Энергия - Energy

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

В физике , энергия является количественное свойство , которое должно быть передано в тело или физической системы , чтобы выполнить работу на теле, или нагревать его. Энергия - это сохраняемая величина ; закон сохранения энергии гласит, что энергия может быть преобразована в форму, но не может быть создана или уничтожена. Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) энергии является джоуль , что энергия , передаваемая на объект по работе перемещения его на расстоянии одного метра против силы одного ньютон .

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

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

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

Формы

В типичной молнии удара, 500 мегаджоулях от электрической потенциальной энергии преобразуется в такое же количество энергии в других формах, в основном энергии света , звуковой энергии и тепловой энергии .
Тепловая энергия - это энергия микроскопических составляющих вещества, 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 сложным движением компонентов объекта - а потенциальная энергия отражает потенциал объекта к движению и, как правило, является функцией положения объекта в поле или может храниться в самом поле.

Хотя этих двух категорий достаточно для описания всех форм энергии, часто удобно рассматривать конкретные комбинации потенциальной и кинетической энергии как ее собственную форму. Например, сумма поступательной и вращательной кинетической и потенциальной энергии в системе называется механической энергией , тогда как ядерная энергия относится к объединенным потенциалам внутри атомного ядра от ядерной силы или слабой силы , среди других примеров.

Некоторые формы энергии (которые объект или система могут иметь в качестве измеримого свойства)
Тип энергии Описание
Механический сумма макроскопических поступательных и вращательных кинетических и потенциальных энергий
Электрический потенциальная энергия, возникающая из-за или хранящаяся в электрических полях
Магнитный потенциальная энергия, создаваемая магнитными полями или хранимая в них
Гравитационный потенциальная энергия из-за или сохраненная в гравитационных полях
Химическая потенциальная энергия за счет химических связей
Ионизация потенциальная энергия, которая связывает электрон с его атомом или молекулой
Ядерная потенциальная энергия, которая связывает нуклоны с образованием атомного ядра (и ядерные реакции)
Хромодинамический потенциальная энергия, которая связывает кварки с образованием адронов
Эластичный потенциальная энергия из-за деформации материала (или его контейнера), проявляющего восстанавливающую силу, когда он возвращается к своей исходной форме
Механическая волна кинетическая и потенциальная энергия в упругом материале из-за распространяющейся деформационной волны
Звуковая волна кинетическая и потенциальная энергия в жидкости из-за распространяющейся звуковой волны (особая форма механической волны)
Сияющий потенциальная энергия, запасенная в полях волн, распространяемых электромагнитным излучением , включая свет
Отдыхать потенциальная энергия за счет массы покоя объекта
Тепловой кинетическая энергия микроскопического движения частиц, своего рода неупорядоченный эквивалент механической энергии

История

Томас Янг , первый человек, употребивший термин «энергия» в современном смысле этого слова.

Слово энергия происходит от древнегреческого : ἐνέργεια , латинизированоenergeia , букв. «деятельность, действие», которое, возможно, впервые появляется в творчестве Аристотеля в 4 веке до нашей эры. В отличие от современного определения, energeia была качественным философским понятием, достаточно широким, чтобы включать такие идеи, как счастье и удовольствие.

В конце 17 века Готфрид Лейбниц предложил идею на латыни : vis viva , или жизненная сила, которая определяется как произведение массы объекта и его скорости в квадрате; он считал, что total vis viva сохраняется. Чтобы объяснить замедление из-за трения, Лейбниц предположил, что тепловая энергия состоит из движений составных частей материи, хотя прошло более века, прежде чем это стало общепризнанным. Современный аналог этого свойства - кинетическая энергия - отличается от vis viva лишь в два раза. Эмили дю Шатле в начале 18 века предложила концепцию сохранения энергии на полях своего французского перевода « Начала математики » Ньютона , который представлял собой первую формулировку сохраняющейся измеримой величины, отличной от импульса и которая позже станет называться «энергия».

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

Эти разработки привели к теории сохранения энергии, формализованной в основном Уильямом Томсоном ( лордом Кельвином ) как область термодинамики . Термодинамика способствовала быстрому развитию объяснений химических процессов Рудольфом Клаузиусом , Джозайей Уиллардом Гиббсом и Вальтером Нернстом . Это также привели к математической формулировке понятия энтропии Клаузиуса и введению законов лучистой энергии по Йозефу Стефану . Согласно теореме Нётер , сохранение энергии является следствием того факта, что законы физики не меняются 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 тепла. Нисходящий груз, прикрепленный к струне, заставляет лопасть, погруженную в воду, вращаться.

