Energie

Energie
,
Dimensiune
Unități
SI J
GHS erg

Energia ( altă greacă ἐνέργεια  - acțiune, activitate, putere, putere) este o mărime fizică scalară , care este o măsură unică a diferitelor forme de mișcare și interacțiune a materiei , o măsură a forței de tranziție a mișcării materiei de la una. formă la alta, pentru a elimina formele reale în timp și tipurile de materie din Univers pentru a-l aduce într-o stare de repaus. Introducerea conceptului de energie este convenabilă deoarece, dacă sistemul fizic este închis, atunci energia sa este stocată în acest sistem pentru durata de timp , timp în care sistemul va fi închis. Această afirmație se numește legea conservării energiei .

Din punct de vedere fundamental, energia este una dintre cele trei (împreună cu momentul și momentul unghiular ) integrale aditive ale mișcării (adică cantități conservate în timp), asociate, conform teoremei lui Noether , cu omogenitatea timpului , adică independenţa legilor care descriu mişcarea din timp .

Cuvântul „energie” a fost introdus de Aristotel în tratatul „ Fizică ”, dar acolo desemna activitatea umană.

Notația folosită

De obicei, energia este notată prin simbolul E  - din lat.  e nergīa (acțiune, activitate, putere).

Pentru a desemna cantitatea de căldură (cantitatea de energie transferată prin schimbul de căldură), se folosește de obicei simbolul Q  - din engleză.  cantitatea de căldură (cantitatea de căldură).

Pentru a desemna munca, ca cantitate de energie transferată, simbolul A este de obicei folosit  - de la acesta.  a rbeit (muncă, muncă) sau simbolul W - din engleză.  muncă ( muncă , muncă).

Pentru a indica puterea, ca cantitatea de energie care se modifică pe unitatea de timp, utilizați simbolul W.

Simbolul U este de obicei folosit pentru a desemna energia internă a unui corp (originea simbolului trebuie clarificată).

Istoria termenului

Termenul „energie” provine din cuvântul grecesc ἐνέργεια , care a apărut pentru prima dată în lucrările lui Aristotel și a desemnat acțiune sau realitate (adică punerea în aplicare efectivă a unei acțiuni în opoziție cu posibilitatea acesteia). Acest cuvânt, la rândul său, provine din grecescul ἔργον („ergon”) – „muncă”. Rădăcina proto- indo -europeană werg însemna muncă sau activitate (cf. lucrare în engleză , Werk germană ) și este prezentă sub forma οργ / ουργ în cuvinte grecești precum orgie sau teurgie etc.   

Leibniz în tratatele sale din 1686 și 1695 a introdus conceptul de „ forță vie ” ( vis viva ), pe care l-a definit ca fiind produsul dintre masa unui obiect și pătratul vitezei acestuia (în terminologia modernă - energia cinetică , doar dublată) . În plus, Leibniz credea în păstrarea unei „forțe de muncă” comune. Pentru a explica scăderea vitezei corpurilor din cauza frecării , el a sugerat că partea pierdută a „forței vii” trece la atomi.

Marchiza Émilie du Châtelet , în Institutions de  Physique , 1740, a combinat ideea lui Leibniz cu observațiile practice ale lui Willem Gravesand .

În 1807, Thomas Young a fost primul care a folosit termenul „energie” în sensul modern al cuvântului în locul conceptului de „forță vie” [1] . Gaspard-Gustave Coriolis a descoperit legătura dintre muncă și energia cinetică în 1829. William Thomson (viitorul Lord Kelvin) a folosit pentru prima dată termenul de „ energie cinetică ” nu mai târziu de 1851, iar în 1853 William Rankin a introdus pentru prima dată conceptul de „ energie potențială ”.

De câțiva ani au existat dispute dacă energia este o substanță ( calorică ) sau doar o cantitate fizică.

