Conceptul de energie în fizică.Sisteme energetice. Conceptul de energie

Conceptul de energie a devenit atât de parte din vocabularul nostru de zi cu zi încât noi, fără ezitare, folosim acest termen cu sau fără motiv. Ni se pare că există în realitate ca un lucru sau o substanță separată, cum ar fi aerul sau apa. În viața de zi cu zi, ne plângem adesea că nu există suficientă energie pentru a ridica ceva sau a săpa pământul în grădină, sau dacă nu există lumină în casă, spunem că nu există energie electrică. Mașinile noastre folosesc forța de presiune a unui amestec de hidrocarburi combustibile în motoarele cu ardere internă sau presiunea unui jet de ieșire de gaz de mare viteză în motoarele cu reacție. Pentru a fierbe apa pe o sobă cu gaz, folosim energia termică eliberată în timpul reacțiilor chimice de ardere. De asemenea, folosim adesea termenii de energie atomică, energie eoliană, energie din căderea apei etc. În diverse domenii ale științei, în funcție de domeniul de studiu, se folosesc următorii termeni: energie gravitațională, energie internă, energie chimică, bioenergie etc. .

Energie(din greacă energeia - acțiune, activitate) - o măsură cantitativă generală a mișcării și o măsură a tranziției mișcării materiei de la o formă la alta (interacțiunea tuturor tipurilor de materie).

Mișcarea nu trebuie înțeleasă într-un mod primitiv. Mișcarea este schimbarea în timp a stării a ceea ce este în mișcare: ofilirea unei flori, picurarea unei picături și schimbarea tuturor celorlalte lucruri din univers.

Energia este o măsură a capacității unui sistem fizic de a lucra, prin urmare, cantitativ, energia și munca sunt exprimate în aceleași unități.

Din punct de vedere fundamental, energia este o integrală a mișcării (adică o cantitate conservată în timpul mișcării), asociată, conform teoremei lui Noether, cu omogenitatea timpului. Astfel, introducerea conceptului de energie ca mărime fizică este oportună numai dacă sistemul fizic considerat este omogen în timp.

Termenul „energie” în sine a apărut abia la începutul secolului al XIX-lea și a fost introdus în mecanică de către fizicianul englez T. Jung, prin care a înțeles valoare proporţională cu lucrul mecanic. Puțin mai târziu, compatriotul său D. Joule a stabilit prima echivalență prin măsurarea lucrului mecanic care trebuie cheltuit pentru a crește temperatura unei cantități date de apă cu un grad. Joule a mai descoperit că legăturile dintre degajarea sau absorbția căldurii, în fenomenele electrice și magnetice, în reacțiile chimice, precum și obiectele biologice, sunt de natura „transformării”. El a determinat, de asemenea, echivalentul general pentru transformările fizico-chimice, ceea ce a făcut posibilă măsurarea cantității conservate. Ulterior, această cantitate a devenit cunoscută drept „energie”. Iar omul de știință german G. Helmholtz a formulat aceasta drept legea conservării energiei. Munca compatriotului său Y. Mayer a jucat și ea un rol important în acest sens.

Energia a fost inițial în fizică abstract idee și a devenit popular datorită legea conservării energiei, conform căreia aceasta nu ia naștere din nimic și nu este distrusă. Acest concept simplifică foarte mult descrierea unei game largi de procese fizice și acoperă un număr mare de fapte experimentale, iar dacă nu ar exista conceptul de energie, aceste fapte ar trebui luate în considerare separat.

Există următoarele tipuri de energie:

• energia potențială (sau, mai general, energia interacțiunii corpurilor sau părților lor între ele sau cu câmpurile externe)
• energie cinetică (energia mișcării)
• energie de disipare

Energia de disipare (lat. disipatio, împrăștiere) este trecerea unei părți din energia proceselor ordonate (energia cinetică a unui corp în mișcare, energia unui curent electric etc.) în energia proceselor dezordonate, în cele din urmă în căldură. Sistemele în care energia mișcării ordonate scade în timp din cauza disipării, trecând în alte forme de energie, precum căldura sau radiația, se numesc disipative. Pentru a lua în considerare procesele de disipare a energiei în astfel de sisteme, în anumite condiții, se poate introduce o funcție disipativă. Dacă disiparea energiei are loc într-un sistem închis, atunci entropia sistemului crește. Disiparea energiei în sistemele deschise, datorită proceselor de îndepărtare a energiei din sistem, de exemplu, sub formă de radiație, poate duce la o scădere a entropiei sistemului în cauză cu o creștere a energiei totale a sistem și mediul înconjurător. Acest lucru, în special, asigură rolul important al proceselor de disipare a energiei în reducerea entropiei specifice a materiei în etapele de formare a galaxiilor și stelelor în modelul Universului fierbinte.

