Energie

Energie
,
Dimenze
Jednotky
SI J
GHS erg

Energie ( jině řecky ἐνέργεια  - akce, aktivita, síla, síla) je skalární fyzikální veličina , která je jedinou mírou různých forem pohybu a interakce hmoty , mírou síly přechodu pohybu hmoty z jedné. formy na jinou, aby se eliminovaly skutečné formy v čase a typy hmoty ve vesmíru a přivedly ji do stavu klidu. Zavedení pojmu energie je výhodné, protože pokud je fyzikální systém uzavřen, jeho energie je v tomto systému uložena po dobu , po kterou bude systém uzavřen. Toto tvrzení se nazývá zákon zachování energie .

Ze základního hlediska je energie jedním ze tří (spolu s hybností a momentem hybnosti ) aditivních integrálů pohybu (tj. veličin zachovaných v čase), spojených podle Noetherovy věty s homogenitou času , tj. nezávislost zákonů popisujících pohyb od času.

Slovo „energie“ zavedl Aristoteles v pojednání „ Fyzika “, ale tam označovalo lidskou činnost.

Použitý zápis

Obvykle se energie označuje symbolem E  - z lat.  e nergīa (čin, činnost, síla).

Pro označení množství tepla (množství energie předané výměnou tepla) se obvykle používá symbol Q  - z angl.  množství tepla (množství tepla).

K označení práce, jako množství přenesené energie, se obvykle používá symbol A  - z toho.  a rbeit (práce, práce) nebo symbol W - z angl.  w ork (práce, práce).

K označení výkonu, jako množství změny energie za jednotku času, použijte symbol W.

Symbol U se obvykle používá k označení vnitřní energie tělesa (původ symbolu je třeba objasnit).

Historie termínu

Termín „energie“ pochází z řeckého slova ἐνέργεια , které se poprvé objevilo v dílech Aristotela a označovalo akci nebo realitu (tj. skutečné provedení akce na rozdíl od její možnosti). Toto slovo zase pochází z řeckého ἔργον („ergon“) – „práce“. Protoindoevropský kořen werg znamenal práci nebo činnost (srov . anglicky  work , německy  Werk ) a je přítomen ve formě οργ / ουργ v takových řeckých slovech jako orgie nebo theurgie atd.

Leibniz ve svých pojednáních z let 1686 a 1695 zavedl pojem " živá síla " ( vis viva ), kterou definoval jako součin hmotnosti předmětu a druhé mocniny jeho rychlosti (v moderní terminologii - kinetická energie , pouze dvojnásobná) . Leibniz navíc věřil v zachování společné „pracovní síly“. Aby vysvětlil pokles rychlosti těles v důsledku tření , navrhl, že ztracená část „živé síly“ přechází na atomy.

Markýza Émilie du Châtelet ve svých Institutions de  Physique , 1740, spojila Leibnizův nápad s praktickými pozorováními Willema Gravesanda .

V roce 1807 Thomas Young jako první použil termín „energie“ v moderním smyslu slova namísto pojmu „živá síla“ [1] . Gaspard-Gustave Coriolis objevil souvislost mezi prací a kinetickou energií v roce 1829. William Thomson (budoucí lord Kelvin) poprvé použil termín „ kinetická energie “ nejpozději v roce 1851 a v roce 1853 William Rankin poprvé představil pojem „ potenciální energie “.

Již několik let se vedou spory, zda je energie látka ( kalorická ) nebo pouze fyzikální veličina.

Vývoj parních strojů vyžadoval, aby inženýři vyvinuli koncepty a vzorce, které by jim umožnily popsat mechanickou a tepelnou účinnost jejich systémů. Fyzici ( Sadi Carnot , James Joule , Emile Clapeyron a Hermann Helmholtz ), matematici všichni vyvinuli myšlenku, že schopnost vykonávat určité akce, nazývané práce , nějak souvisí s energií systému. V 50. letech 19. století začali glasgowský profesor přírodní filozofie William Thomson a inženýr William Rankine pracovat na nahrazení zastaralého jazyka mechaniky pojmy jako „kinetická a aktuální (skutečná) energie“ [1] . William Thomson spojil znalosti energie do zákonů termodynamiky, což přispělo k rychlému rozvoji chemie. Rudolf Clausius , Josiah Gibbs a Walter Nernst vysvětlili mnoho chemických procesů pomocí zákonů termodynamiky. Ve vývoji termodynamiky pokračoval Clausius, který zavedl a matematicky formuloval pojem entropie, a Joseph Stefan, který zavedl zákon záření černého tělesa. V roce 1853 představil William Rankin koncept „ potenciální energie “ [1] . V roce 1881 William Thomson řekl posluchačům [2] :

