Меню Главная Случайная статья Настройки Энергия Материал из https://ru.wikipedia.org Энергия (др.-греч.  — «то, что задействует / вводит в действие», «сила», «мощь») — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии[1]. С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой один из трёх (наравне с импульсом и моментом импульса) аддитивных интегралов движения (то есть сохраняющихся во времени величин), связанный, согласно теореме Нётер, с однородностью времени, то есть независимостью законов, описывающих движение, от времени. Слово «энергия» введено Аристотелем в трактате «Физика», однако там оно обозначало деятельность человека. Содержание 1 Используемые обозначения 2 История термина 3 Виды энергии 3.1 Кинетическая 3.2 Потенциальная 3.3 Электромагнитная 3.4 Гравитационная 3.5 Ядерная 3.6 Внутренняя 3.7 Химический потенциал 3.8 Энергия взрыва 3.9 Энергия вакуума 3.10 Осмотическая энергия 4 Энергия и работа 5 В специальной теории относительности 5.1 Энергия и масса 5.2 Энергия и импульс 6 В квантовой механике 7 В общей теории относительности 8 Энергия и энтропия 9 Физическая размерность и соотношение между единицами измерения 10 Источники энергии 11 Потребление энергии 12 См. также 13 Примечания 14 Литература 15 Ссылки Используемые обозначения Обычно энергия обозначается символом Е — от лат. energa (действие, деятельность, мощь). Для обозначения количества теплоты (величины энергии, переданной теплообменом) обычно используется символ Q — от англ. quantity of heat (количество теплоты). Для обозначения работы, как количества переданной энергии, обычно используется символ A — от нем. arbeit (работа, труд) или символ W — от англ. work (работа, труд). Для обозначения мощности, как количества изменения энергии за единицу времени, используют символ W. Для обозначения внутренней энергии тела обычно используется символ U (происхождение символа подлежит уточнению). История термина Термин «энергия» происходит от греческого слова , которое впервые появилось в работах Аристотеля и обозначало действие или действительность (то есть действительное осуществление действия в противоположность его возможности). Это слово, в свою очередь, через приставку эн- (др.-греч. , означающую «в, внутри, внутрь») образовано от греческой основы («эргон») — «работа». Праиндоевропейский корень werg обозначал работу или деятельность (ср. англ. work, нем. Werk). В виде основы присутствует в таком интернационализме греческого происхождения как эргономика (приспособленность чего-либо к человеческой деятельности), в виде /  — в таких греческих словах, как оргия (блудодейство) или теургия (божественное действо) и т. п. Лейбниц в своих трактатах 1686 и 1695 годов ввёл понятие «живой силы» (vis viva), которую он определил как произведение массы объекта и квадрата его скорости (в современной терминологии — кинетическая энергия, только удвоенная). Кроме того, Лейбниц верил в сохранение общей «живой силы». Для объяснения уменьшения скорости тел из-за трения, он предположил, что утраченная часть «живой силы» переходит к атомам. Маркиза Эмили дю Шатле в книге «Учебник физики» (фр. Institutions de Physique, 1740), объединила идею Лейбница с практическими наблюдениями Виллема Гравезанда. В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в современном смысле этого слова взамен понятия «живая сила»[2]. Гаспар-Гюстав Кориолис раскрыл связь между работой и кинетической энергией в 1829 году. Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) впервые использовал термин «кинетическая энергия» не позже 1851 года, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввёл 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 КПД своих систем. Физики (Сади Карно, Джеймс Джоуль, Эмиль Клапейрон и Герман Гельмгольц), математики — все развивали идею, что способность совершать определённые 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»[2]. 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 ввёл и математически сформулировал понятие энтропии, и Джозефом Стефаном, который ввёл закон излучения абсолютно чёрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввёл понятие «потенциальная энергия»[2]. В 1881 году Уильям Томсон заявил перед слушателями[3]: Само слово энергия, хотя и было впервые употреблено в современном смысле доктором Томасом Юнгом приблизительно в начале этого века, только сейчас входит в употребление практически после того, как теория, которая дала определение энергии, … развилась от просто формулы математической динамики до принципа, пронизывающего всю природу и направляющего исследователя в области науки. В течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколько названий, например, «динамическая теория тепла» (англ. dynamical theory of heat) и «энергетика» (англ. energetics). В 1920-х годах общепринятым стало название «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 (англ. 