Energia

Energia
,
Dimenzió
Egységek
SI J
GHS erg

Az energia ( más görögül ἐνέργεια  - cselekvés, tevékenység, erő, erő) egy skaláris fizikai mennyiség , amely az anyag különböző mozgásformáinak és kölcsönhatásainak egyetlen mértéke, az anyag mozgásának átmenetének erőmérője. formából a másikba, hogy a valós formákat időben és az anyagfajtákban megszüntessük az Univerzumban, hogy nyugalmi állapotba kerüljön. Az energia fogalmának bevezetése azért kényelmes, mert ha a fizikai rendszer zárt, akkor energiája ebben a rendszerben tárolódik arra az időtartamra , amely alatt a rendszer zárva lesz. Ezt az állítást energiamegmaradás törvényének nevezzük .

Alapvetően az energia a három (az impulzus és a szögimpulzus mellett ) additív mozgásintegrál (vagyis az időben konzervált mennyiségek) egyike, amely Noether tétele szerint az idő homogenitásához kapcsolódik , azaz a mozgást leíró törvények függetlensége az időtől.

Az "energia" szót Arisztotelész vezette be a " Fizika " című értekezésében , de ott az emberi tevékenységet jelölte.

Használt jelölés

Általában az energiát az E szimbólum jelöli  - lat.  e nergīa (cselekvés, tevékenység, hatalom).

A hőmennyiség (a hőcserével átadott energia mennyisége) jelölésére általában a Q szimbólumot használják  - az angolból.  hőmennyiség (hőmennyiség) .

A munka, mint az átadott energia mennyiségének jelölésére általában az A szimbólumot használják  - ebből .  egy rbeit (munka, munkaerő) vagy a W szimbólum - angolul.  munka ( munka , munka).

A teljesítmény jelölésére, mivel az energiamennyiség időegységenként változik, használja a W szimbólumot .

Az U szimbólumot általában egy test belső energiájának jelölésére használják (a szimbólum eredetét tisztázni kell).

A kifejezés története

Az "energia" kifejezés a görög ἐνέργεια szóból származik , amely először Arisztotelész műveiben jelent meg, és cselekvést vagy valóságot jelölt (vagyis egy cselekvés tényleges végrehajtását, szemben annak lehetőségével). Ez a szó viszont a görög ἔργον ("ergon") - "munka" szóból származik. A proto -indoeurópai werg gyök munkát vagy tevékenységet jelentett (vö. angol  work , német  Werk ), és οργ / ουργ formában van jelen olyan görög szavakban, mint orgia vagy teurgia stb.

Leibniz 1686-ban és 1695-ben írt értekezéseiben bevezette az „ élő erő ” ( vis viva ) fogalmát, amelyet a tárgy tömegének és sebességének négyzetének szorzataként definiált (a modern terminológia szerint a mozgási energia , csak megduplázva). . Ezenkívül Leibniz hitt a közös „munkaerő” megőrzésében. A testek sebességének súrlódás miatti csökkenésének magyarázatára azt javasolta, hogy az "élőerő" elveszett része az atomokhoz kerül.

Émilie du Châtelet márkinő Institutions de  Physique , 1740-ben egyesítette Leibniz ötletét Willem Gravesand gyakorlati megfigyeléseivel .

1807-ben Thomas Young használta elsőként a szó modern értelmében vett "energia" kifejezést az "élő erő" fogalma helyett [1] . Gaspard-Gustave Coriolis 1829-ben fedezte fel a munka és a mozgási energia közötti kapcsolatot. William Thomson (a jövőbeli Lord Kelvin) legkésőbb 1851-ben használta először a „ kinetikus energia ” kifejezést, 1853-ban pedig William Rankin vezette be először a „ potenciális energia ” fogalmát.

Évek óta vita folyik arról, hogy az energia anyag ( kalória ), vagy csak fizikai mennyiség.

