Энергия

 В избранное 
Материал из Интервики
Перейти к: навигация, поиск

Энергия (от греч. «energeia» – действие, деятельность) — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Фундаментальный смысл энергии[править]

С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой интеграл движения (то есть сохраняющуюся при движении величину), связанный, согласно теореме Нётер, с однородностью времени. Таким образом, введение понятия энергии как физической величины целесообразно только в том случае, если рассматриваемая физическая система однородна во времени.

Основное утверждение про энергию носит название закон сохранения энергии и заключается в том, что суммарная энергия замкнутой системы не изменяется во времени.

Физическая размерность[править]

Размерность L2MT−2

Энергия E имеет размерность, равную:

  • Мощности умноженной на время.(E ~ N·t)
  • Давлению умноженному на объём (E ~ P·V);
  • Силе умноженной на длину (E ~ F·l);
  • Импульсу умноженному на скорость (E ~ p·v);
  • Заряду умноженному на напряжение(E ~ Q·U);
  • Массе умноженной на квадрат скорости(E ~ m·v²);

В системе величин LMT, энергия имеет размерность ML2T−2.

Соотношения между единицами энергии
Единица Эквивалент
в Дж в эрг в межд. кал в эВ
1 Дж 1 107 0,238846 0,624146x1019
1 эрг 10−7 1 2,38846x10-8 0,624146x1012
1 межд. Дж[1] 1,00020 1,00020x1017 0,238891 0,624332x1019
1 кгс·м 9,80665 9,80665x107 2,34227 6,12078x1019
1 кВт·ч 3,60000x106 3,60000x1013 8,5985x105 2,24693x1025
1 Литр·атм 101,3278 1,013278x109 24,2017 63,24333x1019
1 межд. кал (calIT) 4,1868 4,1868x107 1 2,58287x1019
1 термохим. кал (калТХ) 4,18400 4,18400x107 0,99933 2,58143x1019
1 эВ 1,60219x10-19 1,60219x10-12 3,92677x10-20 1

Единицы измерения

  • СИ: Дж
  • СГС: эрг

Виды энергии[править]

Виды энергии:

  • Механическая
  • Электрическая
  • Электромагнитная
  • Химическая
  • Ядерная
  • Тепловая
  • Вакуума

Гипотетические:

  • Тёмная

Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).

Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергия взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной энергией.

Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы.

Энергия взрыва иногда измеряется в тротиловом эквиваленте.

В химии рассматриваются такие величины как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал.

Энергия и работа[править]

Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

Механическая работа и механическая энергия отождествляются.

Энергия в специальной теории относительности[править]

Энергия и масса[править]

Основная статья: Эквивалентность энергии и массы Согласно специальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна

E = mc2 где E — энергия системы, m — её масса, c — скорость света. Несмотря на то, что исторически предпринимались попытки трактовать это выражение как полную эквивалентность понятия энергии и массы, что, в частности, привело к появлению такого понятия как релятивистская масса, в современной физике принято сужать смысл этого уравнения, понимая под массой массу тела в состоянии покоя (так называемая масса покоя), а под энергией только внутреннюю энергию, заключённую в системе.

Энергия и импульс[править]

Специальная теория относительности рассматривает энергию как компоненту 4-импульса (4-вектора энергии-импульса), в который наравне с энергией входят три пространственные компоненты импульса. Таким образом энергия и импульс оказываются связанными и оказывают взаимное влияние друг на друга при переходе из одной системы отсчёта в другую.

Энергия в квантовой механике[править]

В квантовой механике величина энергии эквивалента частоте и двойственна времени. В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно изменение энергии системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. Это связано с тем, что при проведении измерения происходит взаимодействие системы с измерительным прибором, в процессе которого происходит обмен энергией с этим прибором. При этом величина этого обмена принципиально не может быть проконтролирована. При проведении серии измерения одного и того же процесса, значения измеренной энергии будут флуктуировать, однако среднее значение всегда определяется законом сохранения энергии. Это приводит к тому, что иногда говорят, что в квантовой механике сохраняется средняя энергия.

