Энергия

редактировать

Физические свойства передаваемых объектов для работы или работы

Энергия
Sun in February (black version).jpg Солнце является получением энергии для большей части жизни на Земле. Он получает свою энергию в основном от ядерного синтеза в его ядре, преобразуя массу в величине объединения протонов в гелий. Эта энергия переносится на поверхность Солнца, а затем высвобождается в основном в виде лучистой (световой) энергии.
Общие символыE
единица СИ джоуль
Другие единицыкВт⋅ч, БТЕ, калория, eV, эрг, фут-фунт
В базовых единицах СИ Дж = кг мс
Обширный ?да
Сохраненный ?да
Размерность MLT

В физике энергия - это количественное свойство, которое должен быть передан объекту , чтобы выполнить работу на объекте или на обогрев объекта. Энергия - это сохраняемая величина ; закон сохранение энергии гласит, что энергия может быть преобразована в форму, но не может быть создано или уничтожена. единица СИ энергии - это джоуль, который представляет собой энергию, передаваемую объекту в результате работы перемещения его на расстояние 1 метр против силы в 1 ньютон.

Обычные формы энергии включают кинетическую энергию движущегося объекта, потенциальную энергию, запасенную позицию объекта в силовом поле (гравитационное, электрическое или магнитное ), упругая энергия, запасное растяжение твердых объектов, химическая энергия, высвобождаемая при сгорании топлива , лучистая энергия, переносимая светом, и тепловая энергия, обусловленная температурой.

объектом и энергией связаны. Из-за эквивалентности массы и энергии любой объект, который имеет массу в неподвижном состоянии (называемый массой покоя ), также имеет эквивалентное количество энергии, форма которого называется энергией покоя, и любая дополнительная энергия (любая форма), приобретаемая объектная энергия над энергией, увеличит общую массу объекта так же, как и его общую энергию. Например, после нагревания объекта его увеличение энергии может быть измерено как небольшое увеличение массы с достаточно чувствительной шкалой .

Живым организмам требуется энергия, чтобы оставаться в живых, такая как энергия, которую получает люди. из еды. Человеческой цивилизации требуется энергия для функционирования, которую она получает из энергетических ресурсов, таких как ископаемое топливо, ядерное топливо или возобновляемая энергия. Процессы климата и экосистемы обусловлены лучистой энергией, Земля получает от Солнца, и геотермальной энергией, содержащейся в Земле.

Содержание

  • 1 Формы
  • 2 История
  • 3 Единицы измерения
  • 4 Научное использование
    • 4.1 Классическая механика
    • 4.2 Химия
    • 4.3 Биология
    • 4.4 Науки о Земле
    • 4.5 Космология
    • 4.6 Квантовая механика
    • 4.7 Относительность
  • 5 Преобразование
    • 5.1 Сохранение энергии и массы при преобразовании
    • 5.2 Обратимые и необратимые превращения
  • 6 Сохранение энергии
  • 7 Передача энергии
    • 7.1 Закрытые системы
    • 7.2 Открытые системы
  • 8 Термодинамика
    • 8.1 Внутренняя энергия
    • 8.2 Первый закон термодинамики
    • 8.3 Равнораспределение энергии
  • 9 См. Также
  • 10 Примечания
  • 11 Ссылки
  • 12 Дополнительная литература
    • 12.1 Журналы
  • 13 Внешние ссылки

Формы

При типичном ударе молнии 500 мегаджоулей из потенциальной энергии преобразуется в такую ​​же энергию в другой формех, в основном световая энергия, звуковая энергия и тепловая энергия. Тепловая энергия - энергия микроскопических составляющих m Аттер, который может быть направлена ​​в себя как кинетическую, так и потенциальную энергию.

Полная энергия <системы125>может быть подразделена и классифицирована потенциальную энергию, кинетическую энергию или комбинации разными способами. Кинетическая энергия определяет движением объекта - или составлением движением компонентов объекта - и потенциальная энергия потенциал движения объекта и, как правило, функция положения объекта в пределах поля или может храниться в самом поле.

Хотя этих двух категорий достаточно для описания всех форм энергии, часто удобно размещаться на уровне потенциальной энергии и кинетической как на ее собственной форму. Например, макроскопическая механическая энергия представляет собой сумму поступательной и вращательной кинетической энергии в системе без кинетической, обусловленной температурной, и ядерной, которая сочетает в себе потенциалы от ядерной силы и слабая сила ) и др.