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

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

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

Научное использование

Классическая механика

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

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

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

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

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

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

Химия

В контексте химии , энергия является атрибутом вещества как следствие его атомной, молекулярной или совокупной структуры. Поскольку химическое превращение сопровождается изменением одного или нескольких видов структуры, оно обычно сопровождается уменьшением, а иногда и увеличением общей энергии задействованных веществ. Некоторая энергия может передаваться между окружающей средой и реагентами в виде тепла или света; таким образом, продукты реакции имеют иногда больше, но обычно меньше энергии, чем реагенты. Реакция называется экзотермической или экзэргонической, 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 преодолевают энергетический барьер, известный как энергия активации . Скорость химической реакции (при заданной температуре  Т ) связана с энергией активации  Е по Больцману фактора населения е - Е / кТ ; то есть вероятность того , что молекулы , чтобы иметь больше энергии , чем или равно  Е при данной температуре  T . Эта экспоненциальная зависимость скорости реакции от температуры известна как уравнение Аррениуса . Энергия активации, необходимая для химической реакции, может быть представлена ​​в виде тепловой энергии.

Биология

В биологии энергия - это атрибут всех биологических систем от биосферы до мельчайших живых организмов. Внутри организма он отвечает за рост и развитие биологической клетки или органеллы биологического организма. Энергия, используемая при дыхании, в основном хранится в молекулярном кислороде и может быть разблокирована реакциями с молекулами таких веществ, как углеводы (включая сахара), липиды и белки, хранящиеся в клетках . В человеческих терминах человеческий эквивалент (He) (преобразование энергии человека) указывает для данного количества затрат энергии относительное количество энергии, необходимое для метаболизма человека , используя в качестве стандарта средний расход энергии человека в размере 12500 кДж в день и базальный уровень метаболизма на 80 ватт. Например, если наши тела работают (в среднем) на 80 Вт, то лампочка, работающая на 100 Вт, работает при 1,25 эквивалента человека (100 ÷ 80), то есть 1,25 He. Для сложной задачи, длящейся всего несколько секунд, человек может выдать тысячи ватт, что во много раз превышает 746 ватт на одну официальную мощность в лошадиных силах. Для задач продолжительностью в несколько минут человек в хорошей форме может выработать около 1000 ватт. Для занятия, которое необходимо поддерживать в течение часа, производительность падает примерно до 300; для работы в течение всего дня 150 Вт - это максимум. Человеческий эквивалент помогает понять потоки 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 качестве потенциальной химической энергии при фотосинтезе , когда углекислый газ и вода (два низкоэнергетических соединения) превращаются в углеводы, липиды, белки и высокоэнергетические соединения, такие как кислород и АТФ. Углеводы, липиды и белки могут высвобождать энергию кислорода, которая используется живыми организмами в качестве акцептора электронов . Высвобождение энергии, накопленной во время фотосинтеза в виде тепла или света, может быть внезапно инициировано искрой, в лесном пожаре, или она может медленнее становиться доступной для метаболизма животных или человека, когда органические молекулы попадают в организм, а катаболизм запускается ферментом. действие.

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

и часть энергии используется для преобразования АДФ в АТФ :

АДФ + HPO 4 2- → АТФ + H 2 O

Остальная часть химической энергии превращается в O 2, а углевод или жир превращаются в тепло: АТФ используется как своего рода «энергетическая валюта», а часть химической энергии, которую он содержит, используется для другого метаболизма, когда АТФ вступает в реакцию. с группами ОН и в конечном итоге расщепляется на АДФ и фосфат (на каждой стадии метаболического пути некоторая химическая энергия преобразуется в тепло). Лишь незначительная часть первоначальной химической энергии используется для работы :

Прирост кинетической энергии спринтера на дистанции 100 м: 4 кДж
Прирост гравитационной потенциальной энергии 150 кг груза, поднятого на 2 метра: 3 кДж
Суточное потребление пищи нормальным взрослым: 6-8 МДж.

Похоже, что живые организмы чрезвычайно неэффективны (в физическом смысле) в использовании получаемой энергии (химической или лучистой энергии); большинство машин обладают более высокой эффективностью. В растущих организмах энергия, которая преобразуется в тепло, служит жизненно важной цели, поскольку позволяет тканям организма быть упорядоченными по отношению к молекулам, из которых она построена. Второй закон термодинамики гласит , что энергия (и материя) имеет тенденцию становиться более равномерно распределены по всей вселенной: к энергии концентрата (или вещества) в одном конкретном месте, необходимо разложить большее количество энергии ( в виде тепла) через остальную часть вселенной («окружение»). Более простые организмы могут достичь более высокой энергоэффективности, чем более сложные, но сложные организмы могут занимать экологические ниши , недоступные их более простым собратьям. Преобразование части химической энергии в тепло на каждом этапе метаболического пути является физической причиной пирамиды биомассы, наблюдаемой в экологии . Например, чтобы сделать только первый шаг в пищевой цепочке : из расчетных 124,7 Пг / год углерода, фиксируемого посредством фотосинтеза , 64,3 Пг / год (52%) используются для метаболизма зеленых растений, т. Е. Повторно превращаются в углекислый газ и тепло.