De asemenea, observăm că energia de disipare este asociată nu numai cu contracararea energiei, ci și cu o schimbare calitativă a energiei. Apropo, termenul folosit uneori „pierdere de energie disipativă” este incorect, deoarece energia nu poate fi pierdută. Ar fi mai corect să spunem despre pierderile de energie disipativă ale formelor ordonate de mișcare. În loc de termenul „energie de disipare” (tradus în rusă - energie de împrăștiere), unele lucrări științifice folosesc termenul de „energie de degradare” (tradus în rusă - energie de degenerare). Dar nici acest lucru nu este exact, nu energia degenerează, ci capacitatea sistemului de a produce lucru mecanic.

La numărul de contraacțiuni ale sistemului la impactul de energie externă, ar trebui să se adauge posibila contracare a câmpului fizic asociat cu mișcarea sistemului în acest câmp sau cu posibila rotație a acestuia în raport cu liniile de forță ale câmpului. Această contraacțiune este o modificare specifică a unui alt tip de energie, numită în fizică energia potențială din câmpul fizic sau, pe scurt, energia potențială a poziției.

Deoarece ecuația constitutivă pentru calcularea energiei potențiale a poziției este diferită de cea pentru calcularea energiei potențiale asociate cu rezistența la rigiditate, atunci vorbim despre două tipuri diferite de energie. Prin urmare, tipul de energie asociat cu rezistența la rigiditate se va numi energie potențială de deformare. Acest tip de energie potențială, spre deosebire de precedentul, este asociat cu un câmp de forțe intern (câmp de forțe elastice).

Energia totală a sistemului este suma energiei externe și interne a sistemului. Energia externă a sistemului constă din energiile cinetice și potențiale ale sistemului ca întreg. Energia internă a sistemului este energia sistemului, care depinde numai de starea sa internă și nu include tipurile de energie ale sistemului în ansamblu.

În conformitate cu diferitele forme de mișcare a materiei, trebuie luate în considerare și diverse forme de energie:

• mecanic
• hidraulic
• termic
• electromagnetic
• nucleare etc.

Toate tipurile de câmpuri au energie. Pe această bază, ei disting: electromagnetică (uneori împărțită în energii electrice și magnetice), energie gravitațională și nucleară (poate fi împărțită și în energia interacțiunilor slabe și puternice).

Termodinamica ia în considerare energia internă și alte potențiale termodinamice.

În chimie, sunt luate în considerare cantități precum energia de legare și entalpia, care au dimensiunea energiei în raport cu cantitatea de substanță (potențial chimic).

Energia mecanică caracterizează capacitatea unui corp de a efectua muncă, caracterizează mișcarea și interacțiunea corpurilor, este o mărime fizică determinată de starea unui sistem de corpuri - poziția relativă și viteza lor. Fiind într-o anumită stare mecanică, un sistem de corpuri are o anumită energie, datorită interacțiunii corpurilor cu alte corpuri și interacțiunii părților lor, sau propriei mișcări. Schimbarea energiei în timpul trecerii de la o stare la alta este egală cu munca forțelor externe. Energia mecanică totală a sistemului este egală cu suma energiilor cinetice și potențiale.

Energia cinetică este energia pe care o posedă un corp datorită mișcării sale. Este egal cu jumătate din produsul dintre masa corpului și pătratul vitezei sale.

Toate corpurile în mișcare au energie cinetică. De exemplu, apă curgătoare, vânt, roată care se învârte, electron în mișcare etc.

Sensul fizic al energiei cinetice este că această energie este egală cu munca de făcut.

Energia potențială se numește energie, care determină aranjarea reciprocă a corpurilor sau părților unui corp. Energia potențială - energia de interacțiune a corpurilor. O astfel de energie este deținută, de exemplu, de o piatră ridicată la o anumită înălțime deasupra Pământului, un arc comprimat sau întins etc.

Corpurile care interacționează pot avea atât energie cinetică, cât și energie potențială, adică energie totală.

O minge zburătoare, de exemplu, are atât energie cinetică, cât și potențială, deoarece, pe lângă faptul că se deplasează înainte, interacționează cu Pământul prin forța gravitației universale. În momentul lovirii Pământului, energia mecanică a mingii este parțial convertită în energie internă și așa mai departe.

Dacă trecem de la mecanică la termodinamică, atunci aici luăm în considerare în principal energia internă a sistemului.

Departamentul de științe fizice - termodinamică - ia în considerare toate fenomenele din punctul de vedere al schimbului și transformării energiei. Un set de corpuri fizice care interacționează între ele și cu mediul, schimbând energie și materie cu ele, este un sistem termodinamic. Adevărat, termodinamica, pentru ușurința studiului, ia în considerare sistemele izolate care nu interacționează cu mediul. Adică, nici energia și nici materia nu provin din exterior, iar energia și substanțele sistemului în sine nu sunt transferate în exterior.

Dar, spre deosebire de un astfel de sistem idealizat, sistemele reale, într-o măsură sau alta, schimbă atât energie, cât și materie cu mediul înconjurător și, prin urmare, se poate spune că în natură nu există sisteme complet închise. Cu toate acestea, unele regularități ale unui sistem idealizat sunt destul de aplicabile sistemelor reale. Una dintre aceste regularități este echilibrul termic. Dacă condițiile externe rămân neschimbate pentru o lungă perioadă de timp, atunci orice sistem termodinamic, mai devreme sau mai târziu, trece spontan într-o stare de echilibru termic.