.

Некоторые формы энергии (объект или система могут иметь в качестве измеримого свойства)
Тип энергииОписание
Механическая сумма макроскопической поступательной и вращательной кинетической и потенциальной энергия
ая Электрическая энергия, развивающая или хранимая в электрических полях
Магнитная потенциальная энергия из-за или хранится в магнитных полях
Гравитационная потенциальная энергия из-за или сохраненная в
Химическая потенциальная энергия из-за химических связей
Ионизация потенциальная энергия, которая связывает электрон со своим атомом или молекулами
ядерная потенциальная энергия, связывающая нуклоны с образуют атомное ядро ​​ (и ядерные реакции)
Хромодинамическая потенциальная энергия, связывает кварки с образованием адронов
эластичных потенциальная энергия из-за деформационного материала (или его контейнер), проявляющая формирующуюся силу
Механическая волна кинетическая и потенциальная энергия в упругом материале из-за распространяющейся деформационной волны
Звуковая волна кинетическая и потенциальная энергия в жидкости из -за распространяемой звуковой волны (особая форма механической волны)
Излучение потенциальная энергия, запасенная в полях, распространяемых электромагнитным излучением, включая свет
Покой потенциальная энергия за счет кинетической массы объекта
Тепловая энергия микроскопического движения частиц, форма неупорядоченного эквивалента механической энергии

История

Томас Янг, первый человек, применил термин « энергия »в современном смысле.

Слово энергия происходит от Древнегреческий : ἐνέργεια, romanized : energeia, лит. «деятельность, действие», которое, возможно, впервые появляется в работе Аристотель в 4 веке до нашей эры. В отличие от качественного философского понятием, достаточно широким, чтобы такие идеи, как счастье и удовольствие.

В конце 17 века Готфрид Лейбниц идея латинского : vis viva, или живая сила, которая определялась как сумма объекта на квадрат его скорость; он считал, что всего vis viva сохраняет. Чтобы объяснить замедление из-за трения, Лейбниц предположил, что тепловая энергия состоит из случайного движения составных частей материи, хотя прошло более столетия, чем это стало общепризнанным. Современный аналог этого свойства, кинетическая энергия, отличается от vis viva только в два раза.

В 1807 году Томас Янг был, возможно, первым, кто использовал термин «энергия» вместо vis viva в его современном смысле. Густав-Гаспар Кориолис описал "кинетическая энергия " в 1829 году в ее современном понимании, а в 1853 году Уильям Ренкин ввел термин "потенциальная энергия ". Закон Сохранение энергии также был впервые постулирован в начале 19 века и применимой к любой изолированной системе. В течение нескольких лет спорили, является ли тепло физическим веществом, получившим название калорийность, или просто физической величиной, такой как импульс. В 1845 году Джеймс Прескотт Джоуль обнаружил связь между механической работой и выделением тепла.

Эти разработки к теории сохранения энергии, формализованной в основном Уильямом Томсоном (лорд Кельвин ) как область термодинамики. Термодинамика способствовала быстрому развитию объяснений химических процессов Рудольфом Клаузиусом, Джозайей Уиллардом Гиббсом и Вальтером Нернстом. Это привело к математической формулировке концепции энтропии Клаузиусом и к введению закону лучистой энергии Йожефом Стефаном. Согласно теореме Нётер, сохранение энергии является следствием того факта, что законы физики не меняются со временем. Таким образом, с 1918 года теоретики поняли, что закон Сохранение математической энергии является прямым следствием трансляционной симметрии величиной , сопряженной энергией, а именно время.

Единицы измерения

Аппарат Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Нисходящий груз, прикрепленный к струне, заставляет вращаться лопасть, погруженная в воду.

В 1843 году Джоуль независимо создал механический эквивалент в серии экспериментов. Самый известный из них использовал «аппарат Джоуля»: нисходящий груз, прикрепленный к струне, вызывал вращение погруженной в воду лопасти, изолированной от теплопередачи. Он показал, что гравитационная потенциальная энергия, потерянная при спуске, равна внутренней энергии, полученной водой в результате трения о лопасть.

В Стандартные единицы (СИ) единицы энергии джоуль, названный в честь Джеймса Прескотта Джоуля. Это производная единица . Он равен энергии, затраченной (или работа проделанной) при приложении силы в один ньютон на расстоянии одного метра. Однако энергия также выражается во многих других единицах ввода, например, эрг, калории, британские тепловые единицы, киловатт-часы и килокалорий, для которого требуется коэффициент преобразования при выражении в единицах СИ.