Науки о Земле

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

Солнечный свет является основным источником энергии Земли, который определяет ее температуру и стабильность климата. Солнечный свет может храниться в виде потенциальной гравитационной энергии после того, как он попадает на Землю, поскольку (например, когда) вода испаряется из океанов и осаждается на горах (где, после выхода на плотину гидроэлектростанции, ее можно использовать для приведения в движение турбин или генераторов. производят электричество). Солнечный свет также влияет на большинство погодных явлений, за некоторыми исключениями, например, вызванными вулканическими явлениями. Примером солнечного погодного явления является ураган, который возникает, когда большие нестабильные области теплого океана, нагретые в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить энергичное движение воздуха в течение нескольких дней.

В более медленном процессе радиоактивный распад атомов в ядре Земли выделяет тепло. Эта тепловая энергия движет тектоникой плит и может поднимать горы за счет орогенеза . Этот медленный подъем представляет собой своего рода накопление гравитационной потенциальной энергии тепловой энергии, которая позже может быть преобразована в активную кинетическую энергию во время оползней после срабатывания триггера. Землетрясения также высвобождают запасенную упругую потенциальную энергию в горных породах - запас, который в конечном итоге был произведен из тех же радиоактивных источников тепла. Таким образом, согласно нынешнему пониманию, знакомые события, такие как оползни и землетрясения, высвобождают энергию, которая была сохранена в виде потенциальной энергии в гравитационном поле Земли или упругой деформации (механической потенциальной энергии) в 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 , сверхновых , квазаров и гамма-всплесков представляют собой преобразования материи с самым высоким выходом энергии во Вселенной. Все звездные явления (в том числе солнечная активность) обусловлены различного рода преобразованиями энергии. Энергия в таких преобразованиях возникает либо от гравитационного коллапса вещества (обычно молекулярного водорода) в различные классы астрономических объектов (звезды, черные дыры и т. Д.), Либо от ядерного синтеза (более легких элементов, в первую очередь водорода). Ядерный синтез водорода в Солнце также выпускает еще один запас потенциальной энергии , которая была создана в момент Больших взрыва . В то время, согласно теории, пространство расширилось, и Вселенная остыла слишком быстро, чтобы водород полностью расплавился на более тяжелые элементы. Это означало, что водород представляет собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена при синтезе. Такой процесс термоядерного синтеза запускается теплом и давлением, возникающим в результате гравитационного коллапса водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть энергии термоядерного синтеза затем преобразуется в солнечный свет.

Квантовая механика

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

Относительность

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

,

куда

m 0 - масса покоя тела,
c - скорость света в вакууме,
это остальная энергия.

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

В общей теории относительности тензор энергии-импульса служит источником для гравитационного поля, в грубой аналогии с тем, как масса служит источником в нерелятивистском ньютоновском приближении.

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

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

Трансформация


Некоторые формы передачи энергии («энергия в пути») от одного объекта или системы к другому.
Тип передачи процесса Описание
Нагревать равное количество тепловой энергии самопроизвольно передается к объекту с более низкой температурой
Работа равное количество энергии в пути из-за смещения в направлении приложенной силы
Передача материала равное количество энергии переносится материей, которая перемещается из одной системы в другую
Турбогенератор преобразует энергию сжатого пара в электрическую энергию

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

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

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

Преобразования энергии во Вселенной с течением времени характеризуются различными видами потенциальной энергии, которая была доступна после Большого взрыва, которая позже «высвобождается» (преобразуется в более активные типы энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия), когда доступен пусковой механизм. Знакомые примеры таких процессов включают нуклеосинтез , процесс , в конечном счете , с использованием гравитационного потенциала энергии , выделяемой из гравитационного коллапса из сверхновых в «магазине» энергию в создании тяжелых изотопов (такие , 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. Аналогичным образом , в случае химических взрыва , химический потенциал энергия преобразуется в кинетическую и тепловую энергию в очень короткий промежуток времени. Другой 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 . Если (нереалистично) предположить, что нет трения или других потерь, преобразование энергии между этими процессами будет идеальным, и маятник будет продолжать качаться бесконечно.

Энергия также постоянно передается от потенциальной энергии ( ) к кинетической энергии ( ), а затем обратно в потенциальную энергию. 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 образом:

 

 

 

 

( 4 )

Затем уравнение можно упростить еще больше, поскольку (масса, умноженная на ускорение силы тяжести, умноженное на высоту) и (половина массы, умноженная на квадрат скорости). Тогда общее количество энергии можно найти, сложив .