Энергия в общей теории относительности[править]

В общей теории относительности время не является однородным, поэтому возникают определённые проблемы при попытке введения понятия энергии. В частности, оказывается невозможным определить энергию гравитационного поля как тензор относительно общих преобразований координат.

Энергия и энтропия[править]

Тепловая энергия (или энергия хаотического движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может превращаться в другие виды энергии без потерь.

История термина «энергия»[править]

Томас Юнг первым использовал понятие «энергия» в современном смысле слова

Термин «энергия» происходит от слова «energeia», которое впервые появилась в работах Аристотеля.

Томас Юнг первым использовал понятие «энергия» в современном смысле слова. Маркиза Эмили дю Шатле в книге Уроки физики (Institutions de Physique), опубликованной в 1740 году, объединила идею Лейбница с практическими наблюдениями Виллема Гравесена (Willem Jacob 's Gravesande), чтобы показать: энергия движущегося объекта пропорциональна его массе и квадрату его скорости (не скорости самой по себе как полагал Ньютон).

В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия живая сила. [2] Гюстав Гаспар Кориоли́с впервые использовал термин «кинетическая энергия» в 1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввел понятие «потенциальная энергия».

Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.

Развитие паровых двигателей требовало от инженеров разработать понятия и формулы, которые позволили бы им описать механический и термический коэффициенты полезного действия своих систем. Инженеры такие как Сади Карно, физики такие как Джеймс Джоуль, математики такие как Эмиль Клапейрон и Герман Гельмгольц — все развивали идею, что способность совершать определенные действия, называемая работой, была как-то связана с энергией системы. В 1850-х годах, профессор натурфилософии из Глазго Уильям Томсон и инженер Уильям Ренкин начали работу по замене устаревшего языка механики с такими понятиями как «кинетическая и фактическая (actual) энергии». Уильям Томсон соединил знания об энергии в законы термодинамики, что способствовало стремительному развитию химии. Рудольф Клаузиус, Джозайя Гиббс и Вальтер Нернст объяснили многие химические процессы, используя законы термодинамики. Развитие термодинамики было продолжено Клаузиусом, который ввел математически сформулировал понятие энтропии, и Джозефом Стефаном, который ввел закон излучения абсолютно чёрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввёл понятие «потенциальная энергия». [3]

Приблизительно в течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколько названий, например динамическая теория тепла (dynamical theory of heat) или энергетика (energetics). В 1920х годах общепринятым стал термин «Термодинамика», наука о преобразовании энергии.

Особенности преобразования тепла и работы были показаны в первых двух законах термодинамики. Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких как биологическая термодинамика и термоэкономика (thermoeconomics). Параллельно развивались связанные понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее. В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.

В 1918 было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряженной энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики не отличают разные моменты времени (см. Теорема Нётер, изотропия пространства).

Проблемы энергопотребления[править]

Существует довольно много форм энергии, большинство из которых так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях.

На современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблема энергосбережения. Темпы энергопотребления растут во всем мире, но новых технологий экологически чистого энергопотребления не придумано. Условно источники энергии можно поделить на два типа: невозобновляемые и постоянные. К первым относятся газ, нефть, уголь, уран и т. д. Технология получения и преобразования энергии из этих источников отработана, но, как правило, не экологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС и т. д.

Примечания[править]

  1. БСЭ, Джоуль(единица энергии и работы), Г.Д.Бурдун
  2. Смит, Кросби Наука об Энергии - История Физики Энергии в Викторианской Британии = The Science of Energy - a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. — The University of Chicago Press, 1998. — ISBN 0-226-76420-6
  3. Смит, Кросби Наука об Энергии - История Физики Энергии в Викторианской Британии = The Science of Energy - a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. — The University of Chicago Press, 1998. — ISBN 0-226-76421-4