Энергия

Эта статья о скалярной физической величине. Обзор и актуальное руководство по энергетике см. в разделе «Очерк энергетики» . Чтобы узнать о других значениях, см. Энергия (значения) .

«Энергетик» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о других значениях, см. Энергетический (значения) .

Энергия
Плазменный шар , использующий электрическую энергию для создания плазмы , света , тепла , движения и слабого звука.
Общие символы	И
И объединились	джоуль
Другие подразделения	кВт⋅ч , БТЕ , калория , эВ , эрг , фут-фунт
В базовых единицах СИ	Дж = кг⋅м 2 ⋅s −2
Обширный ?	да
Сохранено ?	да
Измерение	М Л 2 Т −2

Энергия (от древнегреческого ἐνέργεια ( enérgeia ) «активность») — количественное свойство телу , передаваемое или физической , системе распознаваемое в выполнении работы и в виде тепла и света . Энергия — сохраняющаяся величина . Закон сохранения энергии гласит, что энергию можно преобразовать в форму, но нельзя создать или уничтожить; материя и энергия также могут превращаться друг в друга. Единицей измерения энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль (Дж).

Общие формы энергии включают кинетическую энергию движущегося объекта, потенциальную энергию, запасаемую объектом (например, из-за его положения в поле ), упругую энергию, запасаемую в твердом объекте, химическую энергию, связанную с химическими реакциями , лучистую энергию. энергия, переносимая электромагнитным излучением , и внутренняя энергия, содержащаяся внутри термодинамической системы . Все живые организмы постоянно поглощают и выделяют энергию.

Из-за эквивалентности массы и энергии любой объект, который имеет массу в неподвижном состоянии (так называемая масса покоя ), также имеет эквивалентное количество энергии, форма которой называется энергией покоя , и любую дополнительную энергию (любой формы), приобретенную объектом выше этой энергии покоя. увеличит общую массу объекта так же, как увеличит его полную энергию.

Человеческой цивилизации для функционирования необходима энергия, которую она получает из энергетических ресурсов, таких как ископаемое топливо , ядерное топливо или возобновляемые источники энергии . процессы Земли Климатические и экосистемные определяются энергией, которую планета получает от Солнца (хотя в небольшом количестве также участвует геотермальная энергия ).

Формы

При типичном ударе молнии 500 мегаджоулей потенциальной электрической 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 вещества, которая может включать как кинетическую , так и потенциальную энергию .

Полную энергию системы можно разделить и классифицировать на потенциальную энергию , кинетическую энергию или их комбинацию различными способами. Кинетическая энергия определяется движением объекта – или составным движением компонентов объекта – в то время как потенциальная энергия отражает потенциал объекта к движению, обычно основанный на положении объекта в поле или на том, что хранится внутри поля. сам.

Хотя этих двух категорий достаточно для описания всех форм энергии, часто бывает удобно называть определенные комбинации потенциальной и кинетической энергии ее собственной формой. Например, сумма поступательной и вращательной кинетической и потенциальной энергии внутри системы называется механической энергией , тогда как ядерная энергия относится к комбинированным потенциалам внутри атомного ядра, возникающим либо из ядерного взаимодействия , либо из слабого взаимодействия , среди других примеров.

Некоторые формы энергии (которые объект или система могут иметь как измеримое свойство)

Тип энергии	Описание
Механический	сумма макроскопических поступательных и вращательных кинетических и потенциальных энергий
Электрический	потенциальная энергия, обусловленная электрическими полями или хранящаяся в них
Магнитный	потенциальная энергия, обусловленная магнитными полями или хранящаяся в них
Гравитационный	потенциальная энергия, обусловленная гравитационными полями или хранящаяся в них
Химическая	потенциальная энергия, обусловленная химическими связями
Ионизация	потенциальная энергия, которая связывает электрон с его атомом или молекулой
Ядерный	потенциальная энергия, которая связывает нуклоны с образованием атомного ядра (и ядерных реакций)
хромодинамический	потенциальная энергия, которая связывает кварки с образованием адронов
Эластичный	потенциальная энергия из-за деформации материала (или его контейнера), проявляющего восстанавливающую силу при возвращении к своей первоначальной форме
Механическая волна	кинетическая и потенциальная энергия в упругом материале вследствие распространяющегося колебания вещества
Звуковая волна	кинетическая и потенциальная энергия в материале, обусловленная звуковой волной (особый тип механической волны)
Сияющий	потенциальная энергия, запасенная в полях волн, распространяемых электромагнитным излучением , в том числе световым
Отдых	потенциальная энергия, обусловленная объекта массой покоя
Термальный	кинетическая энергия микроскопического движения частиц, своего рода неупорядоченный эквивалент механической энергии

История

Основные статьи: История энергии и временная шкала термодинамики, статистической механики и случайных процессов.

