Энергия - Energy

Эта статья о скалярной физической величине. Обзор и актуальное руководство по энергетике см. Очертание энергии. Для использования в других целях см. Энергия (значения).

"Энергетик" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Энергичный (значения).

Энергия
В солнце является источником энергии для большей части жизни на Земле. Он получает энергию в основном из термоядерная реакция в своей основе, преобразовывая массу в энергию, поскольку протоны объединяются в гелий. Эта энергия переносится на поверхность Солнца, а затем высвобождается в космос в основном в виде лучистая (световая) энергия.
Общие символы	E
Единица СИ	джоуль
Прочие единицы	кВт⋅ч, БТЕ, калорийность, эВ, эрг, фут-фунт
В Базовые единицы СИ	J = кг · м^2 s^−2
Обширный ?	да
Сохранено ?	да
Измерение	M L^2 Т^−2

В физика, энергия это количественный свойство это должно быть переведен для объект чтобы выполнить работай на, или на высокая температура, предмет.^{[примечание 1]} Энергия - это сохраненное количество; закон сохранение энергии заявляет, что энергия может быть преобразованный по форме, но не созданы и не уничтожены. В Единица СИ энергии - это джоуль, которая представляет собой энергию, передаваемую объекту работай переместить его на расстояние 1 метр против сила из 1 ньютон.

Общие формы энергии включают кинетическая энергия движущегося объекта, потенциальная энергия сохраняется позицией объекта в силе поле (гравитационный, электрический или же магнитный ), упругая энергия сохраняется путем растягивания твердых объектов, химическая энергия выпущен, когда топливо ожоги, то энергия излучения несется светом, и тепловая энергия из-за объекта температура.

Масса и энергия тесно связаны. Из-за эквивалентность массы и энергии, любой объект, который имеет массу в неподвижном состоянии (называемый масса покоя ) также имеет эквивалентное количество энергии, форма которой называется энергия отдыха, и любая дополнительная энергия (любой формы), приобретаемая объектом, находящимся выше этой энергии покоя, увеличит общую массу объекта так же, как увеличивает его общую энергию. Например, после нагревания объекта его увеличение энергии можно измерить как небольшое увеличение массы при достаточно чувствительной шкала.

Жизнь организмы требуется энергия, чтобы остаться в живых, например энергия, которую люди получают из пищи. Человеческой цивилизации для функционирования требуется энергия, которую она получает от энергетические ресурсы Такие как ископаемое топливо, ядерное топливо, или же Возобновляемая энергия. Процессы земных климат и экосистема движимы излучаемой энергией, которую Земля получает от Солнца и геотермальная энергия содержится в земле.

Формы

В типичном молния страйк, 500 мегаджоули из электрическая потенциальная энергия преобразуется в такое же количество энергии в других формах, в основном Световая энергия, звуковая энергия и тепловая энергия.

Тепловая энергия энергия микроскопических составляющих вещества, которые могут включать как кинетический и потенциальная энергия.

Полная энергия система могут быть подразделены и классифицированы на потенциальную энергию, кинетическую энергию или их комбинации различными способами. Кинетическая энергия определяется движение объекта - или составное движение компонентов объекта - и потенциальная энергия отражает возможность движения объекта и, как правило, является функцией положения объекта внутри поле или может храниться в самом поле.

Хотя этих двух категорий достаточно для описания всех форм энергии, часто бывает удобно рассматривать конкретные комбинации потенциальной и кинетической энергии как ее собственную форму. Например, макроскопические механическая энергия это сумма трансляционных и вращающийся кинетическая и потенциальная энергия в системе не учитывает кинетическую энергию, обусловленную температурой, и ядерную энергию, которая объединяет потенциалы от ядерная сила и слабая сила ) и другие.^{[нужна цитата ]}

Некоторые формы энергии (которые объект или система могут иметь как измеримые свойства)

Тип энергии	Описание
Механический	сумма макроскопический поступательная и вращательная кинетическая и потенциальная энергии
Электрический	потенциальная энергия из-за или накопленная в электрических полях
Магнитный	потенциальная энергия, вызванная или хранимая в магнитных полях
Гравитационный	потенциальная энергия из-за или сохраненная в гравитационных полях
Химическая	потенциальная энергия за счет химических связей
Ионизация	потенциальная энергия, которая связывает электрон к его атому или молекуле
Ядерная	потенциальная энергия, которая связывает нуклоны сформировать атомное ядро (и ядерные реакции)
Хромодинамический	потенциальная энергия, которая связывает кварки формировать адроны
Эластичный	потенциальная энергия из-за деформации материала (или его контейнера), проявляющего восстанавливающую силу
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 хранится в полях размножаемых электромагнитное излучение, включая свет
Отдых	потенциальная энергия из-за объект масса покоя
Термический	кинетическая энергия микроскопический движение частиц, форма неупорядоченного эквивалента механической энергии