Samotné slovo energie , ačkoliv jej v moderním smyslu poprvé použil Dr. Thomas Young na začátku tohoto století, se začíná používat až nyní, téměř poté, co se teorie, která definovala energii... vyvinula z pouhého vzorce matematické dynamiky na princip, který prostupuje celou přírodou a vede badatele na poli vědy.

Původní text  (anglicky)[ zobrazitskrýt] Samotný název energie, ačkoliv jej v současném smyslu poprvé použil Dr. Thomas Young na začátku tohoto století, se prakticky začal používat až poté, co byla doktrína, která jej definuje, … povýšena z pouhého vzorce matematické dynamiky do pozice, v jaké je nyní. platí princip prostupující celou přírodu a vedoucí badatele na poli vědy.

Během následujících třiceti let měla tato nová věda několik názvů, například „dynamická teorie tepla“ ( angl.  dynamical theory of heat ) a „energetika“ ( ang.  energetika ). Ve 20. letech 20. století se všeobecně přijímal název „ termodynamika “ – věda o přeměně energie.

Rysy přeměny tepla a práce byly ukázány v prvních dvou zákonech termodynamiky . Energetická věda se rozdělila do mnoha různých oblastí, jako je biologická termodynamika a termoekonomie .  Paralelně se vyvíjely související koncepty, jako je entropie , míra ztráty využitelné energie, výkon , tok energie za jednotku času a tak dále. V posledních dvou stoletích se v populární literatuře rozšířilo používání slova energie v nevědeckém smyslu.

V roce 1918 bylo prokázáno, že zákon zachování energie je matematickým důsledkem translační symetrie času, velikosti konjugované energie. To znamená, že energie je zachována, protože fyzikální zákony se v průběhu času nemění (viz Noetherův teorém , prostorová izotropie ).

V roce 1961 vynikající učitel fyziky a laureát Nobelovy ceny Richard Feynman ve svých přednáškách vyjádřil pojem energie takto [3] :

Existuje fakt, nebo chcete-li zákon , který řídí všechny přírodní jevy, vše, co bylo doposud známo. Z tohoto zákona neexistují žádné výjimky; pokud víme, je naprosto přesná. Jeho název je zachování energie . Tvrdí, že existuje určitá veličina zvaná energie, která se nemění při žádných přeměnách, ke kterým v přírodě dochází. Toto prohlášení samo o sobě je velmi, velmi abstraktní. Toto je v podstatě matematický princip, který říká, že existuje nějaká číselná hodnota, která se za žádných okolností nemění. Nejedná se v žádném případě o popis mechanismu jevu nebo něčeho konkrétního, pouze upozorňuje na podivnou okolnost, že můžete spočítat určité číslo a pak v klidu sledovat, jak příroda vyhodí jakýkoli ze svých triků, a pak toto číslo spočítat znovu - a zůstane bývalý.

Původní text  (anglicky)[ zobrazitskrýt] Existuje fakt, nebo chcete-li zákon, kterým se řídí přírodní jevy, které jsou dodnes známé. Z tohoto zákona není známa žádná výjimka – je přesná, jak víme. Zákon se nazývá zachování energie; říká, že existuje určitá veličina, kterou nazýváme energií, která se nemění v rozmanitých změnách, kterými příroda prochází. To je nanejvýš abstraktní myšlenka, protože jde o matematický princip; říká, že existuje číselná veličina, která se nemění, když se něco stane. Není to popis mechanismu nebo čehokoli konkrétního; je jen zvláštní, že umíme vypočítat nějaké číslo, a když skončíme s pozorováním přírody, jak prochází svými triky a spočítáme to číslo znovu, je to stejné. — Feynmanovy přednášky o fyzice [4]

Druhy energie

Mechanika rozlišuje potenciální energii (nebo obecněji energii vzájemného působení těles nebo jejich částí mezi sebou nebo s vnějšími poli) a kinetickou energii (energii pohybu). Jejich součet se nazývá celková mechanická energie .