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

Слово энергия происходит от древнегреческого : ἐνέργεια , латинизированного : energeia , букв.   'деятельность, операция', которое, возможно, впервые появляется в творчестве Аристотеля в IV веке до нашей эры. В отличие от современного определения, энергия была качественной философской концепцией, достаточно широкой, чтобы включать такие идеи, как счастье и удовольствие.

В конце 17 века Готфрид Лейбниц предложил идею латыни : vis viva , или жизненной силы, которая определялась как произведение массы объекта и квадрата его скорости; он считал, что общая vis viva сохраняется. Чтобы объяснить замедление из-за трения, Лейбниц предположил, 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 лишь в два раза. В начале 18 века Эмили дю Шатле предложила концепцию сохранения энергии на полях своего французского перевода «Принципов математики» Ньютона , которые представляли собой первую формулировку сохраняющейся измеримой величины, отличной от импульса , и которая позже будет называть «энергией».

В 1807 году Томас Янг, возможно, был первым, кто использовал термин «энергия» вместо термина «vis viva» в его современном смысле. Гюстав-Гаспар Кориолис описал « кинетическую энергию » в 1829 году в ее современном понимании, а в 1853 году Уильям Рэнкин 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, является ли тепло физической субстанцией, получившей название теплорода , или просто физической величиной, такой как импульс . В 1845 году Джеймс Прескотт Джоуль обнаружил связь между механической работой и выделением тепла.

Эти разработки привели к созданию теории сохранения энергии, формализованной в основном Уильямом Томсоном ( лордом Кельвином ) как область термодинамики . Термодинамика способствовала быстрому развитию объяснений химических процессов Рудольфом Клаузиусом , Иосией Уиллардом Гиббсом и Вальтером Нернстом . Это также привело к математической формулировке концепции энтропии Клаузиусом и к введению законов лучистой энергии Йожефом Стефаном . Согласно теореме Нётер , сохранение энергии является следствием того, что законы физики не меняются с течением времени. 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 теплоты. Опускающийся груз, прикрепленный к веревке, заставляет весло, погруженное в воду, вращаться.

Основная статья: Единицы энергии

В 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. Самый известный из них использовал «аппарат Джоуля»: опускающийся груз, прикрепленный к веревке, вызывал вращение лопасти, погруженной в воду, практически изолированную от теплопередачи. Оно показало, что потенциальная гравитационная энергия, теряемая грузом при спуске, равна внутренней энергии, полученной водой за счет трения о весло.

В Международной системе единиц (СИ) единицей энергии является джоуль, названный в честь Джоуля. Это производная единица , равная энергии, затраченной (или проделанной работе ) при приложении силы в один ньютон на расстояние в один метр. Однако энергия также выражается во многих других единицах, не являющихся частью системы СИ, таких как эрги , калории , британские тепловые единицы , киловатт-часы и килокалории , которые требуют коэффициента пересчета при выражении в единицах СИ.

Единицей измерения энергии в системе СИ (энергия в единицу времени) является ватт , который равен джоулю в секунду. Таким образом, один джоуль равен одной ватт-секунде, а 3600 джоулей равны одному ватт-часу. Энергетической единицей CGS фут является эрг , а британская и общепринятая единица измерения в США — -фунт . Другие энергетические единицы, такие как электронвольт , пищевая калория или термодинамические ккал (основанные на изменении температуры воды в процессе нагрева) и БТЕ, используются в конкретных областях науки и торговли.

Научное использование

Классическая механика

Основные статьи: Механика , Механическая работа и Термодинамика.

В классической механике энергия является концептуально и математически полезным свойством, поскольку является сохраняющейся величиной . Было разработано несколько формулировок механики, использующих энергию в качестве основной концепции.