История

Основные статьи: История энергетики и хронология термодинамики, статистической механики и случайных процессов

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

Слово энергия происходит от Древнегреческий: ἐνέργεια, романизированный: Энергия, горит  'деятельность, операция',^[1] который, возможно, впервые появляется в творчестве Аристотель 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 латинский: vis viva, или живая сила, которая определяется как произведение массы объекта и его скорости в квадрате; он считал, что общая vis viva был сохранен. Чтобы объяснить замедление из-за трения, Лейбниц предположил, что тепловая энергия состоит из случайного движения составных частей материи, хотя прошло более столетия, прежде чем это стало общепринятым. Современный аналог этой недвижимости, кинетическая энергия, отличается от vis viva только в два раза.

В 1807 г. Томас Янг возможно был первым, кто использовал термин «энергия» вместо vis vivaв современном понимании.^[2] Гюстав-Гаспар Кориолис описал "кинетическая энергия "в 1829 г. в современном понимании, а в 1853 г. Уильям Рэнкин ввел термин "потенциальная энергия ". Закон сохранение энергии также был впервые постулирован в начале 19 века и применим к любому изолированная система. В течение нескольких лет спорили о том, является ли тепло физическим веществом. калорийность, или просто физическая величина, например импульс. В 1845 г. Джеймс Прескотт Джоуль открыл связь между механической работой и выделением тепла.

Эти разработки привели к теории сохранения энергии, формализованной в основном Уильямом Томсоном (Лорд Кельвин ) как поле термодинамика. Термодинамика способствовала быстрому развитию объяснений химических процессов благодаря Рудольф Клаузиус, Джозайя Уиллард Гиббс, и Вальтер Нернст. Это также привело к математической формулировке концепции энтропия Клаузиусом и введением законов энергия излучения к Йожеф Стефан. В соответствии с Теорема Нётер, сохранение энергии является следствием того, что законы физики не меняются со временем.^[3] Таким образом, с 1918 года теоретики поняли, что закон сохранение энергии является прямым математическим следствием поступательная симметрия количества сопрягать энергии, а именно времени.

Единицы измерения

Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Нисходящий груз, прикрепленный к струне, заставляет лопасть, погруженную 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»: нисходящий груз, прикрепленный к струне, вызывал вращение погруженной в воду лопасти, практически изолированной от теплопередачи. Он показал, что гравитационный потенциальная энергия потеря веса при спуске была равна внутренняя энергия полученный водой через трение с веслом.

в Международная система единиц (СИ) единицей энергии является джоуль, названный в честь джоуля. Это производная единица. Он равен затраченной энергии (или работай готово), приложив силу в один ньютон на расстоянии одного метра. Однако энергия также выражается во многих других единицах, не входящих в систему СИ, таких как эрг, калории, Британские тепловые единицы, киловатт-часы и килокалории, для которых требуется коэффициент преобразования при выражении в единицах СИ.

Единица измерения расхода энергии в системе СИ (энергия в единицу времени) - это ватт, который представляет собой джоуль в секунду. Таким образом, один джоуль равен одному ватт-секунду, а 3600 джоулей равняется одному ватт-часу. В CGS единица энергии - это эрг и имперские и американские обычаи единица фут фунт. Другие энергоблоки, такие как электронвольт, калорийность пищи или термодинамический ккал (на основе изменения 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, так как это сохраненное количество. Несколько формулировок механики были разработаны с использованием энергии в качестве ключевой концепции.

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

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

Это говорит о том, что работа (${\displaystyle W}$) равно линейный интеграл из сила F по пути C; подробности см. механическая работа статья. Работа и, следовательно, энергия зависит от кадра. Например, представьте, что по мячу попала 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 Гамильтониан, после Уильям Роуэн Гамильтон. Классические уравнения движения могут быть записаны в терминах гамильтониана даже для очень сложных или абстрактных систем. Эти классические уравнения имеют замечательные прямые аналоги в нерелятивистской квантовой механике.^[4]

Еще одна концепция, связанная с энергией, называется Лагранжиан, после Жозеф-Луи Лагранж. Этот формализм столь же фундаментален, как и гамильтониан, и оба могут использоваться для вывода уравнений движения или выводиться из них. Это было изобретено в контексте классическая механика, но обычно полезно 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 констант движения в лагранжевой и гамильтоновой механике (1788 и 1833, соответственно), он не применяется к системам, которые нельзя моделировать с помощью лагранжиана; например, диссипативные системы с непрерывными симметриями могут не иметь соответствующего закона сохранения.