A gőzgépek fejlesztése megkövetelte a mérnököktől, hogy olyan koncepciókat és képleteket dolgozzanak ki, amelyek lehetővé teszik rendszereik mechanikai és termikus hatásfokának leírását . A fizikusok ( Sadi Carnot , James Joule , Emile Clapeyron és Hermann Helmholtz ), matematikusok mind kifejlesztették azt az elképzelést, hogy bizonyos műveletek végrehajtásának képessége, amelyet munkának neveznek , valamilyen módon összefügg a rendszer energiájával. Az 1850-es években William Thomson glasgow-i természetfilozófia professzor és William Rankine mérnök elkezdett dolgozni azon, hogy a mechanika elavult nyelvét olyan fogalmakkal helyettesítsék, mint a "kinetikus és tényleges (tényleges) energia" [1] . William Thomson az energiával kapcsolatos ismereteket a termodinamika törvényeibe egyesítette, ami hozzájárult a kémia gyors fejlődéséhez. Rudolf Clausius , Josiah Gibbs és Walter Nernst számos kémiai folyamatot magyaráztak el a termodinamika törvényei alapján. A termodinamika fejlődését Clausius folytatta, aki bevezette és matematikailag megfogalmazta az entrópia fogalmát, valamint Joseph Stefan, aki a fekete test sugárzásának törvényét vezette be. 1853-ban William Rankin bevezette a „ potenciális energia ” fogalmát [1] . 1881-ben William Thomson kijelentette a hallgatóknak [2] :

Maga az energia szó , noha Dr. Thomas Young használta először a modern értelmében e század elején, csak most kezd használatba venni, majdnem azután, hogy az energia definiálása... a matematikai dinamika puszta képletéből fejlődött ki alapelv, amely az egész természetet áthatja és a tudomány területén vezető kutatót.

Eredeti szöveg  (angol)[ showelrejt] Maga az energia név, bár jelenlegi értelmében először Dr. Thomas Young használta e század elején, gyakorlatilag csak azután került használatba, hogy az azt meghatározó doktrína… a matematikai dinamika puszta képletéből a mostani helyzetbe került. egy olyan elvet vall, amely az egész természetet áthatja, és a tudomány területén irányítja a kutatót.

A következő harminc évben ennek az új tudománynak több neve is volt, például "dinamikus hőelmélet" ( eng.  dynamical theory of heat ) és "energetika" ( eng.  energetics ). Az 1920-as években a „ termodinamika ” elnevezés általánosan elfogadottá vált – az energia átalakításának tudománya.

A hőátalakítás és a munka jellemzőit a termodinamika első két törvénye mutatta be . Az energiatudomány számos különböző területre szakadt, mint például a biológiai termodinamika és a termoökonómia .  Ezzel párhuzamosan olyan kapcsolódó fogalmak fejlődtek ki, mint az entrópia , a felhasználható energiaveszteség mértéke, a teljesítmény , az egységnyi idő alatti energiaáramlás stb. Az elmúlt két évszázadban a népi irodalomban elterjedt az energia szó nem tudományos értelemben vett használata.

1918-ban bebizonyosodott, hogy az energiamegmaradás törvénye az idő transzlációs szimmetriájának , a konjugált energia nagyságának matematikai következménye . Vagyis az energia megmarad, mert a fizika törvényei nem változnak az idő múlásával (lásd Noether tételét , térizotrópia ).

1961-ben egy kiváló fizikatanár és Nobel-díjas Richard Feynman előadásaiban így fogalmazott az energia fogalmáról [3] :

Van egy tény, vagy ha úgy tetszik, egy törvény , amely minden természeti jelenséget szabályoz, mindent, amit eddig ismertek. Ez alól a törvény alól nincs kivétel; amennyire tudjuk, teljesen pontos. A neve energiamegmaradás . Azt állítja, hogy létezik egy bizonyos mennyiség, amit energiának neveznek, és amely nem változik a természetben előforduló átalakulások során. Ez a kijelentés maga nagyon-nagyon elvont. Ez lényegében egy matematikai alapelv, amely kimondja, hogy van valamilyen számérték, amely semmilyen körülmények között nem változik. Ez semmiképpen nem egy jelenség vagy valami konkrét jelenség mechanizmusának leírása, egyszerűen csak azt a furcsa körülményt jegyzi meg, hogy megszámolhatsz egy bizonyos számot, majd nyugodtan figyelheted, hogyan dobja ki a természet valamelyik trükkjét, majd újra kiszámolod ezt a számot. - és marad a régi.

Eredeti szöveg  (angol)[ showelrejt] Van egy tény, vagy ha úgy tetszik, egy törvény, amely szabályozza a máig ismert természeti jelenségeket. Nincs ismert kivétel ez alól a törvény alól – eddig pontosan tudjuk. A törvényt energiamegmaradásnak nevezik; kimondja, hogy van egy bizonyos mennyiség, amit energiának nevezünk, és amely nem változik a természetben végbemenő sokféle változásban. Ez egy nagyon elvont elképzelés, mert ez egy matematikai elv; azt mondja, hogy van egy számszerű mennyiség, ami nem változik, ha valami történik. Ez nem egy mechanizmus leírása vagy semmi konkrét; csak furcsa tény, hogy ki tudunk számolni valamilyen számot, és amikor befejeztük a természet trükkjeit, és újra kiszámítja a számot, az ugyanaz. – Feynman előadások a fizikáról [4]

Energiafajták

A mechanika megkülönbözteti a potenciális energiát (vagy általánosabban a testek vagy részeik egymással vagy külső mezőkkel való kölcsönhatásának energiáját) és a kinetikus energiát (a mozgás energiáját). Összegüket teljes mechanikai energiának nevezzük .