Работа , функция энергии, равна силе, умноженной на расстояние.

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

Это говорит о том, что работа( $W$ равен линейному интегралу силы F C по пути ; ) Подробную информацию см. в статье о механических работах . Работа и, следовательно, энергия зависят от системы координат . Например, представьте, что бита ударяет по мячу. В системе отсчета центра масс бита не воздействует на мяч. Но в системе отсчета человека, размахивающего битой, с мячом совершается значительная работа.

Полную энергию системы иногда называют гамильтонианом , в честь Уильяма Роуэна Гамильтона . Классические уравнения движения можно записать в терминах гамильтониана даже для очень сложных или абстрактных систем. Эти классические уравнения имеют прямые аналоги в нерелятивистской квантовой механике.

называется лагранжианом Другая концепция, связанная с энергией , 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 в целом полезен и в современной физике. Лагранжиан определяется как кинетическая энергия минус потенциальная энергия. 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 о константах движения в лагранжевой и гамильтоновой механике (1788 и 1833 гг. соответственно), он не применим к системам, которые нельзя смоделировать с помощью лагранжиана; например, диссипативные системы с непрерывными симметриями не обязательно должны иметь соответствующий закон сохранения.

Химия

В контексте химии — энергия это атрибут 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 суммарной энергии участвующих 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 ниже по шкале энергии, чем начальное состояние; в менее распространенном случае эндотермических реакций ситуация обратная. Химические реакции обычно невозможны, если реагенты не преодолеют энергетический барьер, известный как энергия активации . Скорость химической реакции (при данной температуре T ) связана с энергией активации E коэффициентом заселенности Больцмана e. ^{− Е / кТ} ; то есть вероятность 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 виде тепловой энергии.

Биология

Основные статьи: Биоэнергетика и пищевая энергия

Базовый обзор энергетики и человеческой жизни

В биологии энергия является атрибутом всех биологических систем, от биосферы до мельчайшего живого организма. Внутри организма он 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 энергии человека) указывает для данного количества энергетических затрат относительное количество энергии, необходимое для метаболизма человека , используя в качестве стандарта средние затраты энергии человека, равные 12 500 кДж в день, и базальная скорость метаболизма 80 Вт. Например, если наши тела работают (в среднем) при 80 Вт, то лампочка, работающая на 100 Вт, работает на 1,25 человеческого эквивалента (100 ÷ 80), т.е. 1,25 He. Для выполнения сложной задачи продолжительностью всего несколько секунд человек может выдать тысячи ватт, что во много раз превышает 746 ватт в одной официальной лошадиной силе. Для задач, продолжающихся несколько минут, здоровый человек может генерировать около 1000 Вт. Для активности, которую необходимо поддерживать в течение часа, производительность падает примерно до 300; для активности, продолжающейся весь день, 150 Вт — это примерно максимум. Человеческий эквивалент помогает пониманию потоков энергии в физических и биологических системах, выражая единицы энергии в человеческих терминах: он дает «ощущение» использования данного количества энергии.

Лучистая энергия солнечного света также улавливается растениями в виде химической потенциальной энергии при фотосинтезе , когда углекислый газ и вода (два низкоэнергетических соединения) превращаются в углеводы, липиды, белки и кислород. Высвобождение энергии, накопленной во время фотосинтеза в виде тепла или света, может быть вызвано внезапно искрой лесного пожара или может быть доступно более медленно для метаболизма животных или человека, когда органические молекулы попадают в организм и катаболизм запускается действием ферментов .

Для роста и размножения все живые существа полагаются на внешний источник энергии – лучистую энергию Солнца в случае зеленых растений и химическую энергию (в той или иной форме) в случае животных. Рекомендуемые для взрослого человека суточные 1500–2000 калорий (6–8 МДж) принимаются в виде пищевых молекул, в основном углеводов и жиров, из которых глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и стеарин (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) удобные примеры. Молекулы пищи окисляются до углекислого газа и воды в митохондриях. $${\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}$$$${\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}$$и часть энергии используется для преобразования АДФ в АТФ :

АДФ + ГПО ₄ ²⁻ → АТФ + Н ₂ О

Остальная часть химической энергии углеводов или жиров преобразуется в тепло: АТФ используется как своего рода «энергетическая валюта», а часть содержащейся в нем химической энергии используется для других процессов метаболизма , когда АТФ реагирует с ОН-группами и в конечном итоге распадается на АДФ и фосфат (на каждом этапе метаболического пути часть химической энергии преобразуется в тепло). используется лишь малая часть исходной химической энергии Для работы :

прирост кинетической энергии спринтера во время забега на 100 м: 4 кДж.