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 году было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряжённой энергии. То есть энергия сохраняется потому, что законы физики не изменяются с течением времени (см. Теорема Нётер, изотропия пространства). В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат, Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии[4]: Существует факт, или, если угодно, закон, управляющий всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечённо. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним. Виды энергии Виды энергии: Механическая  Потенциальная  Кинетическая ‹› Внутренняя Электромагнитная  Электрическая  Магнитная Химическая Ядерная ${\displaystyle G}$ Гравитационная ${\displaystyle \emptyset }$ Вакуума Гипотетические: ${\displaystyle }$ Тёмная См. также: Закон сохранения энергии Механика различает потенциальную энергию (или, в более общем случае, энергию взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями) и кинетическую энергию (энергия движения). Их сумма называется полной механической энергией. Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную (тяготения) и атомную (ядерную) энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий). Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы. В химии рассматриваются такие величины, как энергия связи, химическое сродство, имеющие размерность энергии, отнесённой к количеству вещества. См. также: химический потенциал. Энергия взрыва иногда измеряется в тротиловом эквиваленте. Кинетическая Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в СИ — джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением. Потенциальная Потенциальная энергия ${\displaystyle U({\vec {r}})}$ — скалярная физическая величина, характеризует запас энергии некоего тела (или материальной точки), находящегося в потенциальном силовом поле, который идёт на приобретение (изменение) кинетической энергии тела за счёт работы сил поля. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы[6]. Термин «потенциальная энергия» был введён в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином. Единицей измерения энергии в СИ является джоуль. Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называется нормировкой потенциальной энергии. Электромагнитная Гравитационная Гравитационная энергия — потенциальная энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационная энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными. Ядерная Ядерная энергия (атомная энергия) — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях. Энергия связи — энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, неодинакова для разных химических элементов и, даже, изотопов одного и того же химического элемента. Внутренняя Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул. Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между её значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход. Химический потенциал Химический потенциал ${\displaystyle \mu }$ — один из термодинамических параметров системы, а именно энергия добавления одной частицы в систему без совершения работы. Энергия взрыва Взрыв — физический или/и химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме за короткий промежуток времени, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду и высокоскоростному расширению газов. При химическом взрыве, кроме газов, могут образовываться и твёрдые высокодисперсные частицы, взвесь которых называют продуктами взрыва. Энергию взрыва иногда измеряют в тротиловом эквиваленте — мере энерговыделения высокоэнергетических событий, выраженной в количестве тринитротолуола (ТНТ), выделяющем при взрыве равное количество энергии. Энергия вакуума Энергия вакуума — энергия, равномерно распределённая в вакууме и, предположительно, вызывающая отталкивание между любыми материальными объектами во Вселенной с силой, прямо пропорциональной их массе и расстоянию между ними. Обладает крайне низкой плотностью. Осмотическая энергия Осмотическая энергия — работа, которую надо произвести, чтобы повысить концентрацию молекул или ионов в растворе. Энергия и работа Энергия является мерой способности физической системы совершить работу. Например, изменение полной механической энергии тела численно равно величине механической работы, совершённой над телом. Поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах. В специальной теории относительности Энергия и масса Согласно специальной теории относительности между массой и энергией существует связь, выражаемая знаменитой формулой Эйнштейна: ${\displaystyle E=mc^{2},}$ где ${\displaystyle E}$ — энергия системы; ${\displaystyle m}$ — её масса; ${\displaystyle c}$ — скорость света в вакууме. 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 тела, согласно законам классической механики, зависит от системы отсчёта, то есть неодинакова для разных наблюдателей. Если тело движется со скоростью ${\displaystyle v}$ относительно некоего наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно будет казаться неподвижным. Соответственно, для первого наблюдателя кинетическая энергия тела будет равна, ${\displaystyle mv^{2}/2}$, где ${\displaystyle m}$ — масса тела, а для другого наблюдателя — нулю. Эта зависимость энергии от системы отсчёта сохраняется также в теории относительности. Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса. Зависимость энергии тела от скорости рассматривается уже не так, как в ньютоновской физике, а согласно вышеназванной формуле Эйнштейна: ${\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}},}$ где ${\displaystyle m}$ — инвариантная масса. В системе отсчёта, связанной с телом, его скорость равна нулю, а энергия, которую называют энергией покоя, выражается формулой: ${\displaystyle E_{0}=mc^{2}.}$ Это минимальная энергия, которую может иметь тело, обладающее массой. Значение формулы Эйнштейна также в том, что до неё энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, а формула Эйнштейна указывает абсолютное значение этой постоянной. Энергия и импульс 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. В квантовой механике В квантовой механике энергия ${\displaystyle E}$ свободной частицы связана с круговой частотой ${\displaystyle \omega }$ соответствующей волны де Бройля соотношением ${\displaystyle E=\hbar \omega }$, где ${\displaystyle \hbar }$ — приведённая постоянная Планка[7][8]. Это уравнение является математическим выражением принципа корпускулярно-волнового дуализма волн и частиц для случая энергии[9]. В квантовой механике энергия двойственна времени. В частности, в силу фундаментальных причин принципиально невозможно измерить абсолютно точно энергию системы в каком-либо процессе, время протекания которого конечно. При проведении серии измерений 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. В общей теории относительности 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 Внутренняя энергия (или энергия хаотического движения молекул) является самым «деградированным» видом энергии — она не может превращаться в другие виды энергии без потерь (см.: энтропия). Физическая размерность и соотношение между единицами измерения В системе физических величин LMT энергия имеет размерность ${\displaystyle ML^{2}T^{-2}}$. Соотношения между единицами энергии. Единица Эквивалент в Дж в эрг в межд. кал в эВ 1 Дж 1 107 0,238846 0,6241461019 1 эрг 107 1 2,38846108 0,6241461012 1 межд. Дж[10] 1,00020 1,00020107 0,238891 0,6243321019 1 кгс·м 9,80665 9,80665107 2,34227 6,120781019 1 кВт·ч 3,60000106 3,600001013 8,5985105 2,246931025 1 л·атм 101,3278 1,013278109 24,2017 63,243331019 1 межд. кал (calIT) 4,1868 4,1868107 1 2,582871019 1 термохим. кал (калТХ) 4,18400 4,18400107 0,99933 2,581431019 1 электронвольт (эВ) 1,602191019 1,602191012 3,926771020 1 Источники энергии 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, неэкологична, и многие из них истощаются. К постоянным источникам можно отнести энергию солнца, энергию, получаемую на ГЭС и т. д. Невозобновляемые ресурсы энергии и их величина[11] Вид ресурса Запасы, Дж Термоядерная энергия 3,6·1026 Ядерная энергия 2·1024 Химическая энергия нефти и газа 2·1023 Внутреннее тепло Земли 5·1020 Возобновляемые ресурсы энергии и их годовая величина[11] Вид ресурса Запасы, Дж Солнечная энергия 2·1024 Энергия морских приливов 2,5·1023 Энергия ветра 6·1021 Энергия рек 6,5·1019 Потребление энергии Существует довольно много форм энергии, большинство из которых[12] так или иначе используются в энергетике и различных современных технологиях. Темпы энергопотребления растут во всем мире, поэтому на современном этапе развития цивилизации наиболее актуальна проблема энергоэффективности и энергосбережения. См. также Энергия атомизации Энергия ионизации Энергия связи Тензор энергии-импульса Эквивалентность массы и энергии Тёмная энергия Количество теплоты Примечания «Энергия» — статья в Малой советской энциклопедии; 2 издание; 1937—1947 гг. 1 2 3 Смит, Кросби. The science of energy: a cultural history of energy physics in Victorian Britain. — The University of Chicago Press, 1998. — ISBN 0-226-76421-4. Томсон, Уильям. Об источниках энергии, доступных человеку для совершения механических эффектов = On the sources of energy available to man for the production of mechanical effect. — BAAS Rep, 1881. С. 513 Фейнман, Ричард. Фейнмановские лекции по физике = The Feynman Lectures on Physics. — Т. 1. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теоретическая физика. — 5-е изд. — М.: Физматлит, 2004. — Т. I. Механика. — 224 с. — ISBN 5-9221-0055-6. Паули, 1947, с. 11. Широков, 1972, с. 18. Широков, 1972, с. 19. Джоуль (единица энергии и работы) — статья из Большой советской энциклопедии. Г. Д. Бурдун.  1 2 Алексеев, 1978, с. 134. Источник  (неопр.). Дата обращения: 28 марта 2012. Архивировано 10 июня 2012 года. Литература Добиаш А. А. Энергия // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907. Паули В. Общие принципы волновой механики. — М.: Гостехтеориздат, 1947. — 332 с. Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с. Пономарёв Л. И. Под знаком кванта. — М.: Наука, 1989. — 368 с. — ISBN 5-02-014049-X. Алексеев Г. Н. Энергия и энтропия. — М.: Знание, 1978. — 192 с. Ссылки Энергия в Физической энциклопедии.