Химия

В контексте химия, энергия является атрибутом вещества вследствие его атомной, молекулярной или совокупной структуры. Поскольку химическое превращение сопровождается изменением одного или нескольких видов структуры, оно неизменно сопровождается увеличением или уменьшением энергии участвующих веществ. Некоторая энергия передается между окружающей средой и реагентами реакции в виде тепла или света; таким образом, продукты реакции могут иметь больше или меньше энергии, чем реагенты. Говорят, что реакция экзотермический или же экзергонический если конечное состояние ниже по энергетической шкале, чем начальное состояние; в случае эндотермический реакции ситуация обратная. Химические реакции обычно невозможны, если реагенты не преодолевают энергетический барьер, известный как энергия активации. В скорость химической реакции (при заданной температуреТ) связана с энергией активацииE фактором населения Больцмана e^−E/kT - это вероятность молекулы иметь энергию больше или равнуюE при данной температуреТ. 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

Основные статьи: Биоэнергетика и Пищевая энергия

Базовый обзор энергия и человеческая жизнь.

В биология, энергия - атрибут всех биологических систем от биосферы до мельчайшего живого организма. В организме он отвечает за рост и развитие биологических клетка или органелла биологического организма. Энергия, используемая в дыхание в основном хранится в молекулярных кислород ^[5] и может быть разблокирован реакцией с молекулами таких веществ, как углеводы (включая сахара), липиды, и белки хранится клетки. Говоря человеческим языком, человеческий эквивалент (H-e) (Преобразование энергии человека) указывает, для данного количества расхода энергии, относительное количество энергии, необходимое для человека. метаболизм, предполагая, что средний расход энергии человека составляет 12500 кДж в день и базальная скорость метаболизма 80 Вт. 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 H-e. Для сложной задачи, длящейся всего несколько секунд, человек может выдать тысячи ватт, что во много раз превышает 746 ватт на одну официальную мощность в лошадиных силах. Для задач продолжительностью в несколько минут человек в хорошей форме может выработать около 1000 ватт. Для активности, которую необходимо поддерживать в течение часа, производительность падает примерно до 300; для работы в течение всего дня 150 Вт - это максимум.^[6] Человеческий эквивалент помогает понять потоки энергии в физических и биологических системах, выражая единицы энергии в человеческих терминах: он дает «ощущение» использования данного количества энергии.^[7]

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

Любой живой организм полагается на внешний источник энергии - лучистую энергию Солнца в случае зеленых растений, химическую энергию в той или иной форме в случае животных - чтобы иметь возможность расти и воспроизводиться. Ежедневно 1500–2000Калорий (6–8 МДж), рекомендованные для взрослого человека, представляют собой комбинацию молекул кислорода и пищи, последние в основном углеводы и жиры, из которых глюкоза (C₆ЧАС₁₂О₆) и стеарин (C₅₇ЧАС₁₁₀О₆) - удобные примеры. Молекулы пищи окисляются до углекислый газ и воды в митохондрии

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

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

и часть энергии используется для преобразования ADP в АТФ.

ADP + HPO₄²⁻ → АТФ + Н₂О

Остальная химическая энергия в O₂^[8] углевод или жир превращаются в тепло: АТФ используется как своего рода «энергетическая валюта», а часть содержащейся в нем химической энергии используется для других целей. метаболизм когда АТФ реагирует с группами ОН и в конечном итоге расщепляется на АДФ и фосфат (на каждой стадии метаболический путь, некоторая химическая энергия преобразуется в тепло). Для работы используется лишь малая часть исходной химической энергии:^{[заметка 2]}

Прирост кинетической энергии спринтера на дистанции 100 м: 4 кДж

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

Суточное потребление пищи нормальным взрослым: 6–8 МДж.

Казалось бы, живые организмы удивительно неэффективный (в физическом смысле) в использовании энергии, которую они получают (химическая или лучистая энергия), и это правда, что самая настоящая машины управлять 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. В второй закон термодинамики утверждает, что энергия (и материя) имеет тенденцию к более равномерному распределению по Вселенной: чтобы сконцентрировать энергию (или материю) в одном конкретном месте, необходимо распределить большее количество энергии (в виде тепла) по оставшейся части Вселенная («окружение»).^{[заметка 3]} Более простые организмы могут достичь более высокой энергоэффективности, 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 экология: сделать только первый шаг в пищевая цепочка, из расчетных 124,7 Пг / год углерода, что составляет фиксированный к фотосинтез, 64,3 Пг / год (52%) используются для метаболизма зеленых растений,^[9] то есть снова превращается в диоксид углерода и тепло.