La echilibru termic, toți parametrii macroscopici ai sistemului pot rămâne neschimbați pentru un timp arbitrar lung. În această stare, schimbul de căldură cu mediul nu are loc, volumul și presiunea gazului nu se modifică, nu există o transformare reciprocă a lichidelor, gazelor și solidelor etc. În același timp, procesele microscopice din interiorul corpului (mișcarea și interacțiunea particulelor) nu se opresc. Între particulele corpului (sistemului) are loc un schimb de energie: particulele cu energie mare transferă energie către particulele cu energie mai mică. Egalizarea temperaturii interioare este în curs.

De îndată ce condițiile externe se schimbă, echilibrul sistemului este imediat perturbat, iar mișcarea începe până când sistemul se adaptează din nou la noile condiții. Prin urmare, putem spune că sistemul poate avea multe stări de echilibru termic, fiecare dintre acestea corespunzând unei anumite temperaturi. De exemplu, apa la temperaturi peste 100°C este sub formă de vapori, dacă temperatura scade treptat, să zicem, la 15°C, se va transforma într-un lichid și multe dintre proprietățile sale se vor schimba. Dacă această temperatură este menținută pentru o perioadă de timp, atunci va veni echilibrul termic. Aceasta este starea sa relativ de echilibru în aceste condiții specifice.

Dacă temperatura este schimbată în continuare, să zicem, la –10°C, atunci apa se va transforma în gheață și din nou aproape toți parametrii și proprietățile fizice se vor schimba: volum, densitate, proprietăți electrice și magnetice etc. Astfel, se dovedește că că orice sistem poate avea multe stări de echilibru mobilîn funcţie de condiţiile interne şi, în special, externe.

În știința chimică este bine cunoscut principiul lui Le Chatelier, principiul echilibrului mobil, care spune: dacă unui sistem de echilibru se aplică o influență externă, atunci poziția de echilibru este deplasată în direcția slăbirii efectului acestei influențe.

Aceasta se manifestă, de exemplu, după cum urmează: odată cu creșterea temperaturii exterioare, echilibrul dinamic al unui sistem chimic se deplasează către procese endoterme (absorbție de căldură). Dacă aluminiul este încălzit la o temperatură de 700 ° C, atunci datorită absorbției de energie termică, energia sa internă va crește și va intra în stare lichidă.

Odată cu scăderea temperaturii, echilibrul proceselor se deplasează spre reacții exoterme (eliberare de energie termică). În conformitate cu aceasta, dacă aluminiul lichid este plasat la o temperatură scăzută (sau lăsat să se răcească sub 600 ° C), atunci va degaja căldură mediului, energia internă va scădea și va intra în stare solidă.

O creștere a presiunii deplasează echilibrul chimic în direcția proceselor către o scădere a volumelor de produse obținute, iar o scădere a presiunii, dimpotrivă, spre formarea de substanțe cu volume mari de produse de ieșire.

Astfel, echilibrul în sine se dovedește a fi foarte mobil și depinde de multe condiții: atât externe, cât și interne. Dar experiența arată că, totuși, dependența de condițiile externe este mai mare. Sistemul se adaptează constant, în primul rând, la schimbările din mediul extern. Și aceasta, în consecință, necesită o „restructurare” internă a sistemului: fie să se transforme într-un vapor, apoi într-un lichid, apoi să treacă într-o fază solidă. În acest caz, energia este de obicei fie eliberată, fie absorbită.

Eliberarea de energie, absorbția de energie, schimbul de energie în toate manifestările sale sunt studiate de termodinamică. Există două legi care sunt cel mai bine cunoscute aici. Prima dintre ele spune: modificarea energiei interne a sistemului în timpul tranziției de la o stare la alta este egală cu suma cantității de căldură transmisă sistemului și a muncii forțelor externe efectuate asupra sistemului.

A doua lege postulează imposibilitatea transferului de căldură de la un sistem mai rece la unul mai fierbinte în absența altor modificări simultane în ambele sisteme sau în corpurile înconjurătoare. Dacă este tradus în lumea reală, reală, aceasta indică ireversibilitatea proceselor din natură. Sau într-un alt mod, folosind conceptul introdus în termodinamică pentru a determina măsura ireversibilității disipării energiei, a doua lege se mai numește și legea creșterii entropiei.

Dacă ne întoarcem acum la electrodinamică, se adaugă energiile electrice și magnetice. Câmpurile electrice și magnetice sunt caracterizate prin caracteristici de energie și forță. Dacă diferența de potențial în diferite puncte ale câmpului determină caracteristica energetică a câmpului, atunci forța care acționează asupra sarcinii de testare plasată în acest câmp determină caracteristica de putere, care se numește tensiune de câmp. În cea mai mare parte, totul depinde de diferența de potențial: cu cât diferența de potențial este mai mare, cu atât energia și forța care acționează asupra corpurilor din acest câmp sunt mai mari. De asemenea, cu cât diferența de potențial este mai mare la capetele conductorului, cu atât puterea curentului este mai mare.