Dezvoltarea motoarelor cu abur a cerut inginerilor să dezvolte concepte și formule care să le permită să descrie eficiența mecanică și termică a sistemelor lor. Fizicienii ( Sadi Carnot , James Joule , Emile Clapeyron și Hermann Helmholtz ), matematicienii au dezvoltat cu toții ideea că capacitatea de a efectua anumite acțiuni, numite muncă , era într-un fel legată de energia sistemului. În anii 1850, profesorul de filosofie naturală din Glasgow William Thomson și inginerul William Rankine au început să lucreze pentru a înlocui limbajul învechit al mecanicii cu concepte precum „energie cinetică și reală (actuală)” [1] . William Thomson a combinat cunoștințele despre energie în legile termodinamicii, ceea ce a contribuit la dezvoltarea rapidă a chimiei. Rudolf Clausius , Josiah Gibbs și Walter Nernst au explicat multe procese chimice folosind legile termodinamicii. Dezvoltarea termodinamicii a fost continuată de Clausius, care a introdus și formulat matematic conceptul de entropie, și de Joseph Stefan, care a introdus legea radiației corpului negru. În 1853, William Rankin a introdus conceptul de „ energie potențială ” [1] . În 1881, William Thomson a declarat ascultătorilor [2] :

Cuvântul energie în sine , deși folosit pentru prima dată în sensul său modern de Dr. Thomas Young la începutul acestui secol, intră în uz abia acum, aproape după ce teoria care a definit energia... s-a dezvoltat de la o simplă formulă a dinamicii matematice la un principiu care pătrunde în toată natura și călăuzește cercetătorul în domeniul științei.

Text original  (engleză)[ arataascunde] Însuși numele energie, deși folosit pentru prima dată în sensul său actual de Dr. Thomas Young la începutul acestui secol, a intrat în uz practic doar după ce doctrina care o definește a fost... ridicată de la simpla formulă a dinamicii matematice la poziția în care se află acum. deține un principiu care pătrunde în toată natura și călăuzește cercetătorul în domeniul științei.

În următorii treizeci de ani, această nouă știință a avut mai multe denumiri, de exemplu, „teoria dinamică a căldurii” ( ing.  teoria dinamică a căldurii ) și „energetică” ( ing.  energetică ). În anii 1920, denumirea de „ termodinamică ” a devenit general acceptată - știința transformării energiei.

Caracteristicile conversiei căldurii și ale lucrului au fost prezentate în primele două legi ale termodinamicii . Știința energiei sa împărțit în multe domenii diferite, cum ar fi termodinamica biologică și termoeconomia .  În paralel, s-au dezvoltat concepte înrudite, cum ar fi entropia , o măsură a pierderii de energie utilizabilă, puterea , fluxul de energie pe unitatea de timp și așa mai departe. În ultimele două secole, utilizarea cuvântului energie într-un sens non-științific a devenit larg răspândită în literatura populară.

În 1918, s-a dovedit că legea conservării energiei este o consecință matematică a simetriei translaționale a timpului, a mărimii energiei conjugate. Adică, energia este conservată deoarece legile fizicii nu se schimbă în timp (vezi teorema lui Noether , izotropia spațiului ).

În 1961, un profesor remarcabil de fizică și laureat al Premiului Nobel, Richard Feynman , în prelegerile sale, a spus astfel despre conceptul de energie [3] :

Există un fapt, sau, dacă vrei, o lege care guvernează toate fenomenele naturale, tot ce s-a cunoscut până acum. Nu există excepții de la această lege; din câte știm, este absolut exact. Numele său este conservarea energiei . El susține că există o anumită cantitate numită energie, care nu se modifică sub nicio transformare care are loc în natură. Această afirmație în sine este foarte, foarte abstractă. Acesta este în esență un principiu matematic care afirmă că există o anumită valoare numerică care nu se schimbă în nicio circumstanță. Aceasta nu este nicidecum o descriere a mecanismului unui fenomen sau a ceva anume, ci pur și simplu observă circumstanța ciudată că poți număra un anumit număr și apoi să urmărești cu calm cum natura își va arunca orice truc și apoi să calculezi din nou acest număr. - și va rămâne fostă.

Text original  (engleză)[ arataascunde] Există un fapt, sau dacă doriți, o lege, care guvernează fenomenele naturale care sunt cunoscute până în prezent. Nu există nicio excepție cunoscută de la această lege – este exactă până în prezent știm. Legea se numește conservarea energiei; ea afirmă că există o anumită cantitate, pe care o numim energie, care nu se modifică în multiplele modificări pe care le suferă natura. Aceasta este o idee foarte abstractă, deoarece este un principiu matematic; se spune că există o mărime numerică, care nu se schimbă atunci când se întâmplă ceva. Nu este o descriere a unui mecanism sau ceva concret; este doar un fapt ciudat că putem calcula un număr, iar când terminăm de privit natura trecând prin trucurile ei și calculând din nou numărul, este la fel. — Prelegeri Feynman despre fizică [4]

Tipuri de energie

Mecanica distinge între energia potențială (sau, mai general, energia interacțiunii corpurilor sau părților lor între ele sau cu câmpuri externe) și energia cinetică (energia mișcării). Suma lor se numește energie mecanică totală .

Toate tipurile de câmpuri au energie. Pe această bază, ei disting: energie electromagnetică (uneori împărțită în energii electrice și magnetice), energie gravitațională (gravitațională) și atomică (nucleară) (poate fi împărțită și în energia interacțiunilor slabe și puternice ).

Termodinamica are în vedere energia internă și alte potențiale termodinamice .

În chimie se consideră cantităţi precum energia de legătură , afinitatea chimică , având dimensiunea energiei raportată la cantitatea de substanţă . Vezi și: potențial chimic .

Energia explozivă este uneori măsurată în echivalent TNT .

Kinetic

Energia cinetică este energia unui sistem mecanic , în funcție de viteza punctelor sale. Adesea, alocă energia cinetică a mișcării de translație și rotație . Unitatea SI  este joule . Mai strict, energia cinetică este diferența dintre energia totală a unui sistem și energia sa de repaus ; astfel, energia cinetică este partea din energia totală datorată mișcării .

Potenţial

Energia potențială  este o mărime fizică scalară care caracterizează rezerva de energie a unui anumit corp (sau punct material) situat într-un câmp de forță potențial, care este folosită pentru a dobândi (modifica) energia cinetică a corpului datorită muncii forțelor câmpului. . O altă definiție: energia potențială este o funcție de coordonate, care este un termen în Lagrangianul sistemului, și descrie interacțiunea elementelor sistemului [5] .

Termenul „energie potențială” a fost introdus în secolul al XIX-lea de către inginerul și fizicianul scoțian William Rankine . Unitatea SI pentru energie este joule . Energia potențială este considerată egală cu zero pentru o anumită configurație a corpurilor din spațiu, a cărei alegere este determinată de comoditatea calculelor ulterioare. Procesul de alegere a unei configurații date se numește normalizare a energiei potențiale .

Electromagnetic

Gravitațional

Energia gravitațională este energia potențială a unui sistem de corpuri (particule) datorită gravitației lor reciproce . Un sistem legat gravitațional  este un sistem în care energia gravitațională este mai mare decât suma tuturor celorlalte tipuri de energie (în plus față de energia de repaus ). Scara general acceptată este că pentru orice sistem de corpuri situate la distanțe finite, energia gravitațională este negativă, iar pentru corpurile infinit depărtate, adică pentru corpurile care nu interacționează gravitațional, energia gravitațională este zero. Energia totală a sistemului, egală cu suma energiei gravitaționale și cinetice , este constantă; pentru un sistem izolat, energia gravitațională este energia de legătură . Sistemele cu energie totală pozitivă nu pot fi staționare.

Nuclear

Energia nucleară (energia atomică) este energia conținută în nucleele atomice și eliberată în timpul reacțiilor nucleare .

Energia de legare  - energia necesară pentru a împărți nucleul în nucleoni individuali se numește energie de legare. Energia de legare per nucleon nu este aceeași pentru diferite elemente chimice și chiar izotopi ai aceluiași element chimic.

Intern

Energia internă a unui corp (notat E sau U) este suma energiilor interacțiunilor moleculare și mișcărilor termice ale moleculelor. Energia internă a unui corp nu poate fi măsurată direct. Energia internă este o funcție cu o singură valoare a stării sistemului. Aceasta înseamnă că ori de câte ori un sistem se găsește într-o stare dată, energia sa internă își asumă valoarea inerentă acestei stări, indiferent de istoria sistemului. În consecință, schimbarea energiei interne în timpul tranziției de la o stare la alta va fi întotdeauna egală cu diferența dintre valorile sale în starea finală și inițială, indiferent de calea pe care s-a făcut tranziția.

Potențial chimic

Potențialul chimic  este unul dintre parametrii termodinamici ai unui sistem, și anume energia de adăugare a unei particule la sistem fără a lucra.

Energie de explozie

O explozie este un proces fizic și/sau chimic rapid cu eliberare de energie semnificativă într-un volum mic într-o perioadă scurtă de timp , care duce la șocuri, vibrații și efecte termice asupra mediului și expansiunea la viteză mare a gazelor.

Într-o explozie chimică, pe lângă gaze, se pot forma și particule solide foarte dispersate, a căror suspensie se numește produse de explozie . Energia unei explozii este uneori măsurată în echivalent TNT  , o măsură a eliberării de energie a evenimentelor de înaltă energie, exprimată ca cantitatea de trinitrotoluen (TNT) care eliberează o cantitate egală de energie în timpul exploziei.

Energia vidului

Energia vidului este energie distribuită uniform în vid și se presupune că provoacă repulsie între orice obiecte materiale din Univers cu o forță direct proporțională cu masa și distanța dintre ele. Are o densitate extrem de scăzută.

Energia osmotică

Energia osmotică este munca care trebuie făcută pentru a crește concentrația de molecule sau ioni într-o soluție.

Energie și muncă

Energia este o măsură a capacității unui sistem fizic de a lucra . De exemplu, modificarea energiei mecanice totale a unui corp este numeric egală cu cantitatea de lucru mecanic efectuată asupra corpului. Prin urmare, cantitativ, energia și munca sunt exprimate în aceleași unități.

În relativitatea specială

Energie și masă

Conform teoriei relativității speciale , există o relație între masă și energie, exprimată prin celebra formulă Einstein :

unde  este energia sistemului;  - masa acestuia ;  este viteza luminii în vid .

În ciuda faptului că din punct de vedere istoric s-au făcut încercări de a interpreta această expresie ca o echivalență completă a conceptului de energie și masă, care, în special, a condus la apariția unui astfel de concept ca masă relativistă , în fizica modernă se obișnuiește să se restrângă sensul acestei ecuații, înțelegerea masei unui corp în repaus ca masă (așa-numita masă de repaus ), iar sub energie - numai energia internă conținută în sistem.

Energia unui corp, conform legilor mecanicii clasice, depinde de cadrul de referință, adică nu este aceeași pentru diferiți observatori. Dacă un corp se mișcă cu o viteză în raport cu un observator, atunci unui alt observator care se mișcă cu aceeași viteză, va părea staționar. În consecință, pentru primul observator, energia cinetică a corpului va fi, , unde  este masa corpului, iar pentru celălalt observator, zero .

Această dependență a energiei de cadrul de referință este păstrată și în teoria relativității. Pentru a determina transformările care au loc cu energia în timpul tranziției de la un cadru inerțial de referință la altul, se utilizează o construcție matematică complexă - tensorul energie-impuls .

Dependența energiei corpului de viteză nu mai este considerată în același mod ca în fizica newtoniană, ci conform formulei Einstein menționate mai sus:

unde  este masa invariantă . În cadrul de referință asociat corpului, viteza acestuia este zero, iar energia, care se numește energia de repaus, este exprimată prin formula:

Aceasta este energia minimă pe care o poate avea un corp cu masă. Semnificația formulei lui Einstein constă și în faptul că înainte de ea, energia era determinată până la o constantă arbitrară, iar formula lui Einstein indică valoarea absolută a acestei constante.

Energie și impuls

Teoria specială a relativității consideră energia ca o componentă a 4-momentum (vector 4-energy-momentum), care, împreună cu energia, include trei componente spațiale ale impulsului. Astfel, energia și impulsul se dovedesc a fi legate și se influențează reciproc atunci când se trece de la un cadru de referință la altul.

În mecanica cuantică

În mecanica cuantică, energia unei particule libere este legată de frecvența circulară a undei de Broglie corespunzătoare prin relația , unde  este constanta lui Planck . [6] [7] Această ecuație este o expresie matematică a principiului dualismului corpuscular-undă al undelor și particulelor pentru cazul energiei. [8] În mecanica cuantică , energia este duală cu timpul . În special, din motive fundamentale, este fundamental imposibil să se măsoare absolut exact energia unui sistem în orice proces, al cărui timp este finit. Atunci când se efectuează o serie de măsurători ale aceluiași proces, valorile energiei măsurate vor fluctua, dar valoarea medie este întotdeauna determinată de legea conservării energiei. Acest lucru duce la ceea ce se spune uneori a fi conservarea energiei medii în mecanica cuantică.