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

Суточная норма пищи взрослого человека: 6–8 МДж.

Казалось бы, живые организмы крайне неэффективно (в физическом смысле) используют получаемую ими энергию (химическую или лучистую энергию); большинство машин имеют более высокую эффективность. В растущих организмах энергия, преобразуемая в тепло, служит жизненно важной цели, поскольку позволяет ткани организма быть высокоупорядоченной относительно молекул, из которых она построена. Второй закон термодинамики гласит, что энергия (и материя) имеет тенденцию более равномерно распределяться по Вселенной: чтобы сконцентрировать энергию (или материю) в одном конкретном месте, необходимо распределить большее количество энергии (в виде тепла). по остальной части вселенной («окружению»). Более простые организмы могут достигать более высокой эффективности использования энергии, 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 является физической причиной пирамиды биомассы, наблюдаемой в экологии . В качестве примера, возьмем только первый шаг в пищевой цепи : из примерно 124,7 Пг/год углерода, фиксируемого фотосинтезом , 64,3 Пг/год (52 % ) используются для метаболизма зеленых растений. т.е. повторно преобразуется в углекислый газ и тепло.

Науки о Земле

В геологии , дрейф континентов — это явления , горные хребты , вулканы и землетрясения которые можно объяснить с точки зрения энергетических преобразований в недрах Земли. 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 в энергетическом балансе Земли , который определяет ее температуру и стабильность климата. Солнечный свет может сохраняться в виде потенциальной гравитационной энергии после того, как он ударяется о Землю, как (например, когда) вода испаряется из океанов и откладывается на горах (где после высвобождения на плотине гидроэлектростанции ее можно использовать для привода турбин или генераторов для производить электроэнергию). Солнечный свет также является причиной большинства погодных явлений, за некоторыми исключениями, например, вызванными вулканическими явлениями. Примером погодных явлений, вызванных солнечной энергией, является ураган, который возникает, когда большие нестабильные участки теплого океана, нагревающиеся в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить несколько дней сильного движения воздуха.

В более медленном процессе радиоактивный распад атомов в ядре Земли выделяет тепло. Эта тепловая энергия приводит в движение тектонику плит и может поднимать горы посредством орогенеза . Этот медленный подъем представляет собой своего рода гравитационное потенциальное хранилище тепловой энергии, которая позже может быть преобразована в активную кинетическую энергию во время оползней после пускового события. Землетрясения также высвобождают накопленную в горных породах упругую потенциальную энергию, которая в конечном итоге образуется из тех же радиоактивных источников тепла. Таким образом, согласно нынешнему пониманию, известные 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 горных породах. До этого они представляют собой высвобождение энергии, накопленной в тяжелых атомах с момента коллапса давно разрушенных сверхновых звезд (которые и создали эти атомы).

Космология

В космологии и астрономии явления звезд , новых , сверхновых , квазаров и гамма-всплесков представляют собой самые высокопроизводительные энергетические преобразования материи во Вселенной. Все звездные явления (включая солнечную активность) обусловлены различного рода энергетическими преобразованиями. Энергия в таких превращениях получается либо от гравитационного коллапса материи (обычно молекулярного водорода) в различные классы астрономических объектов (звёзды, чёрные дыры и т. д.), либо от ядерного синтеза (лёгких элементов, прежде всего водорода). Ядерный синтез водорода на Солнце также высвобождает еще один запас потенциальной энергии, созданный во время Большого взрыва . В то время, согласно теории, пространство расширилось, а Вселенная остыла слишком быстро, чтобы водород мог полностью превратиться в более тяжелые элементы. Это означало, что водород представляет собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена в результате термоядерного синтеза. Такой процесс термоядерного синтеза запускается теплом и давлением, возникающими в результате гравитационного коллапса водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть термоядерной энергии затем преобразуется в солнечный свет.