Науки о Земле

В геология, Континентальный дрифт, Горные хребты, вулканы, и землетрясения явления, которые можно объяснить с точки зрения преобразования энергии в недрах Земли,^[10] пока метеорологический такие явления, как ветер, дождь, град, снег, молния, торнадо и ураганы все являются результатом преобразований энергии, вызванных солнечная энергия на атмосфера планеты Земля.

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

В более медленном процессе радиоактивный распад атомов в ядре Земли выделяет тепло. Эта тепловая энергия движет тектоника плит и может поднимать горы через орогенез. Этот медленный подъем представляет собой своего рода накопление гравитационной потенциальной энергии тепловой энергии, которая позже может быть преобразована в активную кинетическую энергию при оползнях после инициирующего события. Землетрясения также высвобождают запасенную упругую потенциальную энергию в горных породах - запас, который в конечном итоге был произведен из тех же радиоактивных источников тепла. Таким образом, согласно современным представлениям, 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 хранилась в тяжелых атомах с тех пор, как коллапс давно разрушенных сверхновых звезд создал эти атомы.

Космология

В космология и астрономия явления звезды, новая звезда, сверхновая звезда, квазары и гамма-всплески представляют собой преобразования материи с самым высоким выходом энергии во Вселенной. Все звездный явления (в том числе солнечная активность) вызываются различными видами преобразований энергии. Энергия в таких преобразованиях возникает либо от гравитационного коллапса вещества (обычно молекулярного водорода) в различные классы астрономических объектов (звезды, черные дыры и т. Д.), Либо от ядерного синтеза (более легких элементов, в первую очередь водорода). В термоядерная реакция водорода на Солнце также высвобождает еще один запас потенциальной энергии, который был создан во время Большой взрыв. 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, создаваемым гравитационным коллапсом водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть энергии термоядерного синтеза затем преобразуется в солнечный свет.

Квантовая механика

Основная статья: Энергетический оператор

В квантовая механика, энергия определяется через оператор энергии как производную по времени от волновая функция. В 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) волновая функция квантовых систем. Решение этого уравнения для связанной системы является дискретным (набор разрешенных состояний, каждое из которых характеризуется уровень энергии ), что приводит к концепции кванты. При решении уравнения Шредингера для любого осциллятора (вибратора) и для электромагнитных волн в вакууме результирующие энергетические состояния связаны с частотой соотношением Отношение Планка: ${\displaystyle E=h\nu }$ (куда ${\displaystyle h}$ является Постоянная Планка и ${\displaystyle \nu }$ Частота). В случае электромагнитной волны эти энергетические состояния называются квантами света или фотоны.

Относительность

При расчете кинетической энергии (работай ускорить массивное тело с нуля скорость до некоторой конечной скорости) релятивистски - используя Преобразования Лоренца вместо Ньютоновская механика - Эйнштейн обнаружил, что неожиданным побочным продуктом этих вычислений стал энергетический член, который не исчезает при нулевой скорости. Он назвал это энергия отдыха: энергия, которой должно обладать каждое массивное тело, даже когда оно находится в состоянии покоя. Количество энергии прямо пропорционально массе тела:

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

куда

м масса тела,

c это скорость света в вакууме,

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

Например, рассмотрим электрон –позитрон аннигиляция, при которой энергия покоя этих двух отдельных частиц (эквивалентная их масса покоя ) преобразуется в лучистую энергию фотонов, образующихся в процессе. В этой системе иметь значение и антивещество (электроны и позитроны) разрушаются и превращаются в нематерию (фотоны). Однако полная масса и полная энергия не меняются при этом взаимодействии. Каждый фотон не имеет массы покоя, но, тем не менее, обладает лучистой энергией, которая демонстрирует ту же инерцию, что и две исходные частицы. Это обратимый процесс - обратный процесс называется создание 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.^[11]

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

В классическая физика, энергия - скалярная величина, каноническое сопряжение ко времени. В специальная теория относительности энергия также является скаляром (хотя и не Скаляр Лоренца но временная составляющая 4-вектор энергии-импульса ).^[11] Другими словами, энергия инвариантна относительно вращений Космос, но не инвариантен относительно поворотов пространство-время (= повышает ).