Единицей измерения расхода энергии (энергии в единицу времени) в системе СИ является ватт, то есть джоуль в секунду. Таким образом, один джоуль равен одному ватт-часу, а 3600 джоулей равняется одному ватт-часу. Энергетическая единица CGS - это эрг, а имперская, а обычная в США единица - фут-фунт. Другие единицы измерения энергии, такие как электронвольт, калорийность пищи или термодинамические ккал (на основе изменения температуры в процессе воды) и БТЕ. используются в определенных областях науки и торговли.

Научное использование

Классическая механика

В классической механике энергия представляет собой концептуально и математически полезный свойством, так как это сохраняемая величина. Разработаны несколько формулировок механики с использованием энергии в качестве ключевой концепции.

Работа, функция энергии, это сила, умноженная на расстоянии.

W = ∫ CF ⋅ ds {\ displaystyle W = \ int _ {C} \ mathbf {F} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {s}}W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}

Это говорит о том, что работа (W {\ displaystyle W}W) равно линейному интегралу от силы Fвдоль пути C; подробнее см. статья механические работы. Работа и, следовательно, энергия зависит от кадра. Например, представьте, что по мячу бита летучая мышь. В системе отсчета центра масс летучая мышь не работает с мячом. Но в системе отсчета человека, размахивающего битой, с кодом выполняется значительная работа.

Полная энергия системы иногда называется гамильтонианом после Уильяма Роуэна Гамильтона. Классические уравнения движения могут быть записаны в терминах гамильтониана даже для очень сложных или абстрактных систем. Эти классические уравнения имеют замечательные прямые аналоги в нерелятивистской квантовой механике.

Другая концептуальная связанная с энергией называется лагранжианом в Джозефа-Луи Лагранжа. Этот формализм столь же фундаментален, как и гамильтониан, и оба мои слова для вывода предложения или вывода из них. Он был изобретен в контексте классической механики, но обычно используется в современной физике. Лагранжиан определяет как кинетическая энергия за вычет потенциальной энергии. Обычно формализм Лагранжа математически более удобен, чем гамильтониан для неконсервативных систем (например, систем с трением).

Теорема Нётер (1918 г.) утверждает, что любая дифференцируемая симметрия действия физической системы имеет соответствующий закон. Теорема Нётер стала фундаментальным инструментом современной теоретической физики и вариационного исчисления. Используя обобщение основополагающих констант движения в лагранжире и гамильтоновой механике (1788 и 1833, соответственно), он не использует к системам, которые нельзя моделировать с помощью лагранжиана; например, диссипативные системы с непрерывными симметриями могут не иметь надлежащего сохранения.

Химия

В контексте химии энергия атмосфером вещества, вызываемого его атомной, молекулярной или агрегатной структурой. Оно неизменно сопровождается изменением одного вида структуры. Некоторая энергия передается между окружающей средой и реагентами реакции в виде тепла или света; таким образом, продукты реакции могут иметь больше или меньше энергии, чем реагенты. Реакция называется ниже экзотермической или экзергонической, если конечное состояние по шкале энергии, чем исходное состояние; в случае эндотермических ситуация обратная. Химические реакции почти всегда невозможны, если реагенты не преодолевают энергетический барьер, известный как энергия активации. Эта экспоненциальная зависимость скорости от температуры известна как . Скорость реакции (при данной температуре) сила реакции (при данной температуре) E коэффициентом заселенности Больцмана e - то есть вероятностью того, что молекула будет иметь мощность больше или равную E при данной температуре T. Аррениуса. Энергия активации, необходимая для реакции, может быть представлена ​​в виде тепловой энергии.

Биология

Базовый обзор энергии и задней части жизни.