Квантовая механика

Основная статья: Энергетический оператор

В квантовой механике энергия определяется с помощью оператора энергии (гамильтониан) как производная по времени волновой функции . приравнивает Уравнение Шрёдингера 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 понятию квантов . При решении уравнения Шредингера для любого осциллятора (вибратора) и для электромагнитных волн в вакууме результирующие энергетические состояния связаны с частотой соотношением Планка : $E=h\nu$ (где $h$ Планка постоянная и $\nu$ частота). В случае электромагнитной волны эти энергетические состояния называются квантами света или фотонами .

относительность

Вычисляя кинетическую энергию ( работу по ускорению массивного тела от нулевой скорости до некоторой конечной скорости) релятивистски – используя преобразования Лоренца вместо механики Ньютона – Эйнштейн обнаружил неожиданный побочный продукт этих вычислений — энергетический член, который не исчезает 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:

$$E_{0}=m_{0}c^{2},$$где

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

Например, рассмотрим электрон - позитронную аннигиляцию, при которой энергия покоя этих двух отдельных частиц (эквивалентная их массе покоя) преобразуется в энергию излучения фотонов, образующихся в этом процессе. В этой системе материя и антиматерия (электроны и позитроны) разрушаются и превращаются в нематерию (фотоны). Однако полная масса и полная энергия при этом взаимодействии не изменяются. Каждый из фотонов не имеет массы покоя, но, тем не менее, обладает лучистой энергией, которая проявляет ту же инерцию, что и две первоначальные частицы. Это обратимый процесс – обратный процесс называется рождением пары – при котором масса покоя частиц создается из лучистой энергии двух (или более) аннигилирующих фотонов.

В общей теории относительности тензор энергии-импульса служит исходным членом гравитационного поля, что грубо аналогично тому, как масса служит исходным членом в нерелятивистском ньютоновском приближении.

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

В классической физике энергия — скалярная величина, канонически сопряженная времени. В специальной теории относительности энергия также является скаляром (хотя и не скаляром Лоренца, а временной составляющей 4-вектора энергии-импульса ). Другими словами, энергия инвариантна относительно вращения пространства , но не инвариантна относительно вращения пространства-времени (= boosts ).

Трансформация

Основная статья: Преобразование энергии

Некоторые формы передачи энергии («энергия в пути») от одного объекта или системы к другому.

Тип процесса передачи	Описание
Нагревать	равное количество тепловой энергии самопроизвольно передается к с более низкой температурой объекту
Работа	равное количество энергии при транспортировке из-за смещения в направлении приложенной силы
Передача материала	равное количество энергии, переносимое веществом , которое движется из одной системы в другую

Турбогенератор . преобразует энергию сжатого пара в электрическую энергию

Энергия может трансформироваться между различными формами с различной эффективностью . Предметы, которые преобразуются между этими формами, называются преобразователями . Примеры преобразователей включают батарею (от химической энергии к электрической энергии ), плотину (от потенциальной гравитационной энергии к кинетической энергии движущейся воды (и лопастей турбины ) и, в конечном итоге, к электрической энергии через электрический генератор ) и тепловую энергию. двигатель (с тепла на работу).

Примеры преобразования энергии включают выработку электрической энергии 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 совершает механическую работу над объектом и сохраняет в нем потенциальную гравитационную энергию. Если объект падает на землю, гравитация совершает над объектом механическую работу, которая преобразует потенциальную энергию гравитационного поля в кинетическую энергию, выделяющуюся 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 он по-прежнему содержит одну и ту же полную энергию даже в разных формах), но его масса 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 тепловой машине, как описано в теореме Карно и втором законе термодинамики . Однако некоторые преобразования энергии могут быть весьма эффективными. Направление преобразований энергии (какой вид энергии преобразуется в какой другой вид) часто определяется соображениями энтропии (равного распределения энергии среди всех доступных степеней свободы ). На практике все преобразования энергии разрешены в небольших масштабах, но некоторые более крупные преобразования не допускаются, поскольку статистически маловероятно, что энергия или материя будут случайным образом перемещаться в более концентрированные формы или меньшие пространства.