Трансформация

Основная статья: Преобразование энергии

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

Тип перевода процесс	Описание
Высокая температура	такое количество тепловая энергия в пути самопроизвольно к низко-температура объект
Работа	количество энергии в пути из-за смещения в направлении приложенного сила
Передача материала	это количество энергии, переносимое иметь значение который переходит из одной системы в другую

А турбогенератор преобразует энергию сжатого пара в электрическую энергию

Энергия может быть преобразованный между разными формами в разных эффективность. Предметы, которые трансформируются между этими формами, называются преобразователи. Примеры преобразователей включают батарею от химическая энергия к электроэнергия; плотина: гравитационно потенциальная энергия к кинетическая энергия движущейся воды (и лезвия турбина ) и в конечном итоге электроэнергия через электрический генератор; или Тепловой двигатель, с тепла на работу.

Примеры преобразования энергии включают производство электроэнергия от тепловой энергии через паровую турбину или подъема объекта против силы тяжести с использованием электрической энергии, приводящей в действие двигатель крана. Подъем против силы тяжести выполняет механическую работу с объектом и сохраняет в объекте потенциальную энергию гравитации. 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 преображается ядерная потенциальная энергия к другим формам энергии; его общая масса не уменьшается из-за этого самого по себе (поскольку он все еще содержит ту же полную энергию, даже если в разных формах), но его масса действительно уменьшается, когда энергия уходит в окружающую среду, в основном как энергия излучения.

Существуют строгие ограничения на то, насколько эффективно тепло может быть преобразовано в работай в циклическом процессе, например в тепловом двигателе, как описано Теорема Карно и второй закон термодинамики. Однако некоторые преобразования энергии могут быть весьма эффективными. Направление преобразований в энергии (какая энергия преобразуется в какую другую) часто определяется энтропия (равное распределение энергии между всеми доступными степени свободы ) соображения. На практике все преобразования энергии разрешены в малом масштабе, но некоторые более крупные преобразования не разрешены, потому что статистически маловероятно, что энергия или материя случайным образом переместятся в более концентрированные формы или меньшие пространства.

Преобразования энергии во Вселенной с течением времени характеризуются различными видами потенциальной энергии, доступной с тех пор, как Большой взрыв позже «высвобождается» (преобразуется в более активные типы энергии, такие как кинетическая или лучистая энергия), когда доступен пусковой механизм. Знакомые примеры таких процессов включают ядерный распад, при котором высвобождается энергия, которая изначально была «сохранена» в тяжелых изотопах (таких как уран и торий ), к нуклеосинтез, процесс, в конечном итоге использующий гравитационную потенциальную энергию, выделяемую из гравитационный коллапс из сверхновые для хранения энергии при создании этих тяжелых элементов до того, как они были включены в Солнечную систему и Землю. Эта энергия запускается и высвобождается в ядерной бомбы деления или в гражданской ядерной энергетике. Аналогично, в случае химический взрыв, химический потенциал энергия преобразуется в кинетическая энергия и тепловая энергия в очень короткие сроки. Еще один пример - это маятник. В самых высоких точках кинетическая энергия равен нулю и гравитационно потенциальная энергия на максимум. В самой нижней точке кинетическая энергия максимально и равно убыванию потенциальная энергия. Если (нереально) предположить, что нет трение или другие потери, преобразование энергии между этими процессами будет идеальным, и маятник будет продолжать качаться вечно.

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

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

(4)

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

Сохранение энергии и массы при трансформации

Энергия увеличивает вес, когда она попадает в систему с нулевым импульсом, где ее можно взвесить. Это также эквивалентно массе, и эта масса всегда связана с ней. Масса также эквивалентна определенному количеству энергии и также всегда ассоциируется с ней, как описано в эквивалентность массы и энергии. Формула E = MC², полученный Альберт Эйнштейн (1905) количественно оценивает взаимосвязь между массой покоя и энергией покоя в рамках концепции специальной теории относительности. В различных теоретических рамках аналогичные формулы были выведены J.J. Томсон (1881), Анри Пуанкаре (1900), Фридрих Хазенёрль (1904) и др. (См. Эквивалентность массы и энергии # История для дополнительной информации).

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

Обратимые и необратимые превращения

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

По мере того, как Вселенная развивается во времени, все больше и больше ее энергии оказывается в необратимых состояниях (то есть в виде тепла или других видов беспорядка). Это было названо неизбежным термодинамическим тепловая смерть вселенной. В этой тепловой смерти не меняется энергия Вселенной, но часть энергии, доступная для работы через Тепловой двигатель, или преобразовываться в другие полезные формы энергии (с помощью генераторов, прикрепленных к тепловым двигателям), растет все меньше и меньше.