Tipurile de energie pot trece unele în altele, rămânând totodată aparținând aceleiași forme de energie. Tranziția diferitelor tipuri de energie unele în altele este o consecință a redistribuirii valorilor acestor tipuri de energie în cadrul aceleiași forme de mișcare. Acest lucru nu exclude transferul oricărui tip de energie dintr-o formă dată de mișcare în orice fel de energie al unei alte forme de mișcare.

Cele mai generale dependențe formează teoria cea mai generală, unificată. Întrucât materia (solidă, lichidă, gazoasă, plasmă) este, de fapt, diferite forme de energie, obținem o teorie unificată a tuturor câmpurilor (vectori care determină direcția impactului acestui tip de energie) care există în natură. Cu toate acestea, dependențele generale nu au fost încă identificate. Prin urmare, nu există încă o teorie unificată a câmpului.

Deci, o singură măsură a diferitelor forme de mișcare este o mărime fizică numită energie. Mișcarea este o proprietate esențială a materiei. Prin urmare, fiecare corp are energie sau, așa cum se spune adesea, un depozit de energie, care este o măsură a mișcării sale.

Există multe forme diferite de mișcare, dar toate sunt caracterizate de o anumită capacitate generală de a influența mediul cu o anumită forță proporțională cu mărimea energiei lor. Asupra mediului, care poate fi afectat de energia corespunzătoare unei anumite forme de mișcare. În acest caz, valoarea energiei inițiale scade, dar apare o nouă mișcare, care are deja propria energie. Deci energia mecanică este transformată în energie termică, energia termică - în chimică și electromagnetică (radiație termică), electromagnetică poate deveni din nou mecanică (presiunea luminii). Energia gravitațională face corpul să cadă și la impact, această energie este transformată în termică și electromagnetică. Adică energiile gravitaționale, electromagnetice, mecanice, termice, chimice pot trece unele în altele sub forma unei schimbări în mișcare, făcând posibilă înregistrarea cantitativ și calitativ a dependenței acestor transformări.

Este clar că simplul concept de „energie” nu spune nimic: sensul apare doar atunci când este vorba de o anumită formă de mișcare și de cantitatea de energie corespunzătoare acesteia.

Trebuie spus că conceptul de energie, ca bază a tot ceea ce există în Univers, este destul de complicat și necesită înțelegerea tuturor tipurilor sale, de la unda cuantică până la formele prezentate sub formă de materie: particule, atomi, molecule. , în contextul mecanismelor trecerii sale de la o formă la alta. Fără a ne referi la o anumită formă de mișcare, energia este complet lipsită de sens și nimeni nu este capabil să-i dea vreun sens.

capacitatea unui lucru de a lucra. Se poate spune - proprietatea sistemului, care constă în capacitatea de a efectua distemas în sine, care constă în capacitatea de a efectua mișcare în sine - muncă.

bloc de asociere.

Întrebare - ce este munca și ce este entropia?

Mare Definitie

Definiție incompletă ↓

ENERGIE

o măsură cantitativă universală a mișcării și interacțiunii tuturor tipurilor de energie (în greacă energcia - acțiune). Principala proprietate a energiei este conservarea acesteia în orice transformări. În mecanică, legea conservării energiei (în terminologia originală - forțe vii) nu a fost descoperită imediat. Cazurile sale speciale au fost folosite de Galileo și Leibniz, iar în formă generală a fost fundamentată de Leibniz. În conferirea acestei legi un caracter universal, studiile proceselor de transformare a căldurii în muncă și invers și stabilirea unui echivalent mecanic al căldurii au jucat un rol decisiv. Aceste studii la mijlocul secolului al XIX-lea. interpretată de R. Mayer, J. Joule şi G. Helmholtz. În termodinamică, legea conservării energiei se numește prima ei lege.

În conformitate cu diferitele varietăți de mișcare, sunt considerate diverse forme de energie: mecanică, internă, electromagnetică, chimică, nucleară etc. Energia unui sistem este determinată de parametrii care îi caracterizează starea. În tehnologie, în special, ei disting între energia cinetică și potențialul mgh, unde m este masa corpului, v este viteza acestuia, h este înălțimea liftului, g este accelerația gravitației.

Una dintre consecințele teoriei relativității este legea echivalenței masei și energiei E = mc2, unde E este energia și c este viteza luminii. Evident, această lege ar trebui considerată ca o generalizare a legii conservării energiei.