В биологии энергия атрибутом всех биологических систем от биосферы до мельчайших живых живых живых существ организм. Внутри организма он отвечает за рост и развитие биологической клетки или органеллы биологического организма. Энергия, используемая в дыхании, в основном хранится в молекулярном кислороде и может быть разблокирована реакциями с молекулами таких веществ, как углеводы (включая сахара), липиды и белки, хранимые клетками. В человеческих терминах человеческий эквивалент (Он) (преобразование энергии человека) указывает для заданного количества затратное количество энергии, необходимое для метаболизма человека, средний расход энергии человека 12 500 кДж в день и базовая скорость метаболизма 80 Вт. Например, если наши тела работают (в среднем) на 80 Вт, то лампочка, работающая на 100 Вт, работает при 1,25 эквивалента человека (100 ÷ 80), то есть 1,25 H-e. Для сложных задач, длящейся всего несколько секунд, человек может выдать тысячи ватт, что во много раз превышает 746 ватт на одну официальную мощность в лошадиных силах. Для продолжительной в несколько минут человек хорошей формы выработать около 1000 ватт. Для активности, которая используется в течение периода до 300 дней; для активности в течение всего дня 150 Вт - это максимум. Человеческий эквивалент помогает понять энергетические потоки в физических и биологических системах, выражая единицы энергии в человеческих терминах: он дает «ощущение» использования количества энергии.

Лучистая энергия солнечного света также улавливается растения как химическая потенциальная энергия в фотосинтезе, когда углекислый газ и вода (два низкоэнергетических соединения) превращаются в углеводы, липиды, белки и высокоэнергетические соединения, такие как кислород и АТФ. Углеводы, липиды и белки могут выделять энергию, которая используется живыми организмами в акцептора электронов. Высвобождение энергии, накопленной во время фотосинтеза в виде тепла или света, катаболизме <>запуск продукта <4675>.

Любой жизненный организм использует источник энергии - лучистую внешнюю энергию Солнца в случае зеленых растений, химическую энергию в той или иной форме в случае животных - чтобы иметь возможность расти и воспроизводиться. Ежедневные 1500–2000 калорий (6–8 МДж), рекомендованные для взрослого человека, принимаются как молекулы кислорода и пищи, последних в основном углеводов и жиров, из которых глюкоза (C6H12O6) и стеарин (C57H110 O6) являются удобными примерами. Молекулы окисляются до диоксида углерода и воды в митохондриях

C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ⟶ 6 CO 2 + 6 H 2 O. {\ displaystyle {\ ce {C6H12O6 + 6O2 ->6CO2 + 6H2O}}}{\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 ->6CO2 + 6H2O}}}
C 57 H 110 O 6 + 81 ⋅ 5 O 2 ⟶ 57 CO 2 + 55 H 2 O {\ displaystyle {\ ce {C57H110O6)) + 81.5O2 ->57CO2 + 55H2O}}}{\displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81.5O2 ->57CO2 + 55H2O}}}

, часть энергии используется для преобразования ADP в ATP.

ADP + HPO 4 → ATP + H 2O

Остальная часть химической энергии в O 2 и углеводах или жирах преобразуется в тепло: ATP используется как своего рода «энергетическая валюта». тся для другого метаболизма, когда АТФ реагирует с группами ОН и в конечном итоге расщепляется на АДФ и фосфат (на каждой стадии метаболического пути некоторая химическая энергия преобразуется в тепло). Для работы используется лишь крошечная часть исходной химической энергии:

увеличение кинетической энергии спринтера во время бега на 100 м: 4 кДж
увеличение гравитационной потенциальной энергии от веса 150 кг, поднятого через 2 метра: 3 кДж
Суточное потребление пищи нормальным взрослым: 6–8 МДж

Похоже, что живые организмы уровня неэффективны (в физическом смысле) в своем использовании энергии, которую они получают (химическая или лучистая энергия), и это правда, что большинство реальных машин обладают более высокой эффективностью. Используемая растущими организмами энергия, которая преобразует тепло, служит жизненно-направляемой, позволяет тканям организма упорядоченными по отношению к молекулам, из она построена. второй закон термодинамики гласит, что энергия (и материя) имеет тенденцию более равномерно распределяться по вселенной: чтобы сконцентрировать энергию (или материю) в одном конкретном месте, необходимо распределить большее количество энергии (в виде тепла) через остальную часть конкретном месте конкретном месте Вселенной («окружение»). Более простые организмы могут достичь более высокой энергоэффективности, чем более сложные, но сложные организмы могут занимать экологические ниши, которые недоступны их более простой сборям. Преобразование части химической энергии в каждом этапе метаболического пути - физическая пирамиды биомассы, наблюдаемой в экологии : сделать только первый шаг в пищевой цепи, из расчетных 124,7 Пг / год углерода, который фиксируется посредством фотосинтеза, 64,3 Пг / год (52%) используются для метаболизма зеленых растений, т.е. в углекислый газ и тепло.