Сохранение энергии

Основная статья: Сохранение энергии

Тот факт, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, называется законом сохранение энергии. В виде первый закон термодинамики, это означает, что закрытая система энергия постоянна, если энергия не передается внутрь или наружу работай или же высокая температура, и что энергия не теряется при передаче. Общий приток энергии в систему должен равняться общему оттоку энергии из системы плюс изменение энергии, содержащейся в системе. Всякий раз, когда кто-то измеряет (или вычисляет) полную энергию системы частиц, взаимодействия которых не зависят явно от времени, оказывается, что полная энергия системы всегда остается постоянной.^[12]

Хотя тепло всегда можно полностью преобразовать в работу в обратимом изотермическом расширении идеального газа, для циклических процессов, представляющих практический интерес, в тепловые двигатели то второй закон термодинамики утверждает, что выполняющая работу система всегда теряет некоторую энергию, поскольку отходящее тепло. Это создает ограничение на количество тепловой энергии, которая может работать в циклическом процессе, предел, называемый доступная энергия. Механическая и другие формы энергии могут быть преобразованы в обратном направлении в тепловая энергия без таких ограничений.^[13] Полная энергия системы может быть рассчитана путем сложения всех форм энергии в системе.

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

Есть факт или, если хотите, закон, регулирующий все известные на сегодняшний день природные явления. Нет никаких известных исключений из этого закона - насколько нам известно, он точен. Закон называется сохранение 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, оно остается тем же.

— Лекции Фейнмана по физике

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

Этот закон - фундаментальный принцип физики. Как строго показано Теорема Нётер, сохранение энергии является математическим следствием поступательная симметрия времени,^[16] свойство большинства явлений ниже космического масштаба, которое делает их независимыми от их местоположения по временной координате. Иными словами, вчера, сегодня и завтра физически неотличимы. Это потому, что энергия - это количество, которое каноническое сопряжение ко времени. 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 - скорее, он 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 система масса, всякий раз, когда присутствует. Например, сжатая пружина будет немного массивнее, чем до сжатия. Аналогичным образом, всякий раз, когда энергия передается между системами посредством какого-либо механизма, вместе с ней передается соответствующая масса.

В квантовая механика энергия выражается с помощью гамильтониана оператор. В любых временных масштабах неопределенность энергии равна

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

который по форме похож на Принцип неопределенности Гейзенберга (но не совсем математически эквивалентен ему, поскольку ЧАС и т не являются динамически сопряженными переменными ни в классической, ни в квантовой механике).

В физика элементарных частиц, this inequality permits a qualitative understanding of virtual particles which carry импульс, exchange by which and with real particles, is responsible for the creation of all known фундаментальные силы (more accurately known as фундаментальные взаимодействия ). Virtual photons are also responsible for electrostatic interaction between электрические заряды (which results in Coulomb law ), for спонтанный radiative decay of exited atomic and nuclear states, for the Casimir force, за van der Waals bond forces and some other observable phenomena.

Energy transfer

"Energy transfer" redirects here. For the pipeline company, see Партнеры по передаче энергии.

Closed systems

Energy transfer can be considered for the special case of systems which are закрыто to transfers of matter. The portion of the energy which is transferred by conservative forces over a distance is measured as the работай the source system does on the receiving system. The portion of the energy which does not do work during the transfer is called высокая температура.^{[примечание 4]} Energy can be transferred between systems in a variety of ways. Examples include the transmission of электромагнитная энергия via photons, physical collisions which transfer кинетическая энергия,^{[примечание 5]} and the conductive transfer of тепловая энергия.

Energy is strictly conserved and is also locally conserved wherever it can be defined. In thermodynamics, for closed systems, the process of energy transfer is described by the первый закон:^{[примечание 6]}

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

(1)

куда ${\displaystyle E}$ is the amount of energy transferred, ${\displaystyle W}$ represents the work done on the system, and ${\displaystyle Q}$ represents the heat flow into the system. As a simplification, the heat term, ${\displaystyle Q}$, is sometimes ignored, especially when the тепловая эффективность of the transfer is high.

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

(2)

This simplified equation is the one used to define the джоуль, Например.

Open systems

Beyond the constraints of closed systems, open systems can gain or lose energy in association with matter transfer (both of these process are illustrated by fueling an auto, a system which gains in energy thereby, without addition of either work or heat). Denoting this energy by ${\displaystyle E}$, one may write

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

(3)

Термодинамика

Внутренняя энергия

Внутренняя энергия is the sum of all microscopic forms of energy of a system. It is the energy needed to create the system. It is related to the potential energy, e.g., molecular structure, crystal structure, and other geometric aspects, as well as the motion of the particles, in form of kinetic energy. Thermodynamics is chiefly concerned with changes in internal energy and not its absolute value, which is impossible to determine with thermodynamics alone.^[17]

Первый закон термодинамики

В первый закон термодинамики asserts that energy (but not necessarily термодинамическая свободная энергия ) is always conserved^[18] and that heat flow is a form of energy transfer. For homogeneous systems, with a well-defined temperature and pressure, a commonly used corollary of the first law is that, for a system subject only to давление forces and heat transfer (e.g., a cylinder-full of gas) without chemical changes, the differential change in the internal energy of the system (with a прирост in energy signified by a positive quantity) is given as

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

where the first term on the right is the heat transferred into the system, expressed in terms of температура Т и энтропия S (in which entropy increases and the change dS is positive when the system is heated), and the last term on the right hand side is identified as work done on the system, where pressure is п and volume V (the negative sign results since compression of the system requires work to be done on it and so the volume change, dV, is negative when work is done on the system).

