Енергія, наука, fandom powered by wikia

Попередня ◈ Наступна

Енергія (грец. Ἐνέργεια - дія, діяльність, сила, міць) - скалярна фізична величина. що є єдиною мірою різних форм руху і взаємодії матерії. мірою переходу руху матерії з одних форм в інші. Введення поняття енергії зручно тим, що в разі, якщо фізична система є замкненою. то її енергія зберігається в цій системі протягом часу. протягом якого система буде замкнутою. Це твердження носить назву закону збереження енергії.

З фундаментальної точки зору, енергія являє собою один з трьох (енергія, імпульс, момент імпульсу) адитивних інтегралів руху (тобто зберігається при русі величину), пов'язаний, відповідно до теореми Нетер. з однорідністю часу. Таким чином, введення поняття енергії як фізичної величини доцільно тільки в тому випадку, якщо розглянута фізична система однорідна в часі.

Слово «енергія» введено Аристотелем в трактаті «Фізика», проте там воно означало діяльність людини.

Використовувані позначення Правити

Зазвичай позначається символом Е - від лат. e nergīa (дія, діяльність, міць).

Для позначення теплової енергії зазвичай використовується символ Q - від англ. q uantity of heat (кількість тепла).

Для позначення потенційної енергії зазвичай використовується символ U (походження символу підлягає уточненню).

В окремих випадках може використовуватися символ W - від англ. w ork (робота, праця), як здатність виконувати роботу.

Історія терміна Правити

Термін «енергія» походить від слова energeia. яке вперше з'явилося в роботах Аристотеля.

Лейбніц в своїх трактатах 1686 і тисячі шістсот дев'яносто п'ять років ввів поняття «живої сили» (vis viva), яку він визначив як добуток маси об'єкта і квадрата його швидкості (в сучасній термінології - кінетична енергія. Тільки подвоєна). Крім того, Лейбніц вірив у збереження загальної «живої сили». Для пояснення уповільнення через тертя, він припустив, що втрачена частина «живої сили» переходить до атомам.

Маркіза Емілі дю Шатле в книзі «Підручник фізики» (фр. Institutions de Physique. 1 740), об'єднала ідею Лейбніца з практичними спостереженнями Віллема Гравезанда.

У 1807 році Томас Юнг першим використав термін «енергія» в сучасному розумінні цього слова замість поняття жива сила [1]. Гаспар-Гюстав Кориолис розкрив зв'язок між роботою і кінетичної енергією в 1829 році. Вільям Томсон (майбутній лорд Кельвін) вперше використав термін «кінетична енергія" не пізніше 1851 року, а в 1853 році Вільям Ренкін вперше ввів поняття «потенційна енергія».

Кілька років велися суперечки, чи є енергія субстанцією (теплорода) або тільки фізичною величиною.

Розвиток парових двигунів вимагало від інженерів розробити поняття і формули, які дозволили б їм описати механічний і термічний ККД своїх систем. Інженери (Сади Карно), фізики (Джеймс Джоуль. Еміль Клапейрон і Герман Гельмгольц), математики - все розвивали ідею, що здатність здійснювати певні дії, звана роботою. була якось пов'язана з енергією системи. У 1850-х роках, професор натурфілософії з Глазго Вільям Томсон і інженер Вільям Ренкін почали роботу по заміні застарілого мови механіки з такими поняттями як «кінетична і фактична (actual) енергії» [1]. Вільям Томсон поєднав знання про енергію в закони термодинаміки, що сприяло стрімкому розвитку хімії. Рудольф Клаузіус. Джозайя Гіббс і Вальтер Нернст пояснили багато хімічні процеси, використовуючи закони термодинаміки. Розвиток термодинаміки було продовжено Клаузиусом, який ввів і математично сформулював поняття ентропії, і Джозефом Стефаном, який ввів закон випромінювання абсолютно чорного тіла. У 1853 році Вільям Ренкін ввів поняття «потенційна енергія» [1]. У 1881 році Вільям Томсон заявив перед слухачами [2].

Саме слово енергія. хоча і було вперше вжито в сучасному розумінні доктором Томасом Юнгом приблизно на початку цього століття, тільки зараз входить у вжиток практично після того, як теорія, яка дала визначення енергії, ... розвинулася від просто формули математичної динаміки до принципу, що пронизує всю природу і направляє дослідника в області науки.

Оригінальний текст (англ.)

The very name energy, though first used in its present sense by Dr Thomas Young about the beginning of this century, has only come into use practically after the doctrine which defines it had ... been raised from mere formula of mathematical dynamics to the position it now holds of a principle pervading all nature and guiding the investigator in the field of science.