Сохранение энергии и массы при преобразовании

Энергия увеличивает вес, когда она оказывается в ловушке системы с нулевым импульсом, где ее можно взвесить. Это также эквивалентно массе, и эта масса всегда связана с ней. Масса также эквивалентна определенному количеству энергии и также всегда оказывается связанной с ней, как описано в эквивалентности массы и энергии . Формула E  =  mc ², полученная 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 ( для получения дополнительной информации см. Эквивалентность массы и энергии # История ).

Часть энергии покоя (эквивалентная массе покоя) материи может быть преобразована в другие формы энергии (все еще обладающей массой), но ни энергия, ни масса не могут быть уничтожены; скорее, оба остаются неизменными во время любого процесса. Однако, поскольку он чрезвычайно велик по сравнению с обычными человеческими весами, преобразование повседневного количества массы покоя (например, 1 кг) из энергии покоя в другие формы энергии (например, кинетическую энергию, тепловую энергию или переносимую лучистую энергию). светом и другим излучением) может высвободить огромное количество энергии (~ джоуль = 21 мегатонна тротила), как это можно увидеть в ядерных реакторах и ядерном оружии. И наоборот, массовый эквивалент ежедневного количества энергии ничтожен, поэтому потерю энергии (потерю массы) в большинстве систем трудно измерить на весах, если только потеря энергии не очень велика. Примеры больших преобразований между энергией покоя (материи) и другими формами энергии (например, кинетической энергией в частицы с массой покоя) можно найти в ядерной физике и физике элементарных частиц . Однако часто преобразование массы в энергию запрещено законами сохранения .

Обратимые и необратимые превращения

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

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

Сохранение энергии

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

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

Ричард Фейнман сказал во время лекции 1961 года:

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

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

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

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

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

который по форме подобен принципу 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 виртуальными частицами с реальными частицами отвечает за создание всех известных фундаментальных сил (более точно известных как фундаментальные взаимодействия ). Виртуальные фотоны также ответственны за электростатическое взаимодействие между электрическими зарядами (которое приводит к закону Кулона ), за спонтанный радиационный распад возбужденных атомных и ядерных состояний, за силу Казимира , за силу Ван-дер-Ваальса и некоторые другие наблюдаемые явления.

Передача энергии

Закрытые системы

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

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

 

 

 

 

( 1 )

где - количество переданной энергии,   представляет работу, выполняемую системой или системой, и представляет собой тепловой поток в систему или из нее. В качестве упрощения термином «тепло» иногда можно пренебречь, особенно для быстрых процессов с участием газов, которые являются плохими проводниками тепла, или когда тепловой КПД передачи высок. Для таких адиабатических процессов ,

 

 

 

 

( 2 )

Это упрощенное уравнение используется, например, для определения джоуля .

Открытые системы

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

 

 

 

 

( 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 движением частиц в форме кинетической энергии. Термодинамика в основном занимается изменениями внутренней энергии, а не ее абсолютным значением, которое невозможно определить с помощью одной только термодинамики.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает , что полная энергия системы и окружающей среды (но не обязательно термодинамической свободной энергии ) всегда сохраняется , и что поток тепла является формой передачи энергии. Для однородных систем с четко определенными температурой и давлением обычно используемым следствием первого закона является то, что для системы, подверженной только силам давления и теплопередаче (например, баллон, полный газа) без химических изменений, Дифференциальное изменение внутренней энергии системы (с приростом энергии, обозначенным положительной величиной) дается как

,

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

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

где - тепло, подводимое к системе, и - работа, приложенная к системе.

Равное распределение энергии

Энергия механического гармонического осциллятора (массы на пружине) - это попеременно кинетическая и потенциальная энергия . В двух точках колебательного цикла он полностью кинетический, а в двух - полностью потенциальный. В течение всего цикла или многих циклов средняя энергия поровну распределяется между кинетической и потенциальной. Это пример принципа равнораспределения : полная энергия системы со многими степенями свободы поровну распределяется между всеми доступными степенями свободы.

Этот принцип жизненно важен для понимания поведения величины, тесно связанной с энергией, называемой энтропией . Энтропия - это мера равномерности распределения энергии между частями системы. Когда изолированной системе дается больше степеней свободы (т. Е. Даны новые доступные энергетические состояния , которые такие же, как и существующие), тогда общая энергия распределяется по всем доступным степеням одинаково без различия между «новыми» и «старыми» степенями. Этот математический результат называется вторым началом термодинамики . Второй закон термодинамики справедлив только для систем, которые находятся в состоянии, близком к равновесию или находящемся в его состоянии . Для неравновесных систем законы, управляющие поведением систем, все еще 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 своей энтропии.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

Журналы

внешние ссылки