Všechny druhy polí mají energii. Na tomto základě rozlišují: elektromagnetickou (někdy dělenou na elektrickou a magnetickou energii), gravitační (gravitační) a atomovou (jadernou) energii (lze ji také rozdělit na energii slabých a silných interakcí ).

Termodynamika zvažuje vnitřní energii a jiné termodynamické potenciály .

V chemii se uvažují veličiny jako energie vazby , chemická afinita , mající rozměr energie související s množstvím látky . Viz také: chemický potenciál .

Výbušná energie se někdy měří v ekvivalentu TNT .

Kinetické

Kinetická energie je energie mechanického systému v závislosti na rychlosti jeho bodů. Často alokovat kinetickou energii translačního a rotačního pohybu. Jednotkou SI  je joule . Přesněji řečeno, kinetická energie je rozdíl mezi celkovou energií systému a jeho klidovou energií ; tak, kinetická energie je část celkové energie kvůli pohybu .

Potenciál

Potenciální energie  je skalární fyzikální veličina , která charakterizuje energetickou rezervu určitého tělesa (nebo hmotného bodu) umístěného v potenciálním silovém poli, která slouží k získání (změně) kinetické energie tělesa působením sil pole. . Další definice: potenciální energie je funkcí souřadnic, což je termín v Lagrangianu systému a popisuje interakci prvků systému [5] .

Termín „potenciální energie“ zavedl v 19. století skotský inženýr a fyzik William Rankine . Jednotkou SI pro energii je joule . Potenciální energie se bere rovna nule pro nějakou konfiguraci těles v prostoru, jejíž výběr je určen pohodlností dalších výpočtů. Proces výběru dané konfigurace se nazývá normalizace potenciální energie .

Elektromagnetické

Gravitační

Gravitační energie je potenciální energie soustavy těles (částic) v důsledku jejich vzájemné gravitace . Gravitačně vázaný systém  je systém, ve kterém je gravitační energie větší než součet všech ostatních druhů energie (kromě klidové energie ). Obecně přijímané měřítko je, že pro jakýkoli systém těles umístěných v konečných vzdálenostech je gravitační energie záporná a pro nekonečně vzdálená, tedy pro gravitačně neinteragující tělesa, je gravitační energie nulová. Celková energie soustavy, rovna součtu gravitační a kinetické energie , je konstantní, pro izolovanou soustavu je gravitační energie vazebnou energií . Systémy s kladnou celkovou energií nemohou být stacionární.

Nukleární

Jaderná energie (atomová energie) je energie obsažená v atomových jádrech a uvolněná při jaderných reakcích .

Vazebná energie  – energie potřebná k rozdělení jádra na jednotlivé nukleony se nazývá vazebná energie. Vazebná energie na nukleon není stejná pro různé chemické prvky a dokonce ani izotopy stejného chemického prvku.

Interní

Vnitřní energie tělesa (označovaná jako E nebo U) je součtem energií molekulárních interakcí a tepelných pohybů molekul. Vnitřní energii tělesa nelze přímo měřit. Vnitřní energie je jednohodnotovou funkcí stavu systému. To znamená, že kdykoli se systém ocitne v daném stavu, jeho vnitřní energie nabývá hodnoty, která je tomuto stavu vlastní, bez ohledu na historii systému. V důsledku toho se změna vnitřní energie během přechodu z jednoho stavu do druhého bude vždy rovnat rozdílu mezi jejími hodnotami v konečném a počátečním stavu, bez ohledu na cestu, po které byl přechod proveden.

Chemický potenciál

Chemický potenciál  je jedním z termodynamických parametrů systému, konkrétně energie přidání jedné částice do systému bez vykonání práce.