ENERGIE

greacă energeia - activitate) - o măsură generală a diferitelor forme de mișcare materială. Termenul „E”. A fost introdusă limba engleză. de omul de știință T. Jung în 1807 și a fost înțeles de acesta ca produsul dintre masa unui corp în mișcare și pătratul vitezei acestuia. Formele fizice calitativ diferite ale mișcării materiei sunt capabile să se transforme unele în altele, iar acest proces de transformare este controlat de echivalente cantitative strict definite, ceea ce face posibilă evidențierea unei măsuri comune a mișcării - E. ca atare. E. ca măsură a mişcării se manifestă sub diverse forme. Aceasta își găsește expresia în sistemul de teorie fizică, unde se introduc conceptele de mecanic, termic, electromagnetic, nuclear, gravitațional etc.. în anumite sarcini se realizează împărțirea în sisteme E. externă și internă. Fiecare tip de mișcare caracterizează în esență forma fizică corespunzătoare de mișcare în ceea ce privește posibilitatea transformării acesteia în orice altă formă de mișcare, în timp ce mișcarea însăși este conservată cantitativ. În unele concepte filozofice, E. este tratat ca un tip special de substanță sau ca un fel de activitate internă care trece de la corp la corp sau de la o ființă vie la alta. O astfel de extindere excesivă a câmpului de aplicabilitate a unui concept fizic duce la construcții teoretic nefondate. Întreaga istorie a culturii materiale și spirituale a modernului. civilizația este asociată cu dezvoltarea și dezvoltarea diferitelor forme de utilizare a energiei: resurse energetice neregenerabile (cărbune, petrol, gaze naturale) și regenerabile (lemn, hidroenergie etc.) Perspectivele energetice de viitor sunt asociate cu utilizarea pe scară largă a energiei nucleare. surse de energie, o combinație de resurse energetice tradiționale, extinderea utilizării energiei de la soare, vânt etc. În același timp, se acordă o mare importanță prevenirii consecințelor negative ale impactului energiei asupra mediului. Eliberarea de căldură, creșterea concentrației de dioxid de carbon în atmosferă etc., pot duce la modificări ale parametrilor meteorologici și hidrologici ai biosferei (topirea gheții arctice, deplasarea zonelor climatice etc.). Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea modernului forme de furnizare a energiei, utilizarea mai rațională a energiei electrice.Amploarea emisiilor va fi redusă, iar situația de mediu se va stabiliza. Trecerea la noi concepte energetice presupune nu numai dezvoltarea corespunzătoare a științei, ingineriei și tehnologiei, ci și extinderea cooperării internaționale în rezolvarea problemelor legate de aprovizionarea cu energie a omenirii.

Mare Definitie

Definiție incompletă ↓

Energia nu ia naștere din nimic și nu dispare nicăieri, ea poate trece doar de la o formă la alta.
celălalt (conservarea energiei). conectează toate fenomenele naturii într-un întreg, este
o caracteristică generală a stării corpurilor fizice și a câmpurilor fizice.
Datorită existenței legii conservării energiei, conceptul de „energie” leagă toate fenomenele naturale.
În fizică, conceptul de energie este de obicei notat cu litera latină E.
În sistemul SI, energia se măsoară în jouli. Pe lângă aceste unități de măsură de bază, în practică,
există o mulțime de alte unități care sunt convenabile pentru o anumită utilizare. În fizica atomică și nucleară, precum și în fizica particulelor elementare, conceptul de energie se măsoară cu electroni volți, în chimie prin calorii, în fizica stării solide cu grade Kelvin, în optică prin centimetri inversați, în chimia cuantică prin autoconsistență .

Tipuri de energie.Sisteme energetice

După diferitele forme de mișcare a materiei, se disting mai multe tipuri de energie: mecanică, electromagnetică, chimică, nucleară, termică, gravitațională etc. Această împărțire este destul de arbitrară. Deci energia chimică constă din energia cinetică a mișcării electronilor, interacțiunea și interacțiunea lor cu atomii.
În plus, conform conceptului, se disting energia internă și energia din domeniul forțelor externe. Energia internă este egală cu suma energiei cinetice a mișcării moleculelor și a energiei potențiale a interacțiunii moleculelor între ele. Energia internă a unui sistem izolat este constantă.
În procesele fizice rizomantice, diferite tipuri de energie pot fi transformate unele în altele. De exemplu, energia nucleară din centralele nucleare este mai întâi convertită în energia termică internă a aburului care rotește turbinele (energie mecanică), care la rândul său induce un curent electric în generatoare (energie electrică), care este utilizat pentru iluminat (energie câmp electromagnetic). ), etc.
Energia unui sistem depinde în mod unic de parametrii care îi caracterizează starea. În cazul unui mediu continuu se introduce conceptul de densitate.