Науки о Земле

В геологии, континентальном дрейфе, горных хребтах, вулканах и землетрясения - это явления, которые можно объяснить с точки зрения преобразования энергии в недрах Земли, в то время как метеорологические явления, такие как, дождь, град, снег, молния, торнадо и ураганы - все это результаты преобразований энергии, вызванных солнечной энергией в атмосфере планеты Земля.

Солнечный свет может накапливаться в виде гравитационной потенциальной энергии после того, как он попадает на Землю, поскольку (например) вода испаряется из океанов и осаженной на горах (где, выпущенная на плотине гидроэлектростанции, она может быть для приводить в в) действие турбины или генераторы для производства электроэнергии). Солнечный свет также является движущей силой многих погодных явлений, за исключением тех, которые вызваны вулканическими явлениями. Энергия, возникающая в течение нескольких дней, возникает, когда возникают большие нестабильные области теплого океана, нагретые в течение нескольких месяцев, внезапно отдают часть своей тепловой энергии, чтобы обеспечить энергичное движение воздуха в течение нескольких дней.

В более медленном процессе радиоактивный распад атомы в ядре Землиет тепло. Эта тепловая энергия движет тектоникой плит и может поднимать горы посредством орогенеза. Этот медленный подъем представляет собой своего рода накопление гравитационной потенциальной, которая может быть преобразована в активную кинетическую энергию при оползнях после триггерного события. Землетрясения также высвобождают запасенную упругую энергию в горных породах, в конечном итоге производятся теми же радиоактивными источниками тепла. Таким образом, согласно нынешнему пониманию, знакомые события, такие как оползни и землетрясения, высвобождаемая энергия была сохранена в потенциальной энергии в поле Земли или упругой деформации (механической потенциальной энергии) в горных породах. Хранилась в тяжелых атомах с тех пор, коллапс давно разрушенных сверхновых звезд создал эти атомы.

Космология

В космологии и астрономии явления звезд, новой, сверхновой, квазары и гамма-всплески - это преобразование материи с самым высоким выходом энергии во Вселенной. Все звездные явления (включая солнечную активность) вызываются различного рода преобразованиями энергии. Энергия в таких превращениях либо от гравитационного коллапса вещества (обычно молекулярного водорода) в различных классах астрономических объектов (звезды, черные дыры и возникновение Д.), Либо от ядерного атома (более легких элементов, в первую очередь водорода). ядерный синтез водорода на Солнце также высвобождает еще один потенциальный запас энергии, который был во время создания Большого взрыва. В то время, согласно теории, пространство расширилось, и Вселенная остыла слишком быстро, чтобы водород полностью расплавился на более тяжелые элементы. Это означало, что водород представляет собой запас потенциальной энергии, которая может быть высвобождена при синтезе. Такой процесс термоядерного синтеза запускается теплом и давлением, получающим в результате гравитационного коллапса водородных облаков, когда они рождают звезды, и часть энергии термоядерного синтеза преобразуется в солнечный свет.

Квантовая механика

В квантовой механике энергия определяется в терминах оператора энергии как производная по времени от волновой функции. Уравнение Шредингера приравнивает оператор энергии к полной энергии частиц или системы. Его результаты можно рассматривать как определение энергии в квантовой механике. Уравнение Шредингера пространственную и временную зависимость медленно меняющейся (нерелятивистской) волновой функции квантовых систем. Решение этого уравнения для системы энергии является дискретным (разрешенных состояний, каждый из которых показывает уровнем ), что приводит к концепции уровнем. При решении уравнений Шредингера для любого осциллятора (вибратора) и для электромагнитных волн в вакууме результирующие энергетические состояния связаны с настройкой создание Планка : E = h ν {\ displaystyle E = h \ nu}E=h\nu (где h {\ displaystyle h}h- постоянная Планка и ν {\ displaystyle \ nu}\nu частота). В случае электромагнитной волны эти энергетические состояния называются квантами света или фотонами.