Mindenféle mezőnek van energiája. Ezen az alapon megkülönböztetik az elektromágneses (néha elektromos és mágneses energiákra osztva), a gravitációs (gravitációs) és az atomi (nukleáris) energiát ( gyenge és erős kölcsönhatások energiájára is felosztható ).

A termodinamika figyelembe veszi a belső energiát és más termodinamikai potenciálokat .

A kémiában olyan mennyiségeket vesznek figyelembe, mint a kötési energia , a kémiai affinitás , amelyek energia dimenziója az anyag mennyiségéhez kapcsolódik . Lásd még: kémiai potenciál .

A robbanási energiát néha TNT egyenértékben mérik .

Kinetic

A kinetikus energia egy mechanikai rendszer energiája, amely a pontjainak sebességétől függ . Gyakran osztják ki a transzlációs és forgó mozgás kinetikus energiáját . Az SI mértékegysége  a joule . Szigorúbban a kinetikus energia egy rendszer teljes energiája és nyugalmi energiája közötti különbség ; így a kinetikus energia a teljes energia mozgásból eredő része .

Potenciális

A potenciális energia  egy adott, potenciális erőtérben elhelyezkedő test (vagy anyagi pont) energiatartalékát jellemző skaláris fizikai mennyiség , amely a térerők munkája következtében a test mozgási energiájának megszerzésére (megváltoztatására) szolgál. . Egy másik definíció: a potenciális energia a koordináták függvénye, ami a rendszer Lagrange -rendszerében egy kifejezés, és a rendszer elemeinek kölcsönhatását írja le [5] .

A "potenciális energia" kifejezést William Rankine skót mérnök és fizikus vezette be a 19. században . Az energia SI mértékegysége a joule . A potenciális energiát nullával egyenlőnek tekintjük a térben lévő testek bizonyos konfigurációinál, amelyek kiválasztását a további számítások kényelme határozza meg. Egy adott konfiguráció kiválasztásának folyamatát potenciálenergia normalizálásnak nevezzük .

Elektromágneses

Gravitációs

A gravitációs energia a testek (részecskék) rendszerének a kölcsönös gravitációjukból adódó potenciális energiája . A gravitációs kötött rendszer  olyan rendszer, amelyben a gravitációs energia nagyobb, mint az összes többi energiatípus összege ( a nyugalmi energián kívül ). Az általánosan elfogadott skála az, hogy minden véges távolságra elhelyezkedő testrendszernél a gravitációs energia negatív, a végtelenül távoli, vagyis a gravitációsan nem kölcsönható testeknél a gravitációs energia nulla. A rendszer teljes energiája, amely megegyezik a gravitációs és a mozgási energia összegével, állandó; egy elszigetelt rendszer esetében a gravitációs energia a kötési energia . A pozitív összenergiájú rendszerek nem lehetnek álló helyzetben.

Nukleáris

Az atomenergia (atomenergia) az az energia, amely az atommagokban található és a magreakciók során felszabadul .

Kötési energia  – az atommag egyes nukleonokra való felosztásához szükséges energiát kötési energiának nevezzük. Az egy nukleonra jutó kötési energia nem azonos a különböző kémiai elemeknél , sőt ugyanazon kémiai elem izotópjainál sem.

Belső

A test belső energiája (amelyet E vagy U betűvel jelölünk) a molekulák molekuláris kölcsönhatásainak és hőmozgásának energiáinak összege. A test belső energiája közvetlenül nem mérhető. A belső energia a rendszer állapotának egyértékű függvénye. Ez azt jelenti, hogy valahányszor egy rendszer egy adott állapotba kerül, belső energiája felveszi az ebben az állapotban rejlő értéket, függetlenül a rendszer történetétől. Következésképpen a belső energia változása az egyik állapotból a másikba való átmenet során mindig egyenlő lesz a végső és a kezdeti állapot értékei közötti különbséggel, függetlenül attól, hogy az átmenet milyen útvonalon történt.