Преобразования энергии во Вселенной с течением времени характеризуются тем, что различные виды потенциальной энергии, которая была доступна со времен Большого взрыва , «высвобождаются» (преобразовываются в более активные виды энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия), когда доступен пусковой механизм. . Знакомые примеры таких процессов включают нуклеосинтез , процесс, в конечном итоге использующий гравитационную потенциальную энергию, высвобождаемую в результате гравитационного коллапса сверхновых , для «хранения» энергии при создании тяжелых изотопов (таких как уран и торий ), и ядерный распад , процесс, при 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 атомной энергетике. Аналогично, в случае химического взрыва химическая потенциальная преобразуется в кинетическую и тепловую энергию энергия за очень короткое время .

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 уменьшению потенциальной энергии . или других потерь нет Если (нереалистично) предположить, что трения , преобразование энергии между этими процессами было бы идеальным, и маятник продолжал бы раскачиваться вечно.

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

$$E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}$$ ( 4 )

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

Сохранение энергии и массы при трансформации

Энергия порождает вес, когда она попадает в систему с нулевым импульсом, где ее можно взвесить. Оно также эквивалентно массе, и эта масса всегда с ней связана. Масса также эквивалентна определенному количеству энергии и также всегда кажется связанной с ней, как описано в эквивалентности массы и энергии . Формула E = mc² , выведенная Альбертом Эйнштейном (1905), количественно определяет взаимосвязь между релятивистской массой и энергией 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. В разделе «Эквивалентность массы и энергии # История» дополнительную информацию ).

Часть энергии покоя (эквивалентной массе покоя) материи может быть преобразована в другие формы энергии (все еще обладающие массой), но ни энергия, ни масса не могут быть уничтожены; скорее, оба остаются постоянными в течение любого процесса. Однако, поскольку $c^{2}$ чрезвычайно велико по сравнению с обычными человеческими масштабами, преобразование ежедневного 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 другое излучение) может высвободить огромное количество энергии (~ $9\times 10^{16}$ джоули = 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 потери энергии не очень велики. Примеры крупных 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 превращение 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, при котором энергия рассеивается (растекается) 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, при котором такого рода диссипация не происходит. Например, преобразование энергии из одного типа потенциального поля в другой обратимо, как в описанной выше маятниковой системе. В процессах, в которых генерируется тепло, квантовые состояния с меньшей энергией, представляющие собой возможные возбуждения в полях между атомами, выступают в качестве резервуара для части энергии, из которой она не может быть восстановлена, чтобы со 100% эффективностью преобразоваться в другие. формы энергии. В этом случае энергия должна частично оставаться в виде тепловой энергии и не может быть полностью восстановлена ​​как полезная энергия, кроме как за счет увеличения какого-либо другого вида теплоподобного увеличения беспорядка в квантовых состояниях во Вселенной (например, расширение материи или хаотизация в кристалле).

По мере того как Вселенная развивается со временем, все больше и больше ее энергии попадает в необратимые состояния (т.е. в виде тепла или других видов увеличения беспорядка). Это привело к гипотезе о неизбежной термодинамической тепловой смерти Вселенной . При этой тепловой смерти энергия Вселенной не меняется, но часть энергии, доступная для выполнения работы посредством теплового двигателя или преобразования в другие пригодные для использования формы энергии (посредством использования генераторов, прикрепленных к тепловым двигателям), продолжает снижаться.

Сохранение энергии

Основная статья: 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 закрытой системы постоянна, если только энергия не передается или не передается в виде работы или тепла , и что при передаче энергия не теряется. Общий приток энергии в систему должен равняться общему оттоку энергии из системы плюс изменение энергии, содержащейся внутри системы. Всякий раз, когда измеряется (или вычисляется) полная энергия системы частиц, взаимодействия которых не зависят явно от времени, обнаруживается, что полная энергия системы всегда остается постоянной.

Хотя тепло всегда можно полностью преобразовать 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 отходящего тепла . Это создает предел количества тепловой энергии, которая может совершить 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. Полную энергию системы можно рассчитать путем сложения всех форм энергии в системе.

