был первым, кто использовал термин «энергия» вместо vis viva в его современном смысле. ^[5] Гюстав-Гаспар Кориолис описал « кинетическую энергию » в 1829 году в ее современном смысле, а в 1853 году Уильям Ранкин 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 велись споры о том, является ли тепло физической субстанцией, названной теплородом , или просто физической величиной, такой как импульс . В 1845 году Джеймс Прескотт Джоуль открыл связь между механической работой и выделением тепла.

Эти разработки привели к теории сохранения энергии, формализованной в значительной степени Уильямом Томсоном ( лорд Кельвин ) как область термодинамики . Термодинамика способствовала быстрому развитию объяснений химических процессов Рудольфом Клаузиусом , Джозайей Уиллардом Гиббсом и Вальтером Нернстом . Она также привела к математической формулировке концепции энтропии Клаузиусом и к введению законов лучистой энергии Йожефом Стефаном . Согласно теореме Нётер , сохранение энергии является следствием того факта, что законы физики не меняются со временем. ^[6] 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

Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Опускающийся груз, прикрепленный к струне, заставляет вращаться погруженную в воду лопатку.

В Международной системе единиц (СИ) единицей энергии является джоуль . Это производная единица , которая равна затраченной энергии или выполненной работе при приложении силы в один ньютон на расстоянии одного метра. Однако энергия может быть выражена и во многих других единицах, не входящих в СИ, таких как эрги , калории , британские тепловые единицы , киловатт-часы и килокалории , которые требуют коэффициента перевода при выражении в единицах СИ.

Единицей измерения мощности в системе СИ , определяемой как энергия в единицу времени, является ватт , что равно джоулю в секунду. Таким образом, один джоуль равен одному ватт-секунде, а 3600 джоулей равны одному ватт-часу. Единицей измерения энергии в системе СГС является эрг , а имперской и общепринятой в США единицей является фут-фунт . Другие единицы измерения энергии, такие как электронвольт , пищевая калория или термодинамическая ккал (основанная на изменении температуры воды в процессе нагрева) и БТЕ , используются в определенных областях науки и торговли.

В 1843 году французский физик Джеймс Прескотт Джоуль , в честь которого названа единица измерения, обнаружил, что гравитационная потенциальная энергия, теряемая падающим грузом, прикрепленным с помощью нити, равна внутренней энергии, приобретаемой водой за счет трения о весло.

Научное использование

Классическая механика

В классической механике энергия является концептуально и математически полезным свойством, поскольку это сохраняющаяся величина . Было разработано несколько формулировок механики, использующих энергию в качестве основного понятия.

Работа , функция энергии, равна произведению силы на расстояние.

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

Это говорит о том, что работа ( ) равна линейному интегралу силы F вдоль пути C ; подробности см. в статье о механической работе . Работа и, следовательно, энергия зависят от системы отсчета . Например, рассмотрим мяч , который ударяет бита. В системе отсчета центра масс бита не совершает никакой работы над мячом. Но в системе отсчета человека, размахивающего битой, над мячом совершается 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 прямые аналоги в нерелятивистской квантовой механике. ^[7]

Другое понятие, связанное 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 быть выведены из них. Он был изобретен в контексте классической механики , но, как правило, полезен 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. Обобщение основополагающих формулировок о константах движения в лагранжевой и гамильтоновой механике (1788 и 1833 соответственно), она не применима к системам, которые не могут быть смоделированы с помощью лагранжиана; например, диссипативные системы с непрерывными симметриями не обязательно должны иметь соответствующий закон сохранения.

Химия

В контексте химии энергия является атрибутом вещества как следствие его атомной, молекулярной или агрегатной структуры. Поскольку химическое превращение сопровождается изменением одного или нескольких из этих видов структуры, оно обычно сопровождается уменьшением, а иногда и увеличением общей энергии вовлеченных веществ. Некоторая энергия может передаваться между окружающей средой и реагентами в форме тепла или света; таким образом, продукты реакции иногда имеют больше, но обычно меньше энергии, чем реагенты. Реакция называется экзотермической или экзергонической , если конечное состояние находится ниже по шкале энергии, чем начальное состояние; в менее распространенном 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  T ) связана с энергией активации  E с помощью фактора заселенности Больцмана e ^{− E / kT} ; то есть вероятности того, что молекула будет иметь энергию, большую или равную  E при данной температуре  T . Эта экспоненциальная зависимость скорости реакции от температуры известна как уравнение Аррениуса . Энергия активации, необходимая для химической реакции, может быть предоставлена ​​в форме тепловой энергии.

Биология

Базовый обзор энергии и жизни человека

В биологии энергия является атрибутом всех биологических систем, от биосферы до мельчайшего живого организма. Внутри организма она отвечает за рост и развитие биологической клетки или органеллы биологического организма. Энергия, используемая при дыхании, хранится в таких веществах, как углеводы (включая сахара), липиды и белки, хранящиеся в клетках . В человеческих терминах человеческий эквивалент (He) (преобразование человеческой энергии) указывает, для заданного количества расходуемой энергии, относительное количество энергии, необходимое для человеческого метаболизма , используя в качестве стандарта средний расход человеческой энергии 12 500 кДж в день и базальную скорость метаболизма 80 Вт.

Например, если наши тела работают (в среднем) на 80 Вт, то лампочка, работающая на 100 Вт, работает на 1,25 человеческих эквивалентов (100 ÷ 80), т. е. 1,25 He. Для сложной задачи продолжительностью всего несколько секунд человек может выдать тысячи ватт, во много раз больше 746 Вт в одной официальной лошадиной силе. Для задач, длящихся несколько минут, здоровый человек может выработать, возможно, 1000 Вт. Для деятельности, которая должна поддерживаться в течение часа, выход падает примерно до 300; для деятельности, поддерживаемой в течение всего дня, 150 Вт — это примерно максимум. ^[8] Человеческий эквивалент помогает понять потоки энергии в физических и биологических системах, выражая единицы энергии в человеческих терминах: он дает «ощущение» использования заданного количества энергии. ^[9]

Лучистая энергия солнечного света также улавливается растениями как химическая потенциальная энергия в фотосинтезе , когда углекислый газ и вода (два низкоэнергетических соединения) преобразуются в углеводы, липиды, белки и кислород. Высвобождение энергии, накопленной во время фотосинтеза в виде тепла или света, может быть вызвано внезапной искрой в лесном пожаре, или она может быть доступна более медленно для метаболизма животных или человека, когда органические молекулы поглощаются и катаболизм запускается действием фермента .

Все живые существа полагаются на внешний источник энергии, чтобы иметь возможность расти и размножаться – лучистая энергия Солнца в случае зеленых растений и химическая энергия (в той или иной форме) в случае животных. Ежедневные 1500–2000  калорий (6–8 МДж), рекомендуемые для взрослого человека, берутся в виде молекул пищи, в основном углеводов и жиров, из которых глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и стеарин (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) являются удобными примерами. Молекулы пищи окисляются до углекислого газа и воды в митохондриях , и часть энергии используется для преобразования АДФ в АТФ : $${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$$ $${\displaystyle {\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$$

АДФ + _HPO42− → АТФ ⁺ _H2O

Остальная часть химической энергии углеводов или жиров преобразуется в тепло: АТФ используется как своего рода «энергетическая валюта», и часть содержащейся в нем химической энергии используется для другого метаболизма , когда АТФ реагирует с ОН-группами и в конечном итоге расщепляется на АДФ и фосфат (на каждом этапе метаболического пути часть химической энергии преобразуется в тепло). Только крошечная часть исходной химической энергии используется для работы : ^{[примечание 1]}

Прирост кинетической энергии спринтера при беге на 100 м: 4 кДж

Прирост гравитационной потенциальной энергии при подъеме груза массой 150 кг на высоту 2 метра: 3 кДж

Суточное потребление пищи взрослым человеком: 6–8 МДж.

Похоже, что живые организмы в высшей степени неэффективны (в физическом смысле) в использовании получаемой ими энергии (химической или лучистой); большинство машин справляются с более высокой эффективностью. В растущих организмах энергия, преобразуемая в тепло, служит жизненно важной цели, поскольку она позволяет тканям организма быть высокоупорядоченными относительно молекул, из которых они построены. Второй закон термодинамики гласит, что энергия (и материя) имеет тенденцию становиться более равномерно распределенной по вселенной: чтобы сконцентрировать энергию (или материю) в одном определенном месте, необходимо распределить большее количество энергии (в виде тепла) по остальной части вселенной («окружающей среде»). ^{[примечание 2]} Более простые организмы могут достигать более высокой энергетической эффективности, чем более сложные, но сложные организмы могут занимать экологические ниши , которые недоступны их более простым собратьям. Преобразование части химической энергии в тепло на каждом этапе метаболического пути является физической причиной пирамиды биомассы, наблюдаемой в экологии . В качестве примера возьмем только первый шаг в пищевой цепи : из предполагаемых 124,7 Пг/год углерода, которые фиксируются в процессе фотосинтеза , 64,3 Пг/год (52%) используются для метаболизма зеленых растений ^[10] , т.е. преобразуются обратно в углекислый газ и тепло.

Науки о Земле

В геологии дрейф континентов , горные хребты , вулканы и землетрясения — это явления, которые можно объяснить с точки зрения энергетических преобразований в недрах Земли ^[11], в то время как метеорологические явления , такие как ветер, дождь, град , снег, молнии, торнадо и ураганы, являются результатом энергетических преобразований в нашей атмосфере , вызванных солнечной энергией .

Солнечный свет является основным источником энергии Земли , который отвечает за ее температуру и стабильность климата. Солнечный свет может сохраняться в виде гравитационной потенциальной энергии после того, как он попадает на Землю, например, когда вода испаряется из океанов и оседает на горах (где, после выброса на гидроэлектростанцию, она может использоваться для приведения в действие турбин или генераторов для производства электроэнергии). Солнечный свет также управляет большинством погодных явлений, за исключением нескольких исключений, таких как те, которые возникают в результате вулканических событий, например. Примером погодного явления, вызванного воздействием солнца, является ураган, который возникает, когда большие нестабильные области теплого океана, нагревавшиеся в течение месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии для питания нескольких дней бурного движения воздуха.

В более медленном процессе радиоактивный распад атомов в ядре Земли высвобождает тепло. Эта тепловая энергия приводит в движение тектонику плит и может поднимать горы посредством орогенеза . Этот медленный подъем представляет собой своего рода гравитационное потенциальное хранение тепловой энергии, которая впоследствии может быть преобразована в активную кинетическую энергию во время оползней после инициирующего события. Землетрясения также высвобождают накопленную упругую потенциальную энергию в горных породах, запас, который в конечном итоге был произведен из тех же источников радиоактивного тепла. Таким образом, согласно современному пониманию, знакомые события, такие как оползни и землетрясения, высвобождают энергию, которая была сохранена как потенциальная энергия в гравитационном поле Земли или упругая деформация (механическая потенциальная энергия) в горных породах. До этого они представляют собой высвобождение энергии, которая была сохранена в тяжелых атомах с момента коллапса давно разрушенных сверхновых звезд (которые создали эти атомы).

Космология

В космологии и астрономии явления звезд , новых звезд , сверхновых звезд , квазаров и гамма-всплесков являются самыми высокопроизводительными энергетическими преобразованиями материи во Вселенной. Все звездные явления (включая солнечную активность) обусловлены различными видами энергетических преобразований. Энергия в таких преобразованиях возникает либо из гравитационного коллапса материи (обычно молекулярного водорода) в различные классы астрономических объектов (звезды, черные дыры и т. д.), либо из ядерного синтеза (более легких элементов, в первую очередь водорода).

Ядерный синтез водорода на Солнце также высвобождает другой запас потенциальной энергии, который был создан во время Большого взрыва . В то время, согласно теории, пространство расширялось, а Вселенная охлаждалась слишком быстро для того, чтобы водород мог полностью слиться с более тяжелыми элементами. Это означало, что водород представляет собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена путем синтеза. Такой процесс синтеза запускается теплом и давлением, генерируемыми при гравитационном коллапсе водородных облаков, когда они производят звезды, и часть энергии синтеза затем преобразуется в солнечный свет.

Квантовая механика

В квантовой механике энергия определяется в терминах оператора энергии (гамильтониана) как производной по времени 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 пространственно-временную зависимость медленно изменяющейся (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 понятию квантов . В решении уравнения Шредингера для любого осциллятора (вибратора) и для электромагнитных волн в вакууме результирующие энергетические состояния связаны с частотой соотношением Планка : (где — постоянная Планка , а частота). В случае электромагнитной волны эти энергетические состояния называются квантами света или фотонами . ${\displaystyle E=h\nu }$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle \nu }$

Относительность

При релятивистском вычислении кинетической энергии ( работы по ускорению массивного тела от нулевой скорости до некоторой конечной скорости) – с использованием преобразований Лоренца вместо механики Ньютона – Эйнштейн обнаружил неожиданный побочный продукт этих вычислений – энергетический член, который не исчезает при нулевой скорости. Он назвал его энергией покоя : энергией, которой каждое массивное тело должно обладать, даже находясь в состоянии покоя. Количество энергии прямо пропорционально массе тела:

$${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2},}$$где

• m ₀ — масса покоя тела,
• c — скорость света в вакууме,
• ${\displaystyle E_{0}}$это энергия покоя.

Например, рассмотрим аннигиляцию электрона и позитрона , в которой энергия покоя этих двух отдельных частиц (эквивалентная их массе покоя) преобразуется в энергию излучения фотонов, образующихся в процессе. В этой системе материя и антиматерия ( электроны и позитроны) разрушаются и превращаются в не-материю (фотоны). Однако общая масса и общая энергия не изменяются во время этого взаимодействия. Каждый из фотонов не имеет массы покоя, но, тем не менее, имеет энергию излучения, которая проявляет ту же инерцию, что и две исходные частицы. Это обратимый процесс — обратный процесс называется созданием пары — в котором масса покоя частиц создается из энергии излучения двух (или более) аннигилирующих фотонов.

В общей теории относительности тензор энергии-импульса служит исходным членом для гравитационного поля, грубо говоря, аналогично тому, как масса служит исходным членом в нерелятивистском ньютоновском приближении. ^[12]

Энергия и масса являются проявлениями одного и того же базового физического свойства системы. Это свойство отвечает за инерцию и силу гравитационного взаимодействия системы («проявления массы»), а также за потенциальную способность системы выполнять работу или нагреваться («проявления энергии»), при условии ограничений других физических законов.

В классической физике энергия — скалярная величина, канонически сопряженная времени. В специальной теории относительности энергия также является скаляром (хотя и не скаляром Лоренца, а временной компонентой 4-вектора энергии-импульса ). ^[12] Другими словами, энергия инвариантна относительно вращений пространства , но не инвариантна относительно вращений пространства-времени (= ускорений ).

Трансформация

Турбогенератор преобразует энергию сжатого пара в электрическую энергию .

Энергия может быть преобразована между различными формами с различной эффективностью . Элементы, которые преобразуются между этими формами, называются преобразователями . Примерами преобразователей являются батарея (из химической энергии в электрическую ), плотина (из гравитационной потенциальной энергии в кинетическую энергию движущейся воды (и лопастей турбины ) и в конечном итоге в электрическую энергию через электрогенератор ) и тепловой двигатель (из тепла в работу).

Примерами преобразования энергии являются получение 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 над объектом и сохраняет гравитационную потенциальную энергию в объекте. Если объект падает на землю, гравитация выполняет механическую работу над объектом, которая преобразует потенциальную энергию в гравитационном поле в кинетическую энергию, выделяемую в виде тепла при ударе о землю. Солнце преобразует ядерную потенциальную энергию в другие формы энергии; его общая масса не уменьшается из-за этого самого (поскольку оно все еще содержит ту же самую полную энергию даже в разных формах), но его масса уменьшается, когда энергия выходит в его окружение, 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 довольно эффективными. Направление преобразований энергии (какой вид энергии преобразуется в какой другой вид) часто определяется соображениями энтропии (равное распределение энергии между всеми доступными степенями свободы ). На практике все преобразования энергии разрешены в малых масштабах, но некоторые более крупные преобразования не разрешены, поскольку статистически маловероятно, что энергия или материя будут случайным образом перемещаться в более концентрированные формы или меньшие пространства.

Энергетические преобразования во Вселенной с течением времени характеризуются различными видами потенциальной энергии, которая была доступна с момента Большого взрыва , будучи «высвобождаемой» (преобразованной в более активные типы энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия), когда доступен пусковой механизм. Знакомые примеры таких процессов включают нуклеосинтез , процесс, в конечном счете использующий гравитационную потенциальную энергию, высвобождаемую при гравитационном коллапсе сверхновых , для «хранения» энергии при создании тяжелых изотопов (таких как уран и торий ), и ядерный распад , процесс, в котором высвобождается энергия, которая изначально хранилась в этих тяжелых элементах, 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. Аналогично, в случае химического взрыва химическая потенциальная энергия преобразуется в кинетическую и тепловую энергию за очень короткое время.

Еще один пример — маятник . В своих самых высоких точках кинетическая энергия равна нулю, а гравитационная потенциальная энергия максимальна. В самой низкой точке кинетическая энергия максимальна и равна уменьшению потенциальной энергии . Если (нереалистично) предположить, что нет трения или других потерь, преобразование энергии между этими процессами было бы идеальным, и маятник продолжал бы качаться вечно.

Энергия также постоянно переходит из потенциальной энергии ( ) в кинетическую энергию ( ), а затем обратно в потенциальную энергию. Это называется сохранением энергии. В этой изолированной системе энергия не может быть создана или уничтожена; поэтому начальная энергия и конечная энергия будут равны друг другу. Это можно продемонстрировать следующим образом: ${\displaystyle E_{p}}$ ${\displaystyle E_{k}}$

Уравнение можно упростить еще больше, так как (масса умножить на ускорение свободного падения, умноженное на высоту) и (половина массы умножить на квадрат скорости). Затем общее количество энергии можно найти, добавив . ${\displaystyle E_{p}=mgh}$ ${\textstyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$ ${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}}$

Сохранение энергии и массы при преобразовании

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

Часть энергии покоя (эквивалентной массе покоя) материи может быть преобразована в другие формы энергии (все еще демонстрирующие массу), но ни энергия, ни масса не могут быть уничтожены; скорее, обе остаются постоянными в течение любого процесса. Однако, поскольку чрезвычайно велика по сравнению с обычными человеческими масштабами, преобразование повседневного количества массы покоя (например, 1 кг) из энергии покоя в другие формы энергии (такие как кинетическая энергия, тепловая энергия или лучистая энергия, переносимая светом и другим излучением) может высвободить огромное количество энергии (~ джоулей = 21 мегатонна тротила), как можно увидеть в ядерных реакторах и ядерном оружии. ${\displaystyle c^{2}}$ ${\displaystyle 9\times 10^{16}}$

Наоборот, эквивалент массы ежедневного количества энергии ничтожно мал, поэтому потерю энергии (потерю массы) большинства 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 . Однако часто полное преобразование материи (например, атомов) в не-материю (например, фотоны) запрещено законами сохранения .

Обратимые и необратимые преобразования

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 которого она не может быть восстановлена ​​в более концентрированные формы (меньше квантовых состояний) без деградации еще большего количества энергии. Обратимый процесс — это процесс, в котором такого рода рассеивание не происходит. Например, преобразование энергии из одного типа потенциального поля в другой является обратимым, как в маятниковой системе, описанной выше.

В процессах, где генерируется тепло, квантовые состояния с более низкой энергией, представленные как возможные возбуждения в полях между атомами, действуют как резервуар для части энергии, из которой она не может быть восстановлена, чтобы быть преобразованной со 100% эффективностью в другие формы энергии. В этом случае энергия должна частично оставаться в виде тепловой энергии и не может быть полностью восстановлена ​​в качестве полезной энергии, за исключением увеличения некоторого другого вида увеличения беспорядка в квантовых состояниях, подобного теплу, во Вселенной (например, расширение материи или рандомизация в кристалле).

По мере того, как Вселенная развивается со временем, все больше и больше ее энергии оказывается захваченной в необратимых состояниях (т. е. в виде тепла или других видов увеличения беспорядка). Это привело к гипотезе о неизбежной термодинамической тепловой смерти Вселенной . В этой тепловой смерти энергия Вселенной не меняется, но доля энергии, которая доступна для выполнения работы посредством тепловой машины или может быть преобразована в другие пригодные для использования формы энергии (путем использования генераторов, присоединенных к тепловым машинам), продолжает уменьшаться.

Сохранение энергии

Тот факт, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, называется законом сохранения энергии . В форме первого закона термодинамики он гласит, что энергия замкнутой системы постоянна, если энергия не передается внутрь или наружу в виде работы или тепла , и что энергия не теряется при передаче. Общий приток энергии в систему должен быть равен 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, обнаруживается, что полная энергия системы всегда остается постоянной. ^[13]

В то время как тепло всегда может быть полностью преобразовано в работу при обратимом изотермическом расширении идеального газа, для циклических процессов, представляющих практический интерес в тепловых двигателях, второй закон термодинамики гласит, что система, выполняющая работу, всегда теряет часть энергии в виде отработанного тепла . Это создает предел количеству тепловой энергии, которая может выполнять работу в циклическом процессе, предел, называемый доступной энергией . Механическая и другие формы энергии могут быть преобразованы в обратном направлении в тепловую энергию без таких ограничений. ^[14] Полную энергию системы можно рассчитать, сложив все формы энергии в системе.

Ричард Фейнман сказал во время лекции в 1961 году: ^[15]

Есть факт, или, если хотите, закон , управляющий всеми природными явлениями, которые известны на сегодняшний день. Нет известных исключений из этого закона — он точен, насколько нам известно. Закон называется сохранением энергии . Он гласит, что существует определенная величина, которую мы называем энергией, которая не изменяется при многообразных изменениях, которые претерпевает природа. Это самая абстрактная идея, потому что это математический принцип; он гласит, что существует числовая величина, которая не изменяется, когда что-то происходит. Это не описание механизма или чего-то конкретного; это просто странный факт, что мы можем вычислить некоторое число, и когда мы заканчиваем наблюдать за природой, проделывающей свои трюки, и вычисляем число снова, оно остается тем же самым.

—  Фейнмановские лекции по физике

Большинство видов энергии (гравитационная энергия является заметным исключением) ^[16] также подчиняются строгим локальным законам сохранения. В этом случае энергия может обмениваться только между соседними областями пространства, и все наблюдатели согласны относительно объемной плотности энергии в любом данном пространстве. Существует также глобальный закон сохранения энергии, утверждающий, что полная энергия вселенной не может измениться; это следствие локального закона, но не наоборот. ^{[14] [15]}

Этот закон является фундаментальным принципом физики. Как строго показано теоремой Нётер , сохранение энергии является математическим следствием трансляционной симметрии времени ^[17], свойства большинства явлений ниже космического масштаба, которое делает их независимыми от их местоположения на временной координате. Иными словами, вчера, сегодня и завтра физически неразличимы. Это происходит потому, что энергия — это величина, которая канонически сопряжена со временем. Эта математическая запутанность энергии и времени также приводит к принципу неопределенности — невозможно определить точное количество энергии в течение любого определенного интервала времени (хотя это имеет практическое значение только для очень коротких интервалов времени). Принцип неопределенности не следует путать с сохранением энергии — скорее, он устанавливает математические пределы, до которых энергия в принципе может быть определена и измерена.

Каждая из основных сил природы связана с различным типом потенциальной энергии, и все типы потенциальной энергии (как и все другие типы энергии) проявляются как системная масса , когда она присутствует. Например, сжатая пружина будет немного массивнее, чем до сжатия. Аналогично, всякий раз, когда энергия передается между системами с помощью любого механизма, вместе с ней передается и связанная с ней масса.

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

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

что по форме похоже на принцип неопределенности Гейзенберга (но на самом деле не эквивалентно ему математически, 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 переносят импульс . Обмен виртуальных частиц с реальными частицами ответственен за создание всех известных фундаментальных сил (точнее, фундаментальных взаимодействий ). Виртуальные фотоны также ответственны за электростатическое взаимодействие между электрическими зарядами (что приводит к закону Кулона ), за спонтанный радиационный распад возбужденных атомных и ядерных состояний, за силу Казимира , за силу Ван-дер-Ваальса и некоторые другие наблюдаемые явления.

Передача энергии

Закрытые системы

Передачу энергии можно рассматривать как особый случай систем, которые закрыты для переноса материи. Часть энергии, которая передается консервативными силами на расстояние, измеряется как работа , которую система-источник выполняет над принимающей системой. Часть энергии, которая не выполняет работу во время передачи, называется теплом . ^{[примечание 3]} Энергия может передаваться между системами различными способами. Примерами являются передача электромагнитной энергии через фотоны, физические столкновения, которые передают кинетическую энергию , ^{[примечание 4]} приливные взаимодействия , ^[18] и кондуктивный перенос тепловой энергии .

Энергия строго сохраняется, а также локально сохраняется везде, где ее можно определить. В термодинамике для закрытых систем процесс передачи энергии описывается первым законом : ^{[примечание 5]}

где - количество переданной энергии,   представляет собой работу, выполненную системой или ею, и представляет собой поток тепла в систему или из нее. В качестве упрощения тепловой член, , иногда можно игнорировать, особенно для быстрых процессов с участием газов, которые являются плохими проводниками тепла, или когда тепловая эффективность передачи высока. Для таких адиабатических процессов , ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle Q}$

Это упрощенное уравнение используется , например, для определения джоуля .

Открытые системы

Помимо ограничений закрытых систем, открытые системы могут приобретать или терять энергию в связи с переносом материи (этот процесс иллюстрируется впрыском смеси воздуха и топлива в двигатель автомобиля, система, которая таким образом приобретает энергию, без добавления работы или тепла). Обозначая эту энергию как , можно записать ${\displaystyle E_{\text{matter}}}$

Термодинамика

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия — это сумма всех микроскопических форм энергии системы. Это энергия, необходимая для создания системы. Она связана с потенциальной энергией, например, молекулярной структурой, кристаллической структурой и другими геометрическими аспектами, а также движением частиц в форме кинетической энергии. Термодинамика в основном занимается изменениями внутренней энергии, а не ее абсолютным значением, которое невозможно определить с помощью одной лишь термодинамики. ^[19]

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает, что полная энергия системы и ее окружения (но не обязательно термодинамическая свободная энергия ) всегда сохраняется ^[20] и что тепловой поток является формой передачи энергии. Для однородных систем с четко определенной температурой и давлением обычно используемое следствие первого закона заключается в том, что для системы, подверженной только силам давления и теплопередаче (например, цилиндр, полный газа) без химических изменений, дифференциальное изменение внутренней энергии системы (с приростом энергии , обозначенным положительной величиной) определяется как

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

где первый член справа — это тепло, переданное системе, выраженное через температуру T и энтропию S (где энтропия увеличивается, а ее изменение d S положительно, когда к системе добавляется тепло), а последний член справа определяется как работа, выполненная над системой, где давление равно P , а объем V (отрицательный знак получается, поскольку сжатие системы требует выполнения работы над ней, и поэтому изменение объема d V отрицательно, когда работа совершается над системой).

Это уравнение весьма специфично, игнорируя все химические, электрические, ядерные и гравитационные силы, эффекты, такие как адвекция любой формы энергии, кроме тепла и PV -работы. Общая формулировка первого закона (т.е. сохранение энергии) верна даже в ситуациях, когда система не является однородной. Для этих случаев изменение внутренней энергии замкнутой системы выражается в общем виде как

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

где — тепло, подведенное к системе, — работа, приложенная к системе. ${\displaystyle \delta Q}$ ${\displaystyle \delta W}$

Равномерное распределение энергии

Энергия механического гармонического осциллятора (масса на пружине) попеременно является кинетической и потенциальной энергией . В двух точках цикла колебаний она полностью кинетическая, а в двух точках — полностью потенциальная. За весь цикл или за многие циклы средняя энергия поровну делится между кинетической и потенциальной. Это пример принципа равнораспределения : полная энергия системы со многими степенями свободы поровну делится между всеми доступными степенями свободы в среднем.

Этот принцип жизненно важен для понимания поведения величины, тесно связанной с энергией, называемой энтропией . Энтропия является мерой равномерности распределения энергии между частями системы. Когда изолированной системе дано больше степеней свободы (т. е. даны новые доступные энергетические состояния , которые совпадают с существующими состояниями), то полная энергия распространяется по всем доступным степеням одинаково без различия между «новыми» и «старыми» степенями. Этот математический результат является частью второго закона термодинамики . Второй закон термодинамики прост только для систем, которые находятся вблизи или в состоянии физического равновесия . Для неравновесных систем законы, управляющие поведением систем, все еще являются предметом споров. Одним из руководящих принципов для этих систем является принцип максимального производства энтропии . ^{[21] [22]} Он гласит, что неравновесные системы ведут себя таким образом, чтобы максимизировать свое производство энтропии. ^[23]

Смотрите также

• Энергетический портал
• Физический портал
• Портал возобновляемой энергии

• Сгорание
• Эффективное использование энергии
• Энергетическая демократия
• Энергетический кризис
• Рекуперация энергии
• Переработка энергии
• Индекс статей по энергетике
• Индекс статей волны
• Список технологий строительства с низким потреблением энергии
• Порядки величины (энергия)
• Электростанция
• Устойчивая энергетика
• Передача энергии
• Отходы в энергию
• Завод по переработке отходов в энергию
• Здание с нулевым потреблением энергии

Примечания

1. Эти примеры приведены исключительно для иллюстрации, поскольку не энергия, доступная для работы, ограничивает производительность спортсмена, а выходная мощность (в случае спринтера) и сила (в случае тяжелоатлета).
2. Кристаллы являются еще одним примером высокоупорядоченных систем, существующих в природе: в этом случае порядок также связан с передачей большого количества тепла (известного как энергия решетки ) окружающей среде.
3. Хотя тепло является "тратящейся впустую" энергией для определенной передачи энергии (см.: отработанное тепло ), его часто можно использовать для выполнения полезной работы в последующих взаимодействиях. Однако максимальная энергия, которая может быть "переработана" из таких процессов восстановления, ограничена вторым законом термодинамики .
4. Механизм большинства макроскопических физических столкновений на самом деле является электромагнитным , но очень часто взаимодействие упрощают, игнорируя механизм столкновения и просто вычисляя начальный и конечный результат.
5. Для этого уравнения существует несколько правил знаков . Здесь знаки в этом уравнении следуют правилу ИЮПАК.

Ссылки

1. "Поток энергии Земли". Энергетическое образование . Получено 28.08.2024 .
2. Бобровски, Мэтт (2021). «НАУКА 101: В: Что такое энергия?». Наука и дети . 59 (1): 61–65. doi : 10.1080/19434812.2021.12291716. ISSN  0036-8148. JSTOR  27133353. S2CID  266084433 . Получено 5 февраля 2024 г. .
3. "Ядерная энергия | Определение, формула и примеры | nuclear-power.com". Ядерная энергия . Архивировано из оригинала 2022-07-06 . Получено 2022-07-06 .
4. Харпер, Дуглас. "Энергия". Онлайн-словарь этимологии . Архивировано из оригинала 11 октября 2007 г. Получено 1 мая 2007 г.
5. Смит, Кросби (1998). Наука об энергии – культурная история энергетической физики в викторианской Британии . Издательство Чикагского университета. ISBN 978-0-226-76420-7.
6. Лофтс, Г.; О'Киф, Д.; и др. (2004). "11 – Механические взаимодействия". Jacaranda Physics 1 (2-е изд.). Милтон, Квинсленд, Австралия: John Wiley & Sons Australia Limited. стр. 286. ISBN 978-0-7016-3777-4.
7. Сайт Hamiltonian MIT OpenCourseWare 18.013A Глава 16.3 Доступен в феврале 2007 г.
8. "Извлечено May-29-09". Uic.edu. Архивировано из оригинала 2010-06-04 . Извлечено 2010-12-12 .
9. Калькулятор велосипеда – скорость, вес, мощность и т. д. "Калькулятор велосипеда". Архивировано из оригинала 2009-05-13 . Получено 2009-05-29 ..
10. Ито, Акихито; Оикава, Такехиса (2004). «Глобальное картирование первичной продуктивности суши и эффективности использования света с помощью модели, основанной на процессах. Архивировано 2 октября 2006 г. в Wayback Machine » в Shiyomi, M. et al. (ред.) Global Environmental Change in the Ocean and on Land. стр. 343–58.
11. "Энергетический бюджет Земли". Okfirst.ocs.ou.edu. Архивировано из оригинала 2008-08-27 . Получено 2010-12-12 .
12. Мизнер, Чарльз В.; Торн, Кип С.; Уилер, Джон Арчибальд (1973). Гравитация . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.
13. Чарльз Киттель, Уолтер Д. Найт и Малвин А. Рудерман. Курс физики в Беркли, том 1.
14. Законы термодинамики. Архивировано 15 декабря 2006 г. на Wayback Machine, включая точные определения энергии, свободной энергии и т. д.
15. Фейнман, Ричард (1964). "Гл. 4: Сохранение энергии". Лекции Фейнмана по физике; Том 1. США: Addison Wesley. ISBN 978-0-201-02115-8. Архивировано из оригинала 2022-07-30 . Получено 2022-05-04 .
16. Байерс, Нина (декабрь 1996 г.). «Открытие Э. Нётер глубокой связи между симметриями и законами сохранения». UCLA Physics & Astronomy. Архивировано из оригинала 2011-05-14 . Получено 2010-12-12 .
17. "Инвариантность времени". EECS20N . Проект Птолемея. Архивировано из оригинала 2011-07-17 . Получено 2010-12-12 .
18. Джаффе, Роберт Л.; Тейлор, Вашингтон (2018). Физика энергии. Cambridge University Press. стр. 611. ISBN 9781107016651. Архивировано из оригинала 2022-07-30 . Получено 2022-05-22 .
19. И. Клотц, Р. Розенберг, Химическая термодинамика – основные концепции и методы , 7-е изд., Wiley (2008), стр. 39
20. Киттель и Кремер (1980). Теплофизика . Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-1088-2.
21. Онзагер, Л. (1931). «Взаимные отношения в необратимых процессах». Phys. Rev. 37 ( 4): 405–26. Bibcode :1931PhRv...37..405O. doi : 10.1103/PhysRev.37.405 .
22. Мартюшев, Л.М.; Селезнев, В.Д. (2006). «Принцип максимального производства энтропии в физике, химии и биологии». Physics Reports . 426 (1): 1–45. Bibcode :2006PhR...426....1M. doi :10.1016/j.physrep.2005.12.001.
23. Белкин, А.; и др. (2015). «Самоорганизующиеся колеблющиеся наноструктуры и принцип максимального производства энтропии». Sci. Rep . 5 : 8323. Bibcode : 2015NatSR...5E8323B. doi : 10.1038/srep08323. PMC 4321171. PMID  25662746. 

Дальнейшее чтение

• Алексеев, ГН (1986). Энергия и энтропия. М., Россия: Издательство «Мир».
• Биосфера ( книга Scientific American ), Сан-Франциско, Калифорния, WH Freeman and Company, 1970. ISBN 0-7167-0945-7 . Эта книга, первоначально опубликованная в журнале Scientific American в 1970 году , охватывает практически все основные проблемы и концепции, которые обсуждались с тех пор, как они касались материалов и энергетических ресурсов , тенденций в области народонаселения и ухудшения состояния окружающей среды . 
• Crowell, Benjamin (2011). "гл. 11". Свет и материя . Фуллертон, Калифорния: Свет и материя. Архивировано из оригинала 2011-05-19 . Получено 2017-04-12 .
• Энергия и мощность ( книга издательства Scientific American ), Сан-Франциско, Калифорния, WH Freeman and Company, 1971. ISBN 0-7167-0938-4 . 
• Росс, Джон С. (23 апреля 2002 г.). «Работа, мощность, кинетическая энергия» (PDF) . Проект PHYSNET . Университет штата Мичиган. Архивировано (PDF) из оригинала 26 апреля 2011 г. . Получено 10 апреля 2009 г. .
• Сантос, Гилдо М. «Энергия в Бразилии: исторический обзор», Журнал истории энергетики (2018), онлайн. Архивировано 09.02.2019 в Wayback Machine
• Смил, Вацлав (2008). Энергия в природе и обществе: общая энергетика сложных систем . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-19565-2.
• Уолдинг, Ричард; Рапкинс, Грег; Росситер, Гленн (1999). New Century Senior Physics . Мельбурн, Австралия: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-551084-3.

Журналы

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

Внешние ссылки

• Различия между теплом и тепловой энергией (Архивировано 27.08.2016 на Wayback Machine ) – BioCab