Kémiai potenciál

A kémiai potenciál  a rendszer egyik termodinamikai paramétere, nevezetesen az az energia, amely egy részecskét munka nélkül ad hozzá a rendszerhez.

Robbanási energia

A robbanás fizikai és/vagy kémiai gyors folyamat, amelynek során kis térfogatban , rövid időn belül jelentős energia szabadul fel , ami ütésekhez, vibrációhoz és a környezetre gyakorolt ​​hőhatásokhoz, valamint a gázok nagy sebességű tágulásához vezet.

A kémiai robbanás során a gázok mellett szilárd, erősen diszpergált részecskék is képződhetnek, amelyek szuszpenzióját robbanásterméknek nevezzük . A robbanás energiáját néha TNT-egyenértékben mérik  , amely a nagy energiájú események energiafelszabadulása, amelyet a robbanás során azonos mennyiségű energiát felszabadító trinitrotoluol (TNT) mennyiségében fejeznek ki.

Vákuumenergia

A vákuumenergia olyan energia, amely egyenletesen oszlik el a vákuumban, és állítólag taszítást okoz az Univerzum bármely anyagi tárgya között, olyan erővel, amely egyenesen arányos tömegükkel és távolságukkal. Rendkívül alacsony a sűrűsége.

Ozmotikus energia

Az ozmotikus energia az a munka, amelyet el kell végezni a molekulák vagy ionok koncentrációjának növelése érdekében az oldatban.

Energia és munka

Az energia egy fizikai rendszer munkavégző képességének mértéke . Például egy test teljes mechanikai energiájának változása számszerűen megegyezik a testen végzett mechanikai munka mennyiségével. Ezért mennyiségileg az energia és a munka ugyanazokban a mértékegységekben van kifejezve.

A speciális relativitáselméletben

Energia és tömeg

A speciális relativitáselmélet szerint a tömeg és az energia között összefüggés van, amelyet a híres Einstein - képlet fejez ki :

hol  van a rendszer energiája;  - tömege ;  a fény sebessége vákuumban .

Annak ellenére, hogy történelmileg megpróbálták ezt a kifejezést az energia és a tömeg fogalmának teljes egyenértékűségeként értelmezni, ami különösen egy olyan fogalom megjelenéséhez vezetett, mint a relativisztikus tömeg , a modern fizikában szokás szűkíteni a fogalmat. Ennek az egyenletnek a jelentése: a nyugalmi test tömegét tömegként értjük (az úgynevezett nyugalmi tömeget ), energia alatt pedig csak a rendszerben lévő belső energiát.

Egy test energiája a klasszikus mechanika törvényei szerint a vonatkoztatási rendszertől függ, vagyis nem egyforma a különböző megfigyelők számára. Ha egy test sebességgel mozog egy megfigyelőhöz képest, akkor egy másik megfigyelőnek, aki ugyanazzal a sebességgel mozog, állónak tűnik. Ennek megfelelően az első megfigyelő számára a test mozgási energiája , ahol  a test tömege, a másik megfigyelőnél pedig nulla .

Az energia referenciakerettől való függősége a relativitáselméletben is megmarad. Az egyik tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során az energiával fellépő átalakulások meghatározására egy összetett matematikai konstrukciót használnak - az energia-impulzus tenzort .

A test energiájának sebességtől való függését már nem úgy tekintjük, mint a newtoni fizikában, hanem a fent említett Einstein-képlet szerint:

hol  van az invariáns tömeg . A testhez tartozó vonatkoztatási rendszerben a sebessége nulla, és az energiát, amelyet nyugalmi energiának nevezünk, a következő képlettel fejezzük ki:

Ez a minimális energia, amellyel egy tömegű test rendelkezhet. Az Einstein-képlet jelentősége abban is rejlik, hogy előtte az energiát egy tetszőleges állandóig határozták meg, és az Einstein-képlet ennek az állandónak az abszolút értékét jelzi.

Energia és lendület

A speciális relativitáselmélet az energiát a 4-impulzus (4-energiás-impulzusvektor) összetevőjének tekinti, amely az energiával együtt az impulzus három térbeli komponensét tartalmazza. Így az energia és a lendület kapcsolatban áll egymással, és kölcsönösen befolyásolják egymást, amikor egyik vonatkoztatási rendszerről a másikra lépünk.

A kvantummechanikában

A kvantummechanikában egy szabad részecske energiáját a megfelelő de Broglie-hullám körfrekvenciájához viszonyítja az összefüggés , ahol  a Planck -állandó . [6] [7] Ez az egyenlet a hullámok és részecskék korpuszkuláris-hullám dualizmusa elvének matematikai kifejezése az energia esetében. [8] A kvantummechanikában az energia kettős az idővel . Különösen alapvető okok miatt alapvetően lehetetlen abszolút pontosan megmérni egy rendszer energiáját bármely folyamatban, amelynek ideje véges. Ugyanazon folyamat méréseinek sorozata során a mért energia értékei ingadozni fognak, de az átlagértéket mindig az energiamegmaradás törvénye határozza meg. Ez oda vezet, amit néha az átlagos energia megmaradásának mondanak a kvantummechanikában.

Az általános relativitáselméletben

Az általános relativitáselméletben az idő nem egységes, ezért bizonyos problémák merülnek fel, amikor megpróbáljuk bevezetni az energia fogalmát. Különösen lehetetlennek bizonyul a gravitációs tér energiájának tenzorként való meghatározása az általános koordináta-transzformációkhoz képest.

Energia és entrópia

A belső energia (vagy a molekulák kaotikus mozgásának energiája) az energia leg"leépültebb" fajtája – nem alakítható át veszteség nélkül más típusú energiává (lásd: entrópia ).

Fizikai méret és mértékegységek aránya

A fizikai mennyiségek LMT rendszerében az energiának van egy dimenziója .

Az energiaegységek közötti kapcsolatok.
Mértékegység Egyenértékű
in J hogy erg int . ürülék az eV -ben
1 J egy 10 7 0,238846 0,624146⋅10 19
1 erg 10 −7 egy 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 2017. 24 63,24333⋅10 19
1 int. cal (cal IT ) 4.1868 4,1868⋅107_ _ egy 2,58287⋅10 19
1 termokémia. cal (cal TX ) 4.18400 4,18400⋅107_ _ 0,99933 2,58143⋅10 19
1 elektronvolt (eV) 1,60219⋅10 −19 1,60219⋅10 −12 3,92677⋅10 −20 egy

Energiaforrások

Hagyományosan az energiaforrások két típusra oszthatók: nem megújuló és állandó . Az előbbiek közé tartozik a gáz, az olaj, a szén, az urán stb. Az ezekből a forrásokból származó energia megszerzésének és átalakításának technológiája kidolgozott, de általában nem környezetbarát, és sok közülük kimerült. Az állandó források közé tartozik a napenergia, a vízerőművekben kapott energia stb.

A nem megújuló energiaforrások és értékük [10]
Erőforrás típusa Tartalékok, J
Fúziós energia 3,6 10 26
Atomenergia 2 10 24
Az olaj és a gáz kémiai energiája 2 10 23
A Föld belső hője 5 10 20
Megújuló energiaforrások és éves értékük [10]
Erőforrás típusa Tartalékok, J
napenergia 2 10 24
A tenger árapályának energiája 2,5 10 23
Szélenergia 6 10 21
folyó energia 6,5 10 19

Energiafogyasztás

Az energiának jó néhány formája létezik, amelyek többségét [11] így vagy úgy az energetikában és a különféle modern technológiákban használják fel .

Az energiafelhasználás mértéke világszerte növekszik, ezért a civilizáció fejlődésének jelenlegi szakaszában a legégetőbb probléma az energiahatékonyság és az energiatakarékosság .

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 Smith, Crosby. Az energiatudomány: az energiafizika kultúrtörténete a viktoriánus Nagy-Britanniában. - The University of Chicago Press, 1998. - ISBN 0-226-76421-4 .
  2. ↑ Thomson, William. Az ember rendelkezésére álló energiaforrásokról a mechanikai hatás előállításához. - BAAS Rep, 1881. 513. o
  3. ↑ Richard Feynman. A Feynman Fizikai előadások. - USA: Addison Wesley, 1964. - 1. évf. 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. Theoretical Physics . - 5. kiadás - M. : Fizmatlit, 2004. - T. I. Mechanika. — 224 p. - ISBN 5-9221-0055-6 .
  6. ↑ Pauli, 1947 , p. tizenegy.
  7. ↑ Shirokov, 1972 , p. tizennyolc.
  8. ↑ Shirokov, 1972 , p. 19.
  9. ↑ Joule (az energia és a munka mértékegysége) - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból . G. D. Burdun. 
  10. ↑ 1 2 Alekseev, 1978 , p. 134.
  11. ↑ http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.files/Inf03.pdf

Irodalom

Linkek