Energiaa | |
---|---|
, | |
Ulottuvuus | |
Yksiköt | |
SI | J |
GHS | erg |
Energia ( toinen kreikka ἐνέργεια - toiminta, aktiivisuus, voima, voima) on skalaarinen fyysinen suure , joka on aineen erilaisten liike- ja vuorovaikutusmuotojen yksittäinen mitta, aineen liikkeen siirtymävoiman mitta. muodon toiseen, eliminoidakseen todelliset muodot ajassa ja aineen tyypit maailmankaikkeudesta sen saattamiseksi lepotilaan. Energian käsitteen käyttöönotto on kätevää, koska jos fyysinen järjestelmä on suljettu, sen energia varastoituu tähän järjestelmään ajaksi , jonka aikana järjestelmä suljetaan. Tätä väitettä kutsutaan energian säilymisen laiksi .
Perimmäisestä näkökulmasta energia on yksi kolmesta ( liikemäärän ja kulmamomentin ohella ) additiivinen liikkeen integraali (eli ajassa säilyvät suureet), jotka liittyvät Noetherin lauseen mukaan ajan homogeenisuuteen , eli liikettä kuvaavien lakien riippumattomuus ajasta .
Sanan "energia" esitti Aristoteles tutkielmassa " Fysiikka ", mutta siellä se merkitsi ihmisen toimintaa.
Yleensä energiaa merkitään symbolilla E - lat. e nergia (toiminta, toiminta, voima).
Lämmön määrän (lämmönvaihdolla siirretyn energian määrän) ilmaisemiseksi käytetään yleensä symbolia Q - englannista. lämmön määrä ( lämmön määrä).
Työn merkitsemiseksi siirretyn energian määränä käytetään yleensä symbolia A - siitä. rbeit ( työ , työ) tai symboli W - englanniksi. työ ( työ , työ).
Merkitse tehoa, kun energian määrä muuttuu aikayksikköä kohti, käyttämällä symbolia W.
Symbolia U käytetään yleensä kuvaamaan kehon sisäistä energiaa (symbolin alkuperä on selvitettävä).
Termi "energia" tulee kreikan sanasta ἐνέργεια , joka esiintyi ensimmäisen kerran Aristoteleen teoksissa ja merkitsi toimintaa tai todellisuutta (eli toiminnan todellista toteuttamista sen mahdollisuuden vastakohtana). Tämä sana puolestaan tulee kreikan sanasta ἔργον ("ergon") - "työ". Proto -indoeurooppalainen juuri werg merkitsi työtä tai toimintaa (vrt. englanniksi work , saksaksi Werk ) ja esiintyy muodossa οργ / ουργ sellaisissa kreikkalaisissa sanoissa kuin orgia tai teurgia jne.
Leibniz esitteli vuosien 1686 ja 1695 tutkielmissaan " elävän voiman " ( vis viva ) käsitteen, jonka hän määritteli esineen massan ja sen nopeuden neliön tuloksi (nykyaikaisessa terminologiassa kineettinen energia , vain kaksinkertainen). . Lisäksi Leibniz uskoi yhteisen "työvoiman" säilymiseen. Selittääkseen kitkasta johtuvaa kappaleiden nopeuden laskua hän ehdotti, että kadonnut osa "elävästä voimasta" siirtyy atomeille.
Markiisi Émilie du Châtelet yhdisti teoksessaan Institutions de Physique , 1740 Leibnizin idean Willem Gravesandin käytännön havaintoihin .
Vuonna 1807 Thomas Young käytti ensimmäisenä termiä "energia" sanan nykyisessä merkityksessä "elävän voiman" käsitteen sijaan [1] . Gaspard-Gustave Coriolis löysi työn ja liike-energian välisen yhteyden vuonna 1829. William Thomson (tuleva lordi Kelvin) käytti ensimmäisen kerran termiä " kineettinen energia " viimeistään vuonna 1851, ja vuonna 1853 William Rankin esitteli ensimmäisen kerran " potentiaalisen energian " käsitteen.
Useita vuosia on kiistelty siitä, onko energia aine ( kalori ) vai vain fyysinen määrä.