Istoria dezvoltării conceptului de energie

Conceptul de energie a fost în fizică de multe secole. Înțelegerea lui s-a schimbat. Pentru prima dată termenul de energie în sensul fizic modern a fost folosit în 1808 de Thomas Young. În plus, a fost folosit termenul de „forță vitală” (lat. vis viva), pe care Leibniz l-a introdus în secolul al XVII-lea, definindu-l ca fiind produsul masei înmulțit cu pătratul vitezei.
În 1829, Coriolis a folosit pentru prima dată termenul de energie cinetică în sensul modern, iar termenul de energie potențială a fost introdus de William Rankin în 1853. Până atunci, datele obținute în cercetarea în diverse domenii ale științei au început să prindă contur în imaginea de ansamblu. Datorită experimentelor lui Joule, Mayer, Helmholtz, au fost clarificate problemele conversiei energiei mecanice în energie termică. Într-una dintre primele lucrări „Despre conservarea forței” (1847), Helmholtz, urmând ideea unității naturii, a fundamentat matematic conservarea energiei.
şi poziţia că un organism viu este un mediu fizico-chimic în care legea indicată este întocmai îndeplinită. Helmholtz a formulat „principiul conservării forței” și imposibilitatea Perpetuum Mobile. Aceste descoperiri au făcut posibilă formularea primei legi a termodinamicii sau a conceptului de conservare a energiei. Conceptul de energie a devenit esențial pentru înțelegere procese fizice. Curând, termodinamica se încadrează în mod natural în conceptul de energie. reacţiile chimice şi teoria fenomenelor electrice şi electromagnetice.
Odată cu construirea teoriei relativității, conceptului de energie a fost adăugată o nouă înțelegere. Dacă mai devreme
energia potențială a fost determinată până la o constantă arbitrară, apoi a fost stabilită teoria lui Einstein
relația dintre energie și masă.

Mecanica cuantică a îmbogățit conceptul de energie cu cuantizare - pentru anumite sisteme fizice, energie
poate lua doar valori discrete. În plus, principiul incertitudinii a stabilit limitele exactității
măsurarea energiei și relația acesteia cu aceasta. Teorema lui Noether a demonstrat că legea conservării energiei
decurge din principiul omogenității timpului, conform căruia procesele fizice în sisteme identice au loc
la fel, chiar dacă încep la momente diferite.

Teoria relativitatii.Sisteme energetice

Energia corpului depinde de cadrul de referință, adică. diferite pentru diferiți observatori. Dacă corpul se mișcă cu
viteza v raportată la care observator, apoi pentru un alt observator care se mișcă cu aceeași viteză, acesta
va părea imobil. În consecință, pentru prima, energia cinetică a corpului va fi egală cu
(bazat pe legile mecanicii clasice) m v2/2′ unde m este masa corpului și zero pentru celălalt.
Această dependență a energiei de cadrul de referință este păstrată și în teoria relativității. Pentru transformările care au loc cu energia în timpul tranziției de la un cadru inerțial de referință la altul, se folosește o construcție matematică complexă - tensorul energie-impuls.
Energia unui corp depinde de viteza nu ca în fizica newtoniană, ci într-un mod diferit:
mecanica cuantică
În timp ce în fizica clasică conceptul de energie a oricărui sistem se schimbă constant și poate lua valori arbitrare, teoria cuantică afirmă că energia microparticulelor legate de forța de interacțiune cu alte microparticule din zone limitate ale spațiului poate dobândi doar anumite valori discrete.
Deci, atomii radiază energie sub formă de porțiuni discrete - cuante de lumină sau fotoni.
Operatorul energetic în mecanica cuantică este Hamiltonianul. În stări staţionare ale cuanticei sisteme energetice poate avea doar valori care corespund valorilor proprii ale Hamiltonianului. Pentru stările localizate, energia poate avea doar unele discrete.

Orice corp pentru a crește, a se mișca, a arde sau a face orice are nevoie de energie. Fără energie nu poate exista viață.

Ce este energia?

Există multe tipuri diferite de energie în natură. Unele dintre ele sunt descrise mai jos. Energia nu rămâne pentru totdeauna într-o formă sau alta, se schimbă constant de la o formă, să zicem, energie chimică, la alta - de exemplu, în energie termică. Energie termală.

O substanță încălzită are mai multă energie decât una rece, deoarece atomii din ea se mișcă mai repede. Energia termică se poate răspândi dintr-un loc în altul. Energia luminii.

Lumina este un tip special de energie care se mișcă în linie dreaptă cu o viteză extraordinară. Nimic din lume nu se poate mișca mai repede decât lumina. De obicei este emis de corpurile foarte fierbinți. Filamentul fierbinte al unei lămpi cu incandescență emite energie luminoasă. energie chimica.

Energia poate fi stocată și în substanțe chimice. Animalele și plantele absorb energia chimică sub formă de hrană. Principalii noștri combustibili, cum ar fi cărbunele, petrolul și gazul natural, conțin și energie chimică. Energie potențială.

Energie potențială numit stoc de energie internă, pe care corpul îl are datorită stării sale. De exemplu, un arc comprimat sau întins are energie potențială. Dacă arcul este eliberat, această energie ascunsă va fi eliberată.

Energie electrica.
Electricitatea se mișcă de-a lungul firelor electrice, ca și cum ar sări de la un atom la altul. Poate fi transformat în multe alte tipuri de energie, cum ar fi sunetul sau lumina.

Energia sonoră.
Energia sonoră se deplasează sub formă de unde numite unde sonore. Trecând prin aer, undele sonore îl fac să vibreze. Când undele sonore ajung la urechi, auziți diverse sunete.

Energia atomică (nucleară).
Energia atomică este conținută în nucleul (partea centrală) a atomului. Această energie este folosită în centralele nucleare pentru a produce energie electrică. Lumina și căldura emise de soare se bazează, de asemenea, pe energia atomică.