În relativitatea generală

În teoria generală a relativității , timpul nu este uniform, așa că apar anumite probleme atunci când se încearcă introducerea conceptului de energie. În special, se dovedește a fi imposibil de definit energia câmpului gravitațional ca tensor în raport cu transformările generale de coordonate.

Energie și entropie

Energia internă (sau energia mișcării haotice a moleculelor) este cel mai „degradat” tip de energie - nu poate fi convertită în alte tipuri de energie fără pierderi (vezi: entropia ).

Dimensiunea fizică și raportul dintre unitățile de măsură

În sistemul LMT de mărimi fizice , energia are dimensiunea .

Relațiile dintre unitățile de energie.
Unitate Echivalent
în J la erg în int. fecale în eV
1 J unu 10 7 0,238846 0,624146⋅10 19
1 erg 10 −7 unu 2,38846⋅10 −8 0,624146⋅10 12
1 int. J [9] 1,00020 1,00020⋅10 7 0,238891 0,624332⋅10 19
1 kgf m 9,80665 9,80665⋅107 _ 2,34227 6.12078⋅10 19
1 kWh 3,60000⋅10 6 3,60000⋅10 13 8,5985⋅105 _ 2.24693⋅10 25
1 l atm _ 101,3278 1.013278⋅10 9 24.2017 63,24333⋅10 19
1 int. cal (cal IT ) 4.1868 4,1868⋅107 _ unu 2,58287⋅10 19
1 termochimie. cal (cal TX ) 4,18400 4,18400⋅107 _ 0,99933 2.58143⋅10 19
1 electronvolt (eV) 1,60219⋅10 −19 1,60219⋅10 −12 3,92677⋅10 −20 unu

Surse de energie

În mod convențional , sursele de energie pot fi împărțite în două tipuri: neregenerabile și permanente . Primele includ gaz, petrol, cărbune, uraniu etc. Tehnologia de obținere și transformare a energiei din aceste surse a fost dezvoltată, dar, de regulă, nu este ecologică, iar multe dintre ele sunt epuizate. Sursele permanente includ energia solară, energia primită la centralele hidroelectrice etc.

Resursele energetice neregenerabile și valoarea lor [10]
Tipul de resursă Rezerve, J
Energia de fuziune 3,6 10 26
Energie nucleara 2 10 24
Energia chimică a petrolului și gazelor 2 10 23
Căldura internă a Pământului 5 10 20
Resursele de energie regenerabilă și valoarea lor anuală [10]
Tipul de resursă Rezerve, J
energie solara 2 10 24
Energia mareelor ​​mării 2,5 10 23
Energie eoliana 6 10 21
energia fluvială 6,5 10 19

Consumul de energie

Există destul de multe forme de energie, dintre care majoritatea [11] sunt folosite într-un fel sau altul în energie și în diverse tehnologii moderne .

Rata consumului de energie este în creștere în întreaga lume, prin urmare, în stadiul actual de dezvoltare a civilizației, cea mai urgentă problemă este eficiența energetică și conservarea energiei .

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 3 Smith, Crosby. Știința energiei: o istorie culturală a fizicii energiei în Marea Britanie victoriană. - The University of Chicago Press, 1998. - ISBN 0-226-76421-4 .
  2. ↑ Thomson, William. Despre sursele de energie disponibile omului pentru producerea efectului mecanic. - Rep BAAS, 1881. P. 513
  3. ↑ Richard Feynman. Prelegerile Feynman despre fizică. - SUA: Addison Wesley, 1964. - Vol. 1. - ISBN 0-201-02115-3 .
  4. ↑ Feynman, Richard . Feynman Lectures on Physics = The Feynman Lectures on Physics. - T. 1.
  5. ↑ Landau, L. D. , Lifshitz, E. M. Fizica teoretică . - a 5-a ed. - M. : Fizmatlit, 2004. - T. I. Mecanica. — 224 p. - ISBN 5-9221-0055-6 .
  6. ↑ Pauli, 1947 , p. unsprezece.
  7. ↑ Shirokov, 1972 , p. optsprezece.
  8. ↑ Shirokov, 1972 , p. 19.
  9. ↑ Joule (unitate de energie și muncă) - articol din Marea Enciclopedie Sovietică . G. D. Burdun. 
  10. ↑ 1 2 Alekseev, 1978 , p. 134.
  11. ↑ http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.files/Inf03.pdf

Literatură

Link -uri