Energie výbuchu

Výbuch je fyzikální a/nebo chemický rychlý proces s uvolněním významné energie v malém objemu v krátkém časovém období , což vede k otřesům, vibracím a tepelným účinkům na životní prostředí a vysokorychlostní expanzi plynů.

Při chemické explozi mohou kromě plynů vznikat i pevné vysoce disperzní částice, jejichž suspenze se nazývá produkty výbuchu . Energie exploze se někdy měří v ekvivalentu TNT  , což je míra uvolnění energie při událostech s vysokou energií, vyjádřená jako množství trinitrotoluenu (TNT), které uvolní stejné množství energie během exploze.

Vakuová energie

Energie vakua je energie rovnoměrně rozložená ve vakuu a údajně způsobuje odpuzování mezi všemi hmotnými objekty ve vesmíru silou přímo úměrnou jejich hmotnosti a vzdálenosti mezi nimi. Má extrémně nízkou hustotu.

Osmotická energie

Osmotická energie je práce, která musí být vykonána ke zvýšení koncentrace molekul nebo iontů v roztoku.

Energie a práce

Energie je mírou schopnosti fyzického systému konat práci . Například změna celkové mechanické energie tělesa se číselně rovná množství mechanické práce vykonané na tělese. Energie a práce jsou tedy kvantitativně vyjádřeny ve stejných jednotkách.

Ve speciální teorii relativity

Energie a hmotnost

Podle speciální teorie relativity existuje vztah mezi hmotností a energií, vyjádřený slavným Einsteinovým vzorcem :

kde  je energie systému;  - jeho hmotnost ;  je rychlost světla ve vakuu .

Navzdory skutečnosti, že historicky byly učiněny pokusy interpretovat tento výraz jako úplnou ekvivalenci pojmu energie a hmotnosti, což vedlo zejména ke vzniku takového pojmu jako relativistická hmotnost , v moderní fyzice je obvyklé zužovat význam této rovnice, chápání hmotnosti tělesa v klidu jako hmotnost (tzv. klidová hmotnost ), a pod energií - pouze vnitřní energie obsažená v systému.

Energie tělesa podle zákonů klasické mechaniky závisí na vztažné soustavě, to znamená, že není pro různé pozorovatele stejná. Jestliže se těleso pohybuje rychlostí vzhledem k nějakému pozorovateli, pak se jinému pozorovateli pohybujícímu se stejnou rychlostí bude jevit jako nehybné. Podle toho bude pro prvního pozorovatele kinetická energie tělesa , kde  je hmotnost tělesa a pro druhého pozorovatele nula .

Tato závislost energie na vztažné soustavě je zachována i v teorii relativity. K určení transformací, ke kterým dochází s energií při přechodu z jedné inerciální vztažné soustavy do druhé, se používá složitá matematická konstrukce - tenzor energie-hybnosti .

Závislost energie tělesa na rychlosti se již neuvažuje stejně jako v newtonské fyzice, ale podle výše zmíněného Einsteinova vzorce:

kde  je invariantní hmotnost . V referenčním rámci spojeném s tělesem je jeho rychlost nulová a energie, která se nazývá klidová energie, je vyjádřena vzorcem:

To je minimální energie, kterou může mít hmotné těleso. Význam Einsteinova vzorce spočívá také v tom, že před ním byla energie určována až do libovolné konstanty a Einsteinův vzorec udává absolutní hodnotu této konstanty.

Energie a hybnost

Speciální teorie relativity považuje energii za složku 4-hybnosti (vektor 4-energie-hybnosti), která spolu s energií zahrnuje tři prostorové složky hybnosti. Ukazuje se tedy, že energie a hybnost spolu souvisí a vzájemně se ovlivňují, když se pohybují z jednoho referenčního rámce do druhého.

V kvantové mechanice

V kvantové mechanice je energie volné částice vztažena ke kruhové frekvenci odpovídající de Broglieho vlny vztahem , kde  je Planckova konstanta . [6] [7] Tato rovnice je matematickým vyjádřením principu korpuskulárně-vlnného dualismu vlnění a částic pro případ energie. [8] V kvantové mechanice je energie duální k času . Zejména ze základních důvodů je zásadně nemožné absolutně přesně změřit energii systému v jakémkoli procesu, jehož čas je konečný. Při provádění série měření stejného procesu budou hodnoty naměřené energie kolísat, ale průměrná hodnota je vždy určena zákonem zachování energie. To vede k tomu, čemu se někdy říká zachování střední energie v kvantové mechanice.