Energie kinetică.
Energia cinetică este energia mișcării. Tot ceea ce se mișcă poartă energie cinetică. Cu cât corpul se mișcă mai repede și cu atât este mai greu, cu atât energia cinetică este stocată mai mult.

De unde vine energia?

Sursa de aproape toată energia disponibilă pe Pământ este Soarele. Căldura soarelui încălzește pământul, mările și aerul. De asemenea, generează vânturi, valuri și curenți oceanici, care au un depozit uriaș de energie cinetică. Energia conținută în alimente este, de asemenea, creată direct de Soare, așa cum este ilustrat în această figură.

Plantele absorb lumina solară pentru a se susține și o transformă în energie chimică stocată în tulpini și frunze.

Cărbunele, petrolul și gazele naturale s-au format cu multe milioane de ani în urmă din rămășițele de plante și animale. Iar energia își datorează originea energiei chimice acumulate cândva de aceste plante și animale.

Există, totuși, trei surse principale de energie care nu depind direct de căldura și lumină solară. Acestea sunt elemente radioactive - de exemplu, uraniul, folosit pentru producerea energiei atomice; căldura interiorului pământului; și, în sfârșit, energia mareelor, creată de atracția Soarelui și a Lunii în Oceanul Mondial.

Este dificil pentru oamenii de știință să explice ce este energia. Nu este o substanță sau obiect care poate fi atins sau ținut. Dar substanțele și obiectele au energie.

O definiție utilă este aceea că energia este ceea ce este necesar pentru ca lucrurile să se întâmple. Ea poate face lucrurile să se miște sau să se schimbe și face lucruri!

Diferite forme

Tot ceea ce facem necesită energie chiar și pentru somn! Tabelul de mai jos arată suma necesară pentru diferite activități.

Energia implicată în activitățile zilnice:

Economie de energie

În timp ce energia își poate schimba forma, ea nu poate dispărea pur și simplu. Dacă urmăriți sursa, veți descoperi că pur și simplu nu apare de nicăieri.

Aceste descoperiri i-au determinat pe oamenii de știință să aprobe legea energiei.

Prima parte spune că energia trebuie să vină de undeva. Nu este creat niciodată din nimic, ci se poate schimba de la o formă la alta, dar numărul total rămâne același. Lanțurile energetice încep de obicei cu o anumită formă de energie potențială. Dacă urmăriți multe lanțuri energetice, puteți descoperi că aceasta provine din reacții nucleare din interiorul Soarelui, care transformă energia stocată în nucleele atomice în energie termică și radiantă.

• Conform Legii conservării: intrare = ieșire
• Această ecuație poate fi schimbată în: consum = util + deșeuri

Designerii sunt preocupați să realizeze aparate care produc eficiență maximă.

• Aceasta se măsoară prin eficiența energetică: eficiența energetică % = energie utilizabilă x 100/consumată

Corpul uman nu este foarte eficient în transformarea energiei. Un atlet folosește până la 40.000 de jouli de substanță chimică (alimentare) sprintând 100 m. Doar 8.000 dintre aceștia sunt transformați în energie cinetică de alergare. Restul se irosește ca căldură!

Cantitatea de energie convertită de o mașină în fiecare secundă se numește puterea mașinii. Puterea este măsurată în wați (1 watt este egal cu 1 joule de energie convertită pe secundă).

Conversie de energie

Energia poate fi transferată de la un obiect la altul. Dacă atingeți un obiect fierbinte, căldura este transferată pe degete. Transferul nu implică o schimbare a tipului de energie.

Transformări sau schimbări au loc în jurul nostru tot timpul. În transformare, energia este schimbată de la un tip la altul sau în mai multe tipuri diferite. Un bec electric transformă electricitatea în lumină și infraroșu.

Conversia energiei are loc:

• în interiorul corpului tău este un mușchi în mișcare
• în interiorul aparatelor electrice
• în procesele fizice – fulgerul

În transformare, este important să se determine costurile și producția. Uneori, transferurile și transformările de energie au loc unul după altul. Acesta se numește lanț energetic.

De exemplu, conversia energiei într-o lanternă:

• Bateriile transformă potențialul chimic în energie electrică. Un bec schimbă energia electrică în căldură și lumină.
• Lantul energetic se scrie ca: potential chimic - - - - > electric - - - - > termic si luminos

Ecuații de conversie a energiei

În timpul transformării, energia este de obicei convertită în mai multe forme. Cuvântul ecuație poate fi folosit pentru a arăta schimbările de energie care au loc.

De exemplu, conversia energiei într-un prăjitor de pâine:

• Pâinea de pâine schimbă energia electrică în energie termică și luminoasă.
• Intrarea este electrică, ieșirea este energie termică și luminoasă.

Ecuația de conversie a energiei prăjitorului:

• Electrice — — — — — > căldură + lumină

Un dispozitiv care convertește energia dintr-o formă în alta se numește mașină sau convertor de energie.

Măsurarea energiei

Unitatea științifică a energiei este joule. Este numit după un om de știință britanic pe nume James Joule. Un joule este o cantitate foarte mică, motiv pentru care oamenii de știință folosesc kilojulii (kJ).

Dacă ridicați un obiect de 1 metru care cântărește 1 kg, atunci obiectul va primi 1 joule de energie gravitațională.

Dacă 1 ml de apă este încălzit cu 1 grad C, atunci apa va primi 4,2 jouli de energie termică.

Energia din alimente

Tot ceea ce faci în fiecare zi, chiar și somnul, necesită energie. Activitățile diferite necesită sume diferite.

De câtă energie are nevoie corpul tău în fiecare zi:

Bărbați sau femei, tineri sau bătrâni, activi sau nu, oamenii obțin resursele de care au nevoie în fiecare zi din alimentele pe care le consumă. Acest aliment este o formă de energie potențială chimică. Când alimentele sunt consumate în celulele corpului în timpul respirației, energia potențială chimică este eliberată. Produse diferite alocă cantități diferite de resurse.

Necesarul zilnic de energie al femeilor și bărbaților în (kilojuli)

Păstrați-vă sănătos fără a fi supraponderal — — — — > echilibrați consumul cu cheltuielile

Unele alimente oferă mai multă energie decât altele. Grăsimile dau de două ori mai mult decât carbohidrații. Deoarece grăsimile produc mai mult decât alte tipuri de alimente, s-ar putea crede că mâncarea este întotdeauna bună pentru noi. ESTE GRESIT! Organismul nu poate folosi atât de multă hrană în același timp. El folosește tot ce este necesar și stochează excesul sub formă de grăsime. Acest lucru poate duce la obezitate și alte probleme de sănătate.

Când ești activ, organismul arde multă energie. Când te uiți la televizor sau te joci pe computer, corpul arde mult mai puțin.

Cea mai mare parte a energiei pe care corpul nostru o primește din alimente este transformată în căldură prin respirație. Acesta este folosit pentru a ne menține corpul la o anumită temperatură în mod constant (37 de grade C). Acest lucru este important pentru ca reacțiile chimice care au loc în celule să funcționeze eficient.

Pentru a afla câtă energie este stocată în alimente, o puteți transforma în căldură și puteți măsura ce poate face acea căldură.

Surse alternative

Cea mai mare parte a energiei din lume este folosită sub formă de combustibili fosili. Acești combustibili, cum ar fi cărbunele, petrolul și gazul natural, provin de la soare. Energia solară este stocată în plante și animale care s-au stins cu milioane de ani în urmă.

Arderea combustibililor fosili este singura modalitate de a elibera resursele stocate în ei. Problema cu combustibilii fosili este că poluează mediul și durează foarte mult. Acestea sunt surse de energie neregenerabile. Odată ce combustibilii fosili au fost folosiți, aceștia dispar pentru totdeauna.

Sursele regenerabile de energie se epuizează. Oamenii din întreaga lume caută surse alternative care sunt prietenoase cu mediul, sigure și regenerabile. Unele au fost folosite de mulți ani. Unii sunt încă în stadiu experimental. Cele mai multe dintre ele sunt folosite pentru producerea de energie electrică, dar unele sunt folosite în forma lor originală.

Sursele alternative de energie (regenerabile) includ:

Solar

Energia solară vine de la soare sub formă de unde electromagnetice. Suma pe care o primește Pământul pe an este mai mult decât suficientă pentru a asigura toate nevoile lumii pentru acel an.

Vânturi

Mișcarea aerului (vânt) este rezultatul încălzirii neuniforme a suprafeței pământului de către soare. Turbinele eoliene se transformă în vânt și generează energie electrică.

Hidroelectric

Când apa stocată sus în spatele barajului curge prin conducte într-o centrală electrică, energia sa potențială gravitațională este convertită în energie cinetică, care transformă turbinele care generează electricitate.

Biomasă

Acesta este un material organic care este convertit, inclusiv. Lemnul este o formă de biomasă. Arderea așchiilor de lemn produce un gaz care este ars pentru a elibera resurse care pot fi folosite pentru a furniza încălzire sau pot fi folosite pentru a genera electricitate.

maree

Mareele sunt cauzate de tragerea lunii. Un baraj peste un estuar poate reține apă și apoi o poate folosi pentru a genera electricitate.

Biogaz

Animalele în descompunere, deșeurile și canalizarea produc gaz de peisaj. Când gazul de peisaj este combinat cu dioxid de carbon, se produce metan. Procesul are loc într-un recipient închis numit digestor. În India și China, această metodă este folosită pentru a obține combustibil pentru gătit.

Val

Valurile sunt cauzate de vântul care suflă peste mare. Plutitoarele mari care se mișcă în sus și în jos odată cu valurile sunt acum folosite pentru a genera electricitate.

Hidrogen

Hidrogenul este folosit în celulele de combustie. Poate fi combinat cu oxigenul pentru a genera curent electric. Arde cu ușurință eliberând o cantitate mare de energie termică.