Höyrykoneiden kehitys vaati insinöörejä kehittämään konsepteja ja kaavoja, joiden avulla he pystyisivät kuvaamaan järjestelmiensä mekaanista ja lämpötehokkuutta . Fyysikot ( Sadi Carnot , James Joule , Emile Clapeyron ja Hermann Helmholtz ), matemaatikot kehittivät kaikki ajatuksen siitä, että kyky suorittaa tiettyjä toimintoja, joita kutsutaan työksi , liittyi jotenkin järjestelmän energiaan. 1850-luvulla Glasgow'n luonnonfilosofian professori William Thomson ja insinööri William Rankine aloittivat työskentelyn korvatakseen vanhentuneen mekaniikan kielen sellaisilla käsitteillä kuin "kineettinen ja todellinen (todellinen) energia" [1] . William Thomson yhdisti tiedon energiasta termodynamiikan lakeihin, mikä vaikutti kemian nopeaan kehitykseen. Rudolf Clausius , Josiah Gibbs ja Walter Nernst selittivät monia kemiallisia prosesseja käyttämällä termodynamiikan lakeja. Termodynamiikan kehitystä jatkoivat Clausius, joka esitteli ja matemaattisesti muotoili entropian käsitteen, ja Joseph Stefan, joka esitteli mustan kappaleen säteilyn lain. Vuonna 1853 William Rankin esitteli käsitteen " potentiaalinen energia " [1] . Vuonna 1881 William Thomson sanoi kuulijoille [2] :
Itse sana energia , vaikka tohtori Thomas Young käytti ensimmäisen kerran nykyisessä merkityksessään tämän vuosisadan alussa, on vasta nyt tulossa käyttöön melkein sen teorian jälkeen, joka määritteli energian ... kehittyi pelkästä matemaattisen dynamiikan kaavasta koko luontoa läpäisevä periaate ja tieteenalan ohjaava tutkija.
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Jo nimi energia, vaikka tohtori Thomas Young käytti sen nykyisessä merkityksessään ensimmäisen kerran tämän vuosisadan alussa, on tullut käyttöön vasta käytännössä sen jälkeen, kun sen määrittelevä oppi… nostettiin pelkästä matemaattisen dynamiikan kaavasta nykyiseen asemaan. noudattaa periaatetta, joka vallitsee koko luonnon ja ohjaa tutkijaa tieteen alalla.Seuraavien kolmenkymmenen vuoden aikana tällä uudella tieteellä oli useita nimiä, esimerkiksi "dynaaminen lämmön teoria" ( eng. dynaaminen lämmön teoria ) ja "energetiikka" ( eng. energetics ). 1920-luvulla nimi " termodynamiikka " tuli yleisesti hyväksytyksi - tiede energian muuntamisesta.
Lämmön muuntamisen ja työn ominaisuudet esitettiin termodynamiikan kahdessa ensimmäisessä laissa . Energiatiede on jakautunut moniin eri alueisiin, kuten biologiseen termodynamiikkaan ja lämpötalouteen . Samanaikaisesti kehitettiin toisiinsa liittyviä käsitteitä, kuten entropia , käytettävän energiahäviön mitta, teho , energian virtaus aikayksikköä kohti ja niin edelleen. Kahden viime vuosisadan aikana sanan energia käyttö ei-tieteellisessä merkityksessä on yleistynyt populaarikirjallisuudessa.
Vuonna 1918 todistettiin, että energian säilymislaki on matemaattinen seuraus ajan translaatiosymmetriasta , konjugoituneen energian suuruudesta. Toisin sanoen energiaa säästyy, koska fysiikan lait eivät muutu ajan kuluessa (katso Noetherin lause , avaruuden isotropia ).
Vuonna 1961 erinomainen fysiikan opettaja ja Nobel-palkittu Richard Feynman ilmaisi luennoissaan energian käsitteestä [3] :
On olemassa tosiasia, tai jos haluat, laki , joka hallitsee kaikkia luonnonilmiöitä, kaikkea, mikä on tähän mennessä tiedetty. Tästä laista ei ole poikkeuksia; sikäli kuin tiedämme, se on ehdottoman tarkka. Sen nimi on energiansäästö . Hän väittää, että on olemassa tietty määrä nimeltä energia, joka ei muutu missään luonnossa tapahtuvissa muutoksissa. Tämä lausunto itsessään on hyvin, hyvin abstrakti. Tämä on pohjimmiltaan matemaattinen periaate, jonka mukaan on olemassa jokin numeerinen arvo, joka ei muutu missään olosuhteissa. Tämä ei suinkaan ole kuvaus ilmiön mekanismista tai jostain erityisestä, se vain huomauttaa sen oudon olosuhteen, että voit laskea tietyn luvun ja sitten rauhallisesti katsoa, kuinka luonto heittelee minkä tahansa temppunsa, ja laskea tämän luvun sitten uudelleen. - ja se pysyy entisenä.
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] On olemassa tosiasia, tai jos haluat, laki, joka hallitsee luonnonilmiöitä, jotka tunnetaan tähän mennessä. Tähän lakiin ei ole tiedossa olevaa poikkeusta – se on tarkka tähän asti. Lakia kutsutaan energian säilymiseksi; siinä sanotaan, että on olemassa tietty määrä, jota kutsumme energiaksi, joka ei muutu monissa luonnon läpikäytävissä muutoksissa. Se on mitä abstraktein ajatus, koska se on matemaattinen periaate; se sanoo, että on olemassa numeerinen määrä, joka ei muutu, kun jotain tapahtuu. Se ei ole kuvaus mekanismista tai mistään konkreettisesta; se on vain outo tosiasia, että voimme laskea jonkin luvun, ja kun lopetamme katselemme luonnon käyvän läpi temppujaan ja laskevan luvun uudelleen, se on sama. — Feynmanin luentoja fysiikasta [4]Mekaniikka erottaa potentiaalienergian (tai yleisemmin kappaleiden tai niiden osien vuorovaikutuksen energian keskenään tai ulkoisten kenttien kanssa) ja kineettisen energian (liikeenergia). Niiden summaa kutsutaan mekaaniseksi kokonaisenergiaksi .
Kaikilla aloilla on energiaa. Tältä pohjalta ne erottavat: sähkömagneettisen (joskus jaettuna sähkö- ja magneettienergiaan), gravitaatioenergian (painovoima) ja atomienergian (ydinenergia) (se voidaan jakaa myös heikkojen ja voimakkaiden vuorovaikutusten energiaan ).
Termodynamiikka ottaa huomioon sisäisen energian ja muut termodynaamiset potentiaalit .
Kemiassa huomioidaan suuret, kuten sidosenergia , kemiallinen affiniteetti , joiden energiaulottuvuus liittyy aineen määrään . Katso myös: kemiallinen potentiaali .
Räjähdysenergia mitataan joskus TNT-ekvivalentteina .
Kineettinen energia on mekaanisen järjestelmän energiaa sen pisteiden nopeudesta riippuen . Usein allokoivat translaatio- ja pyörimisliikkeen kineettistä energiaa . SI - yksikkö on joule . Tarkemmin sanottuna kineettinen energia on ero järjestelmän kokonaisenergian ja sen lepoenergian välillä ; siten kineettinen energia on osa liikkeestä johtuvaa kokonaisenergiaa .
Potentiaalienergia on skalaarinen fysikaalinen suure , joka kuvaa potentiaalivoimakentässä sijaitsevan tietyn kappaleen (tai materiaalipisteen) energiavarastoa, jota käytetään kehon liike-energian hankkimiseen (muuttamiseen) kenttävoimien vaikutuksesta. . Toinen määritelmä: potentiaalienergia on koordinaattien funktio, joka on järjestelmän Lagrangin termi ja kuvaa järjestelmän elementtien vuorovaikutusta [5] .
Skotlantilainen insinööri ja fyysikko William Rankine otti termin "potentiaalinen energia" käyttöön 1800-luvulla . Energian SI -yksikkö on joule . Potentiaalienergia otetaan nollaksi joillekin avaruudessa olevien kappaleiden konfiguraatiolle, jonka valinnan määrää lisälaskelmien mukavuus. Tietyn konfiguraation valintaprosessia kutsutaan potentiaalienergian normalisoimiseksi .
Gravitaatioenergia on kappaleiden (hiukkasten) järjestelmän potentiaalienergia , joka johtuu niiden keskinäisestä gravitaatiosta . Gravitaatiosidonnainen järjestelmä on järjestelmä, jossa gravitaatioenergia on suurempi kuin kaikkien muiden energiatyyppien summa ( lepoenergian lisäksi ). Yleisesti hyväksytty asteikko on, että minkä tahansa äärellisillä etäisyyksillä sijaitsevien kappaleiden järjestelmässä gravitaatioenergia on negatiivinen ja äärettömän etäisten eli painovoimaisesti ei-vuorovaikutteisten kappaleiden gravitaatioenergia on nolla. Järjestelmän kokonaisenergia, joka on yhtä suuri kuin gravitaatio- ja liike-energian summa , on vakio; eristetylle järjestelmälle gravitaatioenergia on sitova energia . Positiivisen kokonaisenergian omaavat järjestelmät eivät voi olla paikallaan.
Ydinenergia (atomienergia) on atomiytimiin sisältyvää energiaa, joka vapautuu ydinreaktioiden aikana .
Sitoutumisenergia - energiaa, joka tarvitaan ytimen jakamiseen yksittäisiksi nukleoneiksi , kutsutaan sitoutumisenergiaksi. Sitoutumisenergia nukleonia kohti ei ole sama eri kemiallisille alkuaineille ja jopa saman kemiallisen alkuaineen isotoopeille .
Kappaleen sisäinen energia (merkitty E tai U) on molekyylien vuorovaikutusten ja molekyylien lämpöliikkeiden energioiden summa. Kehon sisäistä energiaa ei voi mitata suoraan. Sisäinen energia on yksiarvoinen funktio järjestelmän tilasta. Tämä tarkoittaa, että aina kun järjestelmä joutuu tiettyyn tilaan, sen sisäinen energia saa arvon, joka on ominaista tähän tilaan, riippumatta järjestelmän historiasta. Näin ollen sisäisen energian muutos siirtymisen aikana tilasta toiseen on aina yhtä suuri kuin sen arvojen erotus loppu- ja alkutilassa riippumatta siitä, mitä polkua pitkin siirtyminen tehtiin.
Kemiallinen potentiaali on yksi järjestelmän termodynaamisista parametreista, nimittäin energia, joka saadaan lisäämällä yksi hiukkanen järjestelmään ilman työtä.
Räjähdys on fysikaalinen ja/tai kemiallinen nopea prosessi, jossa vapautuu merkittävää energiaa pienessä tilavuudessa lyhyessä ajassa , mikä johtaa iskuihin, tärinään ja lämpövaikutuksiin ympäristöön sekä kaasujen nopeaan laajenemiseen.
Kemiallisessa räjähdyksessä voi kaasujen lisäksi muodostua myös kiinteitä voimakkaasti dispergoituneita hiukkasia, joiden suspensiota kutsutaan räjähdystuotteiksi . Räjähdyksen energiaa mitataan joskus TNT -ekvivalentteina, joka on suurienergisten tapahtumien energian vapautumisen mitta, joka ilmaistaan trinitrotolueenin (TNT) määränä, joka vapauttaa yhtä paljon energiaa räjähdyksen aikana.
Tyhjiöenergia on tyhjiössä tasaisesti jakautunutta energiaa, jonka oletetaan aiheuttavan hylkimistä minkä tahansa universumin aineellisen esineen välillä voimalla, joka on suoraan verrannollinen niiden massaan ja niiden väliseen etäisyyteen. Sillä on erittäin alhainen tiheys.
Osmoottinen energia on työtä, joka on tehtävä molekyylien tai ionien pitoisuuden lisäämiseksi liuoksessa.
Energia on mitta fyysisen järjestelmän kyvystä tehdä työtä . Esimerkiksi kehon mekaanisen kokonaisenergian muutos on numeerisesti yhtä suuri kuin kehoon tehdyn mekaanisen työn määrä. Siksi määrällisesti energia ja työ ilmaistaan samoissa yksiköissä.
Erityisen suhteellisuusteorian mukaan massan ja energian välillä on suhde, joka ilmaistaan kuuluisalla Einsteinin kaavalla :
missä on järjestelmän energia; - sen massa ; on valon nopeus tyhjiössä .Huolimatta siitä, että historiallisesti tätä ilmaisua on yritetty tulkita energian ja massan käsitteen täydelliseksi ekvivalenssiksi, mikä johti erityisesti sellaisen käsitteen syntymiseen kuin relativistinen massa , modernissa fysiikassa on tapana kaventaa käsitettä. Tämän yhtälön merkitys, ymmärrys levossa olevan kehon massasta massana (ns. lepomassa ), ja energian alla - vain järjestelmän sisältämä sisäinen energia.
Klassisen mekaniikan lakien mukaan kehon energia riippuu viitekehyksestä, eli se ei ole sama eri tarkkailijoille. Jos kappale liikkuu nopeudella suhteessa johonkin tarkkailijaan, niin toiselle samalla nopeudella liikkuvalle tarkkailijalle se näyttää olevan paikallaan. Vastaavasti ensimmäiselle havainnoijalle kehon kineettinen energia on , missä on kappaleen massa ja toiselle havainnoijalle nolla .
Tämä energian riippuvuus vertailukehyksestä säilyy myös suhteellisuusteoriassa. Energian kanssa tapahtuvien muunnosten määrittämiseksi siirtymisen aikana inertiaalisesta vertailukehyksestä toiseen käytetään monimutkaista matemaattista rakennetta - energia-momenttitensoria .
Kehon energian riippuvuutta nopeudesta ei enää tarkastella samalla tavalla kuin Newtonin fysiikassa, vaan edellä mainitun Einsteinin kaavan mukaan:
missä on invariantti massa . Kehoon liittyvässä vertailukehyksessä sen nopeus on nolla ja energia, jota kutsutaan lepoenergiaksi, ilmaistaan kaavalla:Tämä on energian vähimmäismäärä, jonka massaisella keholla voi olla. Einsteinin kaavan merkitys on myös siinä, että ennen sitä energia määritettiin mielivaltaiseen vakioon asti, ja Einsteinin kaava osoittaa tämän vakion absoluuttisen arvon.
Erityinen suhteellisuusteoria pitää energiaa 4-liikkeen komponenttina ( 4-energia-momenttivektori), joka sisältää energian lisäksi kolme liikemäärän spatiaalista komponenttia. Siten energia ja liikemäärä osoittavat olevan yhteydessä toisiinsa ja vaikuttavat toisiinsa, kun siirrytään viitekehyksestä toiseen.
Kvanttimekaniikassa vapaan hiukkasen energiaa suhteutetaan vastaavan de Broglien aallon ympyrätaajuuteen suhteella , jossa on Planckin vakio . [6] [7] Tämä yhtälö on matemaattinen ilmaus aaltojen ja hiukkasten korpuskulaari-aaltodualismin periaatteesta energian tapauksessa. [8] Kvanttimekaniikassa energia on kahtalainen ajan kanssa . Erityisesti perustavanlaatuisista syistä on pohjimmiltaan mahdotonta mitata ehdottoman tarkasti järjestelmän energiaa missään prosessissa, jonka aika on äärellinen. Kun suoritetaan sarja mittauksia samasta prosessista, mitatun energian arvot vaihtelevat, mutta keskiarvo määräytyy aina energian säilymisen lain mukaan. Tämä johtaa siihen, mitä joskus sanotaan olevan keskimääräisen energian säilyminen kvanttimekaniikassa.
Yleisessä suhteellisuusteoriassa aika ei ole yhtenäinen, joten tiettyjä ongelmia syntyy yritettäessä ottaa käyttöön energian käsite. Erityisesti osoittautuu mahdottomaksi määritellä gravitaatiokentän energiaa tensoriksi suhteessa yleisiin koordinaattimuunnoksiin.
Sisäinen energia (tai molekyylien kaoottisen liikkeen energia) on eniten "hajoanut" energiatyyppi - sitä ei voida muuttaa muun tyyppiseksi energiaksi ilman hävikkiä (katso: entropia ).
Fysikaalisten suureiden LMT-järjestelmässä energialla on ulottuvuus .
Yksikkö | Vastaava | |||
---|---|---|---|---|
kirjassa J | erg _ | int . ulosteet | vuonna eV | |
1 J | yksi | 10 7 | 0,238846 | 0,624146⋅10 19 |
1 erg | 10-7 _ | yksi | 2,38846⋅10 -8 | 0,624146⋅10 12 |
1 väliv. 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 väliv. cal (cal IT ) | 4.1868 | 4,1868⋅107 _ | yksi | 2,58287⋅10 19 |
1 termokemia. cal (cal TX ) | 4.18400 | 4,18400⋅107 _ | 0,99933 | 2,58143⋅10 19 |
1 elektronvoltti (eV) | 1,60219⋅10 −19 | 1,60219⋅10 −12 | 3,92677⋅10 −20 | yksi |
Perinteisesti energialähteet voidaan jakaa kahteen tyyppiin: uusiutumattomiin ja pysyviin . Ensimmäiset sisältävät kaasun, öljyn, kivihiilen, uraanin jne. Teknologiaa energian saamiseksi ja muuntamiseksi näistä lähteistä on kehitetty, mutta se ei yleensä ole ympäristöystävällinen, ja monet niistä ovat köyhdytettyjä. Pysyviä lähteitä ovat aurinkoenergia, vesivoimaloilla vastaanotettu energia jne.
Resurssin tyyppi | Varastot, J |
Fuusioenergia | 3,6 10 26 |
Ydinvoima | 2 10 24 |
Öljyn ja kaasun kemiallinen energia | 2 10 23 |
Maan sisäinen lämpö | 5 10 20 |
Resurssin tyyppi | Varastot, J |
aurinkoenergia | 2 10 24 |
Meren vuorovesien energia | 2,5 10 23 |
Tuulivoima | 6 10 21 |
joen energiaa | 6,5 10 19 |
On olemassa useita energiamuotoja, joista suurinta osaa [11] käytetään tavalla tai toisella energiassa ja erilaisissa nykyaikaisissa teknologioissa .
Energiankulutus kasvaa kaikkialla maailmassa, joten sivilisaation nykyisessä kehitysvaiheessa kiireellisin ongelma on energiatehokkuus ja energiansäästö .