V obecné relativitě

V obecné teorii relativity není čas jednotný, takže při pokusu o zavedení pojmu energie vznikají určité problémy. Zejména se ukazuje, že je nemožné definovat energii gravitačního pole jako tenzor s ohledem na obecné transformace souřadnic.

Energie a entropie

Vnitřní energie (neboli energie chaotického pohybu molekul) je nejvíce „degradovaný“ druh energie – nelze ji beze ztrát přeměnit na jiné druhy energie (viz: entropie ).

Fyzikální rozměr a poměr mezi jednotkami měření

V LMT systému fyzikálních veličin má rozměr energie .

Vztahy mezi jednotkami energie.
Jednotka Ekvivalent
v J k erg v int. výkaly v eV
1 J jeden 10 7 0,238846 0,624146⋅10 19
1 erg 10 -7 jeden 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
1l bankomat _ _ 101,3278 1,013278⋅10 9 24.2017 63,24333⋅10 19
1 int. cal (cal IT ) 4,1868 4,1868⋅107 _ jeden 2,58287⋅10 19
1 termochem. 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 jeden

Zdroje energie

Konvenčně lze zdroje energie rozdělit na dva typy: neobnovitelné a trvalé . Mezi první patří plyn, ropa, uhlí, uran atd. Technologie získávání a přeměny energie z těchto zdrojů byla vyvinuta, ale zpravidla není šetrná k životnímu prostředí a řada z nich je vyčerpaná. Mezi stálé zdroje patří sluneční energie, energie přijatá ve vodních elektrárnách atd.

Neobnovitelné zdroje energie a jejich hodnota [10]
Typ zdroje Rezervy, J
Energie fúze 3,6 10 26
Jaderná energie 2 10 24
Chemická energie ropy a plynu 2 10 23
Vnitřní teplo Země 5 10 20
Obnovitelné zdroje energie a jejich roční hodnota [10]
Typ zdroje Rezervy, J
solární energie 2 10 24
Energie mořských přílivů a odlivů 2,5 10 23
Větrná energie 6 10 21
říční energii 6,5 10 19

Spotřeba energie

Existuje celá řada forem energie, z nichž většina [11] se tak či onak využívá v energetice a různých moderních technologiích .

Míra spotřeby energie na celém světě roste, proto je v současné fázi rozvoje civilizace nejnaléhavějším problémem energetická účinnost a úspory energie .

Viz také

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 Smith, Crosby. Věda o energii: kulturní historie energetické fyziky ve viktoriánské Británii. - The University of Chicago Press, 1998. - ISBN 0-226-76421-4 .
  2. ↑ Thomson, William. O zdrojích energie, které má člověk k dispozici pro výrobu mechanického účinku. - BAAS Rep, 1881. S. 513
  3. ↑ Richard Feynman. Feynmanovy přednášky o fyzice. - USA: Addison Wesley, 1964. - Sv. 1. - ISBN 0-201-02115-3 .
  4. ↑ Feynman, Richard . Feynmanovy přednášky o fyzice = The Feynman Lectures on Physics. - T. 1.
  5. ↑ Landau, L. D. , Lifshitz, E. M. Teoretická fyzika . - 5. vyd. - M. : Fizmatlit, 2004. - T. I. Mechanika. — 224 s. - ISBN 5-9221-0055-6 .
  6. ↑ Pauli, 1947 , str. jedenáct.
  7. ↑ Širokov, 1972 , s. osmnáct.
  8. ↑ Širokov, 1972 , s. 19.
  9. ↑ Joule (jednotka energie a práce) - článek z Velké sovětské encyklopedie . G. D. Burdun. 
  10. ↑ 1 2 Alekseev, 1978 , str. 134.
  11. ↑ http://profbeckman.narod.ru/InformLekc.files/Inf03.pdf

Literatura

Odkazy