Протягом наступних тридцяти років ця нова наука мала кілька назв, наприклад, «динамічна теорія тепла» (англ. Dynamical theory of heat) і «енергетика» (англ. Energetics). У 1920-х роках загальноприйнятим стала назва «термодинаміка» - наука про перетворення енергії.

Особливості перетворення тепла і роботи були показані в перших двох законах термодинаміки. Наука про енергію розділилася на безліч різних областей, таких як біологічна термодинаміка і термоекономіка (англ. Thermoeconomics). Паралельно розвивалися пов'язані поняття, такі як ентропія. міра втрати корисної енергії, потужність. потік енергії за одиницю часу, і так далі. В останні два століття використання слова енергія в ненауковому сенсі широко поширилося в популярній літературі.

У 1918 році було доведено, що закон збереження енергії є математичне наслідок трансляційної симетрії часу, величини сполученої енергії. Тобто енергія зберігається, тому що закони фізики не відрізняють різні моменти часу (див. Теорема Нетер. Изотропия простору).

У 1961 році видатний викладач фізики і нобелівський лауреат, Річард Фейнман в лекціях так висловився про концепцію енергії [3].

Існує факт, або, якщо завгодно, закон. керуючий всіма явищами природи, всім, що було відомо до сих пір. Винятків із цього закону не існує; наскільки ми знаємо, він абсолютно точний. Назва його - збереження енергії. Він стверджує, що існує певна величина, яка називається енергією, яка не змінюється ні за яких перетвореннях, що відбуваються в природі. Саме це твердження вельми і вельми відвернута. Це по суті математичний принцип, який стверджує, що існує деяка чисельна величина, яка не змінюється ні за яких обставин. Це аж ніяк не опис механізму явища або чогось конкретного, просто-напросто наголошується на тому дивна обставина, що можна підрахувати якесь число і потім спокійно спостерігати, як природа буде викидати будь-які свої трюки, а потім знову підрахувати це число - і воно залишиться колишнім.

Оригінальний текст (англ.)

There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law-it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.

Види енергії Правити

Енергією володіють всі види полів. За цією ознакою розрізняють: електромагнітну (що розділяється іноді на електричну і магнітну енергії), гравітаційну (тяжіння) і атомну (ядерну) енергії (також може бути розділена на енергію слабкого і сильного взаємодій).

кінетична Правити

Кінетична енергія - енергія механічної системи. залежна від швидкостей руху її точок. Часто виділяють кінетичну енергію поступального і обертального руху. Одиниця виміру в СІ - Джоуль. Більш строго, кінетична енергія є різниця між повною енергією системи і її енергією спокою; таким чином, кінетична енергія - частина повної енергії, обумовлена рухом.

потенційна Правити

Потенційна енергія - скалярна фізична величина. характеризує запас енергії якогось тіла (або матеріальної точки), що знаходиться в потенційному силовому полі, який йде на придбання (зміна) кінетичної енергії тіла за рахунок роботи сил поля. Інше визначення: потенційна енергія - це функція координат, яка є складовою в лагранжіаном системи, і описує взаємодію елементів системи [5].

Термін «потенційна енергія» був введений в XIX столітті шотландським інженером і фізиком Вільямом Ренкіна. Одиницею вимірювання енергії в системі СІ є Джоуль. Потенційна енергія приймається рівною нулю для деякої конфігурації тіл в просторі, вибір якої визначається зручністю подальших обчислень. Процес вибору даної конфігурації називається нормуванням потенційної енергії.

електромагнітна Правити

гравітаційна Правити

Гравітаційна енергія - потенційна енергія системи тіл (частинок), обумовлена їх взаємним тяжінням. Гравітаційно-пов'язана система - система, в якій гравітаційна енергія більше суми всіх інших видів енергій (крім енергії спокою). Загальноприйнята шкала, згідно з якою для будь-якої системи тіл, що знаходяться на кінцевих відстанях, гравітаційна енергія негативна, а для нескінченно віддалених, тобто для гравітаційно взаємодіючих тіл, гравітаційна енергія дорівнює нулю. Повна енергія системи, яка дорівнює сумі гравітаційної і кінетичної енергії постійна, для ізольованої системи гравітаційна енергія є енергією зв'язку. Системи з позитивною повною енергією не можуть бути стаціонарними.

ядерна Правити

Ядерна енергія (атомна енергія) - це енергія, що міститься в атомних ядрах і виділяється при ядерних реакціях.

Енергія зв'язку - енергія, яка потрібна, щоб розділити ядро на окремі нуклони. називається енергією зв'язку. Енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, неоднакова для різних хімічних елементів і, навіть, ізотопів одного і того ж хімічного елемента.

Внутрішня Правити

Внутрішня енергія тіла (позначається як E або U) - це сума енергій молекулярних взаємодій і теплових рухів молекул. Внутрішню енергію тіла можна виміряти безпосередньо. Внутрішня енергія є однозначною функцією стану системи. Це означає, що всякий раз, коли система виявляється в даному стані, її внутрішня енергія приймає властиве цьому стану значення, незалежно від передісторії системи. Отже, зміна внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший буде завжди дорівнює різниці між її значеннями в кінцевому і початковому станах, незалежно від шляху, по якому відбувався перехід.

Хімічний потенціал Правити

Хімічний потенціал - один з термодинамічних параметрів системи, а саме енергія додавання однієї частинки в систему без здійснення роботи.

Енергія вибуху Правити

Вибух - фізичний або / і хімічний бистропротекающій процес з виділенням значної енергії в невеликому обсязі за короткий проміжок часу. приводить до ударних, вібраційних і теплових впливів на навколишнє середовище і високошвидкісного розширенню газів.

При хімічному вибуху, крім газів, можуть утворюватися і тверді високодисперсні частинки, зваж яких називають продуктами вибуху. Енергію вибуху іноді вимірюють у тротиловому еквіваленті - міру енерговиділення високоенергетичних подій, вираженої в кількості тринітротолуолу (ТНТ), що виділяє при вибуху рівну кількість енергії.

Енергія і робота Правити

Енергія є мірою здатності фізичної системи здійснити роботу, тому кількісно енергія і робота виражаються в одних одиницях.

У спеціальній теорії відносності Правити

Енергія і маса Правити

Згідно спеціальної теорії відносності між масою і енергією існує зв'язок, що виражається знаменитої формулою Ейнштейна

де E - енергія системи, m - її маса. c - швидкість світла у вакуумі. Незважаючи на те, що історично були спроби трактувати цей вислів як повну еквівалентність поняття енергії і маси, що, зокрема, призвело до появи такого поняття як релятивістська маса. в сучасній фізиці прийнято звужувати зміст цього рівняння, розуміючи під масою масу тіла в стані спокою (так звана маса спокою), а під енергією - тільки внутрішню енергію, укладену в системі.

Енергія тіла, згідно із законами класичної механіки, залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю v відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, що рухається з тією ж швидкістю, воно буде здаватися нерухомим. Відповідно, для першого спостерігача кінетична енергія тіла буде дорівнює,, де m - маса тіла, а для іншого спостерігача - нулю.

Ця залежність енергії від системи відліку зберігається також в теорії відносності. Для визначення перетворень, що відбуваються з енергією при переході від однієї системи відліку до іншої використовується складна математична конструкція - тензор енергії-імпульсу.

Залежність енергії тіла від швидкості розглядається вже не так, як в ньютонівської фізики, а згідно вищезгаданої формулою Ейнштейна:

де - інваріантна маса. В системі відліку, пов'язаної з тілом, його швидкість дорівнює нулю, а енергія, яку називають енергією спокою, виражається формулою:

Це мінімальна енергія, яку може мати масивне тіло. Значення формули Ейнштейна також в тому, що до неї енергія визначалася з точністю до довільної сталої, а формула Ейнштейна знаходить абсолютне значення цієї постійної.

Енергія і імпульс Правити

Спеціальна теорія відносності розглядає енергію як компоненту 4-імпульсу (4-вектора енергії-імпульсу), в який нарівні з енергією входять три просторові компоненти імпульсу. Таким чином енергія і імпульс виявляються пов'язаними і роблять взаємний вплив один на одного при переході з однієї системи відліку в іншу.

У квантовій механіці Правити

Джерела енергії Правити

Умовно джерела енергії можна поділити на два типи: невідновлювані та постійні. До перших відносяться газ, нафту, вугілля, уран та т. Д. Технологія отримання і перетворення енергії з цих джерел відпрацьована, але, як правило, неекологічних, і багато хто з них виснажуються. До постійних джерел можна віднести енергію сонця, енергію, одержувану на ГЕС і т. Д. Шаблон: TODO

Споживання енергії Правити

Існує досить багато форм енергії, більшість з яких [5] так чи інакше використовуються в енергетиці і різних сучасних технологіях.

Темпи енергоспоживання зростають у всьому світі, тому на сучасному етапі розвитку цивілізації найбільш актуальна проблема енергоефективності та енергозбереження. Шаблон: TODO