Относительность

При вычислении кинетической энергии (работа для ускорения массивного тела от нуля до некоторой конечной скорости) релятивистски - используя преобразования Лоренца вместо ньютоновской механики - Эйнштейн обнаружил неожиданный побочный продукт этих вычислений, чтобы быть энергетическим членом, который не использует в нуль при нулевой скорости. Он назвал это энергией покоя : энергия, которая должна обладать массивным телом, даже когда оно находится в состоянии покоя. Количество прямо пропорционально массе тела:

E 0 = mc 2 {\ displaystyle E_ {0} = mc ^ {2}}{\displaystyle E_{0}=mc^{2}},

где

m - масса тела.,
c - скорость света в вакууме,
E 0 {\ displaystyle E_ {0}}E_{0}- энергия покоя.

Например, рассмотрим аннигиляцию электрона - позитрона, при которой энергия покоя этих двух отдельных частиц (эквивалентная их массе покоя ) преобразует в лучистую энергию фотоны, произведенные в процессе. В этой системе материя и антивещество (электроны и позитроны) разрушаются и превращаются в нематерию (фотоны). Однако полная масса и полная энергия не меняются при этом взаимодействии. Каждый фотон не имеет массы покоя, но, тем не менее, обладает лучистой энергией, которая обладает же инерцией, что и две исходные частицы. Этот обратный процесс - обратный процесс называется созданием пары - в котором масса покоя частиц создается из лучистой энергии двух (или более) аннигилирующих фотонов.

В общей теории относительности источник энергии-импульса для гравитационного поля, грубой аналогии с тем, как источник дохода нерелятивистском ньютоновском приближении..

Энергия и масса - это проявления одного и того же основного физического свойства системы. Это свойство отвечает за инерцию и силу гравитационного воздействия системы («массовые проявления»), а также отвечает за потенциальную способность системы выполнять работу или нагревание («энергетические проявления») с учетом ограничений другие физические законы.

В классической физике энергия - это скалярная величина, каноническое сопряжение времени. В специальной теории относительности энергия также является скаляром (хотя и не скаляром Лоренца, а временной составляющей 4-вектора энергии-импульса ). Другими словами, энергия инвариантна относительно вращений пространства, но не инвариантна относительно вращений пространство-времени (= увеличивает ).

Преобразование

.

Некоторые формы передачи энергии («энергия в пути») от одного объекта или системы к другому
Тип передачи процесс Описание
Нагреть , это количество тепловой энергии, самопроизвольно передающейся к более температуре объекту
Работа , это количество энергии в пути из-за ущерба в направлении приложенной силы
Передача материалатого количества энергии, которое переносится материей, которое перемещается из одной системы в другую
A турбогенератор, преобразует энергию сжатого пара в электрическую.

Энергия может быть преобразована между различными формами с продуктами эффективностью. Элементы, которые преобразуются между этими формами, называются преобразователями. Примеры преобразователей батарею, от химической энергии до электрической энергии ; плотина: гравитационная потенциальная энергия до кинетическая энергия движущейся воды (и лопастей турбины ) и в конечном итоге электрическая энергия через электрогенератор ; или тепловой двигатель, от тепла к работе.

Примеры преобразования энергии включают в себя выработку электрической энергии из тепловой энергии с помощью паровой турбины или подъем объекта против силы тяжести с использованием электрической энергии, приводящей в движение двигатель крана. Подъем против силы силы силы механической работы с объектом и препятствует объекте потенциальной силы гравитации. Если объект падает на землю, гравитация представляет собой механическую работу с объектом, которая преобразует потенциальную мощность в кинетическую энергию, выделяемую в виде тепла при ударе о землю. Наше Солнце преобразует ядерную потенциальную энергию в другие формы энергии; его масса действительно увеличивается, когда энергия уходит в целом, в основном как лучистая энергия.

Существуют строгие ограничения на то, насколько эффективно может быть преобразовано в в циклическом процессе, например в тепловом двигателе, как описано теоремой Карно и вторым законом термодинамики. Однако некоторые преобразования энергии могут быть весьма эффективными. Направление преобразований энергии (какой вид энергии преобразуется в какой другой) часто определяется аргументами энтропии (равное распределение энергии среди всех доступных степеней свободы ). На практике все преобразования энергии разрешены в малом масштабе, но некоторые более крупные преобразования не разрешены, поскольку они статистически маловероятно, что энергия или материя случайным образом переместятся в более концентрированные формы или меньшие пространства.