Ричард Фейнман сказал во время лекции 1961 года:

Существует факт или, если хотите, закон , управляющий всеми известными на сегодняшний день явлениями природы. Из этого закона не существует никаких известных исключений – насколько нам известно, оно точное. Закон называется сохранением энергии . Он утверждает, что существует определенная величина, которую мы называем энергией, которая не меняется при многочисленных изменениях, которые претерпевает природа. Это наиболее абстрактная идея, потому что это математический принцип; там говорится, что существует числовая величина, которая не меняется, когда что-то происходит. Это не описание механизма или чего-то конкретного; это просто странный факт, что мы можем вычислить какое-то число, и когда мы закончим наблюдать за тем, как природа проделывает свои трюки, и снова вычислим это число, оно будет тем же самым.

- Фейнмановские лекции по физике

Большинство видов энергии (за исключением гравитационной энергии) также подчиняются строгим местным законам об охране природы. В этом случае обмен энергией возможен только между соседними областями пространства, и все наблюдатели сходятся во мнении об объемной плотности энергии в любом данном пространстве. Существует также глобальный закон сохранения энергии, утверждающий, что полная энергия Вселенной не может измениться; это следствие местного закона, но не наоборот.

Этот закон является фундаментальным принципом физики. Как строго показывает теорема Нётер , сохранение энергии является математическим следствием трансляционной симметрии времени, свойство большинства явлений ниже космического масштаба, которое делает их независимыми от их местоположения во временной координате. Иными словами, вчера, сегодня и завтра физически неотличимы. Это связано с тем, что энергия — это величина, канонически сопряженная времени. Эта математическая запутанность энергии и времени также приводит к принципу неопределенности – невозможно определить точное количество энергии в течение какого-либо определенного интервала времени (хотя это практически значимо только для очень коротких интервалов времени). Принцип неопределенности не следует путать с сохранением энергии – скорее, он обеспечивает математические пределы, в 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 виды энергии) проявляются как масса системы , когда бы они ни присутствовали. Например, сжатая пружина будет немного массивнее, чем до сжатия. Аналогично, всякий раз, когда энергия передается между системами каким-либо механизмом, вместе с ней передается и связанная с ней масса.

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

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

который по форме похож на принцип неопределенности Гейзенберга (но на самом деле не эквивалентен 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 , несущие импульс . Обмен виртуальных частиц с реальными частицами отвечает за создание всех известных фундаментальных сил (точнее, известных как фундаментальные взаимодействия ). 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

«Передача энергии» перенаправляется сюда. Информацию о трубопроводной компании см. в разделе « Партнеры по передаче энергии» .

Закрытые системы

Перенос энергии можно рассматривать для частного случая систем, закрытых для переноса вещества. Часть энергии, передаваемая консервативными силами на расстояние, измеряется как работа, совершаемая системой-источником над принимающей системой. Та часть энергии, которая при передаче не совершает работу, называется теплотой . Энергия может передаваться между системами различными способами. Примеры включают передачу электромагнитной энергии через фотоны, физические столкновения, передающие кинетическую энергию , приливные взаимодействия , и кондуктивная передача тепловой энергии .

Энергия строго сохраняется, а также сохраняется локально везде, где ее можно определить. В термодинамике для закрытых систем процесс передачи энергии описывается первым законом :

$\Delta {}E=W+Q$ ( 1 )

где $E$ количество передаваемой энергии, $W$ представляет собой работу, выполняемую системой или системой, и $Q$ представляет собой тепловой поток в систему или из нее. Упрощая, тепловой термин, $Q$, иногда можно игнорировать, особенно для быстрых процессов с участием газов, которые являются плохими проводниками тепла, или когда термический КПД передачи высок. Для таких процессов адиабатических

$\Delta {}E=W$ ( 2 )

Это упрощенное уравнение используется для определения джоуля , например, .

Открытые системы

Помимо ограничений закрытых систем, открытые системы могут получать или терять энергию в связи с переносом вещества (этот процесс иллюстрируется впрыском топливовоздушной смеси в автомобильный двигатель, система, которая тем самым получает энергию без добавления какой-либо работы). или тепла). Обозначая эту энергию через $E_{\text{matter}}$, можно написать

$\Delta E=W+Q+E_{\text{matter}}.$ ( 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 абсолютной величиной, которую невозможно определить с помощью одной лишь термодинамики.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает, что полная энергия системы и ее окружения (но не обязательно термодинамическая свободная энергия ) всегда сохраняется. и этот 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, цилиндр, полный газа) без химических изменений, дифференциальное изменение внутренней энергии системы (при этом прирост энергии обозначается положительной величиной) определяется как

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

где первый член справа — это тепло, передаваемое в систему, выраженное через температуру T и энтропию S (при этом энтропия увеличивается, а ее изменение d S положительно, когда в систему добавляется тепло), а последний член правая часть определяется как работа, совершенная над системой, где давление равно P , а объем V (знак отрицательный, поскольку сжатие системы требует совершения работы над ней, и поэтому изменение объема d V отрицательно, когда работа делается в системе).

Это уравнение очень специфично и игнорирует все химические, электрические, ядерные и гравитационные силы, а также такие эффекты, как адвекция любой формы энергии, кроме тепла и фотоэлектрической работы. Общая формулировка первого закона (т. е. сохранения энергии) справедлива даже в ситуациях, когда система неоднородна. Для этих случаев изменение внутренней энергии замкнутой системы в общем виде выражается выражением

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

где $\delta Q$ - тепло, подаваемое в систему, и $\delta W$ это работа, приложенная к системе.

Равнораспределение энергии

Энергия механического гармонического осциллятора (массы на пружине) представляет собой попеременно кинетическую и потенциальную энергию . В двух точках цикла колебаний он полностью кинетический, а в двух точках — полностью потенциальный. В течение всего цикла или многих циклов средняя энергия поровну делится между кинетической и потенциальной. Это пример принципа равнораспределения : полная энергия системы со многими степенями свободы в среднем 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. предоставляются новые доступные энергетические состояния , которые такие же, как существующие состояния), тогда полная энергия распределяется 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, находящихся вблизи или в состоянии физического равновесия . Для неравновесных систем законы поведения систем до сих пор остаются дискуссионными. Одним из руководящих принципов этих систем является принцип максимального производства энтропии . Он утверждает, что неравновесные системы ведут себя таким образом, чтобы максимизировать производство энтропии.

См. также

• Горение
• Эффективное использование энергии
• Энергетическая демократия
• Энергетический кризис
• Рекуперация энергии
• Переработка энергии
• Указатель энергетических статей
• Указатель волновых статей
• Список методов строительства с низким энергопотреблением
• Порядки величины (энергия)
• Электростанция
• Устойчивая энергетика
• Передача энергии
• Преобразование отходов в энергию
• Завод по переработке отходов в энергию
• Здание с нулевым энергопотреблением

Дальнейшее чтение

• Алексеев, Г.Н. (1986). Энергия и энтропия . Москва: Издательство «Мир».
• Биосфера . ( Американская книга Scientific ), Сан-Франциско, WH Freeman and Co., 1970 ISBN   0-7167-0945-7 . Эта книга, изначально вышедшая в журнале Scientific American за 1970 год , охватывает практически все основные проблемы и концепции, обсуждавшиеся с тех пор, касающиеся материалов и энергетических ресурсов , демографических тенденций и деградации окружающей среды .
• Кроуэлл, Бенджамин (2011). «гл. 11» . Свет и Материя . Фуллертон, Калифорния: Свет и материя. Архивировано из оригинала 19 мая 2011 г. Проверено 12 апреля 2017 г.
• Энергия и мощность ( Американская книга Scientific ), Сан-Франциско, WH Freeman and Co., 1971. ISBN   0-7167-0938-4 .
• Росс, Джон С. (23 апреля 2002 г.). «Работа, мощность, кинетическая энергия» (PDF) . Проект ФИЗНЕТ . Мичиганский государственный университет. Архивировано (PDF) из оригинала 26 апреля 2011 года . Проверено 10 апреля 2009 г.
• Сантос, Гильдо М. «Энергетика в Бразилии: исторический обзор», Журнал истории энергетики (2018), онлайн. Архивировано 9 февраля 2019 г. на Wayback Machine.
• Смиль, Вацлав (2008). Энергия в природе и обществе: общая энергетика сложных систем . Кембридж, США: MIT Press. ISBN  978-0-262-19565-2 .
• Уолдинг, Ричард; Рэпкинс, Грег; Росситер, Гленн (1999). Старший физик Нового века . Мельбурн, Австралия: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-551084-3 .

Журналы

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

Внешние ссылки

• Энергия в Керли
• Различия между теплом и тепловой энергией ( Архивировано 27 августа 2016 г. в Wayback Machine ) - BioCab