This equation is highly specific, ignoring all chemical, electrical, nuclear, and gravitational forces, effects such as адвекция of any form of energy other than heat and pV-work. The general formulation of the first law (i.e., conservation of energy) is valid even in situations in which the system is not homogeneous. For these cases the change in internal energy of a закрыто system is expressed in a general form by

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

куда ${\displaystyle \delta Q}$ is the heat supplied to the system and ${\displaystyle \delta W}$ is the work applied to the system.

Equipartition of energy

The energy of a mechanical гармонический осциллятор (a mass on a spring) is alternatively кинетический и потенциальная энергия. At two points in the oscillation цикл it is entirely kinetic, and at two points it is entirely potential. Over the whole cycle, or over many cycles, net energy is thus equally split between kinetic and potential. Это называется equipartition principle; total energy of a system with many degrees of freedom is equally split among all available degrees of freedom.

This principle is vitally important to understanding the behaviour of a quantity closely related to energy, called энтропия. Entropy is a measure of evenness of a распределение of energy between parts of a system. When an isolated system is given more degrees of freedom (i.e., given new available энергетические состояния that are the same as existing states), then total energy spreads over all available degrees equally without distinction between "new" and "old" degrees. This mathematical result is called the второй закон термодинамики. The second law of thermodynamics is valid only for systems which are near or in состояние равновесия. For non-equilibrium systems, the laws governing system's behavior are still debatable. One of the guiding principles for these systems is the principle of maximum entropy production.^[19][20] It states that nonequilibrium systems behave in such a way to maximize its entropy production.^[21]

Смотрите также

• Энергетический портал
• Физический портал

• Горение
• Указатель статей по энергетике
• Указатель волновых статей
• По порядку величины (энергия)
• Электростанция
• Передача энергии

Примечания

1. В второй закон термодинамики imposes limitations on the capacity of a system to transfer energy by performing work, since some of the system's energy might necessarily be потребляется в виде высокая температура вместо. См. Например Lehrman, Robert L. (1973). "Energy Is Not The Ability To Do Work". Учитель физики. 11 (1): 15–18. Bibcode:1973PhTea..11...15L. Дои:10.1119/1.2349846. ISSN  0031-921X.
2. These examples are solely for illustration, as it is not the energy available for work which limits the performance of the athlete but the мощность output of the sprinter and the сила of the weightlifter. A worker stacking shelves in a supermarket does more work (in the physical sense) than either of the athletes, but does it more slowly.
3. Кристаллы are another example of highly ordered systems that exist in nature: in this case too, the order is associated with the transfer of a large amount of heat (known as the энергия решетки ) to the surroundings.
4. Although heat is "wasted" energy for a specific energy transfer,(see: отходящее тепло ) it can often be harnessed to do useful work in subsequent interactions. However, the maximum energy that can be "recycled" from such recovery processes is limited by the второй закон термодинамики.
5. The mechanism for most macroscopic physical collisions is actually электромагнитный, but it is very common to simplify the interaction by ignoring the mechanism of collision and just calculate the beginning and end result.
6. Есть несколько sign conventions for this equation. Here, the signs in this equation follow the IUPAC convention.

Рекомендации

1. Харпер, Дуглас. «Энергия». Online Etymology Dictionary. В архиве с оригинала 11 октября 2007 г.. Получено 1 мая, 2007.
2. Smith, Crosbie (1998). The Science of Energy – a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. Издательство Чикагского университета. ISBN  978-0-226-76420-7.
3. Lofts, G; O'Keeffe D; и другие. (2004). "11 – Mechanical Interactions". Jacaranda Physics 1 (2-е изд.). Milton, Queensland, Australia: John Willey & Sons Australia Ltd. p. 286. ISBN  978-0-7016-3777-4.
4. The Hamiltonian MIT OpenCourseWare website 18.013A Chapter 16.3 Accessed February 2007
5. Schmidt-Rohr, K. (2020). "Oxygen Is the High-Energy Molecule Powering Complex Multicellular Life: Fundamental Corrections to Traditional Bioenergetics” ACS Omega 5: 2221-2233. http://dx.doi.org/10.1021/acsomega.9b03352
6. "Retrieved on May-29-09". Uic.edu. В архиве from the original on 2010-06-04. Получено 2010-12-12.
7. Bicycle calculator – speed, weight, wattage etc. "Bike Calculator". В архиве из оригинала 13.05.2009. Получено 2009-05-29..
8. Шмидт-Рор, К. (2015). «Почему процессы сгорания всегда экзотермичны, давая около 418 кДж на моль O₂". J. Chem. Образовательный. 92 (12): 2094–2099. Bibcode:2015JChEd..92.2094S. Дои:10.1021 / acs.jchemed.5b00333.
9. Ito, Akihito; Oikawa, Takehisa (2004). "Global Mapping of Terrestrial Primary Productivity and Light-Use Efficiency with a Process-Based Model. В архиве 2006-10-02 at the Wayback Machine " in Shiyomi, M. et al. (Eds.) Global Environmental Change in the Ocean and on Land. pp. 343–58.
10. "Earth's Energy Budget". Okfirst.ocs.ou.edu. В архиве из оригинала 27.08.2008. Получено 2010-12-12.
11. Misner, Thorne, Wheeler (1973). Гравитация. Сан-Франциско: W.H. Фримен. ISBN  978-0-7167-0344-0.
12. Berkeley Physics Course Volume 1. Charles Kittel, Walter D Knight and Malvin A Ruderman
13. Законы термодинамики В архиве 2006-12-15 at the Wayback Machine including careful definitions of energy, free energy, et cetera.
14. Feynman, Richard (1964). The Feynman Lectures on Physics; Том 1. U.S.A: Addison Wesley. ISBN  978-0-201-02115-8.
15. «Открытие Э. Нётер глубокой связи между симметриями и законами сохранения». Physics.ucla.edu. 1918-07-16. Архивировано из оригинал на 2011-05-14. Получено 2010-12-12.
16. "Time Invariance". Ptolemy.eecs.berkeley.edu. В архиве from the original on 2011-07-17. Получено 2010-12-12.
17. I. Klotz, R. Rosenberg, Chemical Thermodynamics - Basic Concepts and Methods, 7th ed., Wiley (2008), p.39
18. Kittel and Kroemer (1980). Теплофизика. Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  978-0-7167-1088-2.
19. Onsager, L. (1931). "Reciprocal relations in irreversible processes". Phys. Rev. 37 (4): 405–26. Bibcode:1931ПхРв ... 37..405О. Дои:10.1103/PhysRev.37.405.
20. Martyushev, L.M.; Seleznev, V.D. (2006). "Maximum entropy production principle in physics, chemistry and biology". Отчеты по физике. 426 (1): 1–45. Bibcode:2006PhR...426....1M. Дои:10.1016/j.physrep.2005.12.001.
21. Белкин, А .; и другие. (2015). "Self-Assembled Wiggling Nano-Structures and the Principle of Maximum Entropy Production". Sci. Представитель. 5: 8323. Bibcode:2015NatSR...5E8323B. Дои:10.1038/srep08323. ЧВК  4321171. PMID  25662746.

дальнейшее чтение

• Alekseev, G.N. (1986). Energy and Entropy. Москва: Мир.
• В Биосфера (А Scientific American Книга), Сан-Франциско, W.H. Фриман и Ко, 1970 г., ISBN  0-7167-0945-7. This book, originally a 1970 Scientific American выпуск, охватывает практически все основные проблемы и концепции с момента обсуждения материалов и энергетические ресурсы, численность населения тенденции и ухудшение окружающей среды.
• Crowell, Benjamin (2011), "ch. 11", Свет и материя, Fullerton, California: Light and Matter
• Энергия и мощность (А Scientific American Книга), Сан-Франциско, W.H. Freeman and Co., 1971, ISBN  0-7167-0938-4.
• Ross, John S. (23 April 2002). "Work, Power, Kinetic Energy" (PDF). Проект PHYSNET. Университет штата Мичиган.
• Santos, Gildo M. "Energy in Brazil: a historical overview," The Journal of Energy History (2018) $1 онлайн
• Smil, Vaclav (2008). Energy in nature and society: general energetics of complex systems. Cambridge, US: MIT Press. ISBN  978-0-262-19565-2.
• Walding, Richard; Rapkins, Greg; Rossiter, Glenn (1999). New Century Senior Physics. Мельбурн, Австралия: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-551084-3.

Журналы

• The Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018-

внешняя ссылка

• Энергия в Керли
• Differences between Heat and Thermal energy – BioCab