Энергетические преобразования во Вселенной с течением времени характеризуются различными видами потенциальной энергии, которая доступна после Большого взрыва, а «высвобождалась» (преобразовывалась в более активные типы энергии, такие как кинетическая или лучистая) энергия) при наличии спускового механизма. Знакомые примеры таких включают ядерный распад, при котором высвобождается энергия, которая изначально была «сохранена» в тяжелых изотопах (как таких уран и торий ) в результате нуклеосинтеза, процесс, в конечном итоге использующий гравитационную потенциальную энергию, высвободившуюся в результате гравитационного коллапса сверхновых, для хранения энергии при создании этих тяжелых элементов, прежде чем они будут включены в Солнечную систему и Землю. Эта энергия запускается и высвобождается в ядерных бомбах деления или в гражданской ядерной энергетике. Точно так же в случае химического взрыва, энергия химического потенциала преобразуется в кинетическую энергию и тепловую энергию за очень короткое время.. Еще один пример - маятник . В самых высоких точках кинетическая энергия равна нулю, а гравитационная потенциальная энергия максимальна. В самой низкой точке кинетическая энергия является максимальной и равна уменьшению потенциальной энергии. Если (нереалистично) предположить, что нет трения или других потерь, преобразование энергии между этими процессами будет идеальным, и маятник будет продолжать качаться бесконечно.

Энергия также передается из потенциальной энергии (E p {\ displaystyle E_ {p}}E_{p}) в кинетическую энергию (E k {\ displaystyle E_ {k} }E_{k}), а затем постоянно возвращаться к потенциальной энергии. Это называется сохранением энергии. В этой закрытой системе энергия не может быть создана или уничтожена; следовательно, начальная энергия и конечная энергия будут равны друг другу. Это можно продемонстрировать следующим образом:

E pi + E ki = E p F + E k F {\ displaystyle E_ {pi} + E_ {ki} = E_ {pF} + E_ {kF}}E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}

(4)

Уравнение может быть дополнительно упрощено, поскольку E p = mgh {\ displaystyle E_ {p} = mgh}E_{p}=mgh(масса, умноженная на ускорение свободного падения, умноженное на высоту) и E k = 1 2 mv 2 {\ displaystyle E_ {k} = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}}E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}(половина массы, умноженная на квадрат скорости). Тогда общее количество энергии можно найти, добавив E p + E k = E total {\ displaystyle E_ {p} + E_ {k} = E_ {total}}E_{p}+E_{k}=E_{total}.

Сохранение энергии и массы при преобразовании

Энергия увеличивает вес, когда она находится в системе с нулевым импульсом, где ее можно взвесить. Это также эквивалентно массе, и эта масса всегда связана с ней. Масса также эквивалентна определенному количеству энергии и также всегда ассоциируется с ней, как описано в эквиваленте массы и энергии. Формула E = mc², полученная Альбертом Эйнштейном (1905), количественно определяет взаимосвязь между массой покоя и энергией покоя в рамках концепции специальной теории относительности. В различных теоретических рамках аналогичные формулы были выведены Дж. Дж. Томсон (1881), Анри Пуанкаре (1900), Фридрих Хазенёрль (1904) и другие (см. Эквивалентность массы и энергии # History для получения дополнительной информации).

Часть энергии покоя (эквивалентная массе покоя) материи может быть преобразована в другие формы энергии (все еще проявляющие массу), но ни энергия, ни масса не могут быть уничтожены; скорее, оба остаются неизменными во время любого процесса. Однако, поскольку c 2 {\ displaystyle c ^ {2}}c^{2}чрезвычайно велико по сравнению с обычными человеческими весами, преобразование повседневной массы покоя (например, 1 кг) из состояния покоя энергия в другие формы энергии (например, кинетическая энергия, тепловая энергия или лучистая энергия, переносимая светом и другим излучением) может высвобождать огромное количество энергии (~ 9 × 10 16 {\ displaystyle 9 \ times 10 ^ { 16}}9\times 10^{16}джоуль = 21 мегатонна в тротиловом эквиваленте), что можно увидеть в ядерных реакторах и ядерном оружии. И наоборот, массовый эквивалент ежедневного количества энергии ничтожен, поэтому потерю энергии (потерю массы) в большинстве систем трудно измерить на весах, если только потеря энергии не очень велика. Примеры of large transformations between rest energy (of matter) and other forms of energy (e.g., kinetic energy into particles with rest mass) are found in nuclear physics and particle physics.

Reversible and non-reversible transformations

Thermodynamics divides energy transformation into two kinds: reversible processes and irreversible processes. An irreversible process is one in which energy

Последняя правка сделана 2021-05-19 10:30:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте