Energie

In 'n tipiese weerlig staking, 500 megajoules van elektriese potensiële energie omgeskakel word na dieselfde hoeveelheid energie in ander vorms, meestal ligenergie , klank energie en hitte-energie .

Termiese energie is energie van mikroskopiese bestanddele van materie, wat beide kinetiese en potensiële energie kan insluit .

Die totale energie van 'n stelsel kan op verskillende maniere onderverdeel word en in potensiële energie, kinetiese energie of kombinasies daarvan geklassifiseer word. Kinetiese energie word bepaal deur die beweging van 'n voorwerp - of die saamgestelde beweging van die komponente van 'n voorwerp - en potensiële energie weerspieël die potensiaal van 'n voorwerp om beweging te hê, en is gewoonlik 'n funksie van die posisie van 'n voorwerp binne 'n veld of kan in die veld self gestoor word.

Alhoewel hierdie twee kategorieë voldoende is om alle vorme van energie te beskryf, is dit dikwels handig om na spesifieke kombinasies van potensiële en kinetiese energie as sy eie vorm te verwys. Makroskopiese meganiese energie is byvoorbeeld die som van translasie- en rotasie kinetiese en potensiële energie in 'n sisteem verwaarloos die kinetiese energie as gevolg van temperatuur, en kernenergie wat potensiaal van die kernkrag en die swak krag kombineer , onder andere. ^{[ aanhaling nodig ]}

Thomas Young , die eerste persoon wat die term 'energie' in die moderne sin gebruik.

Die woord energie is afgelei van die Oudgrieks : ἐνέργεια , geromaniseerd :  energeia , lit.  'aktiwiteit, werking', ^[1] wat moontlik vir die eerste keer in die werk van Aristoteles in die 4de eeu vC verskyn. In teenstelling met die moderne definisie, was energeia 'n kwalitatiewe filosofiese begrip, breed genoeg om idees soos geluk en plesier in te sluit.

Aan die einde van die 17de eeu het Gottfried Leibniz die idee van die Latyn voorgestel : vis viva , oftewel lewende krag, wat gedefinieer word as die produk van die massa van 'n voorwerp en die snelheid daarvan in vierkant; hy het geglo dat die totale vis viva bewaar is. Om die vertraging as gevolg van wrywing te verklaar, het Leibniz geteoretiseer dat termiese energie bestaan ​​uit die bewegings van die bestanddele van die materie, hoewel dit langer as 'n eeu sou duur totdat dit algemeen aanvaar sou word. Die moderne analoog van hierdie eienskap, kinetiese energie , verskil slegs met 'n faktor van vis viva . Émilie du Châtelet skryf in die vroeë 18de eeu en stel die konsep van energiebesparing voor in die marginalia van haar Franse taalvertaling van Newton se Principia Mathematica , wat die eerste formulering van 'n behoue ​​meetbare hoeveelheid voorstel wat verskil van momentum , en wat later word "energie" genoem.

In 1807 was Thomas Young moontlik die eerste wat die term "energie" in plaas van vis viva , in sy moderne sin, gebruik het. ^[2] Gustave-Gaspard Coriolis beskryf ' kinetiese energie ' in 1829 in sy moderne sin, en in 1853 het William Rankine die term ' potensiële energie ' geskep. Die wet op die behoud van energie is ook die eerste keer in die vroeë 19de eeu gepostuleer en is van toepassing op enige geïsoleerde stelsel . Daar is enkele jare lank geargumenteer of hitte 'n fisiese stof is, wat die kalorie genoem word , of bloot 'n fisiese hoeveelheid, soos momentum . In 1845 ontdek James Prescott Joule die verband tussen meganiese werk en opwekking van hitte.

Hierdie ontwikkelinge het gelei tot die teorie van die behoud van energie, wat grootliks deur William Thomson ( Lord Kelvin ) geformaliseer is as die gebied van die termodinamika . Termodinamika het die vinnige ontwikkeling van verduidelikings oor chemiese prosesse deur Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs en Walther Nernst aangehelp . Dit het ook gelei tot 'n wiskundige formulering van die konsep van entropie deur Clausius en tot die bekendstelling van wette van stralingsenergie deur Jožef Stefan . Volgens Noether se stelling is die behoud van energie 'n gevolg van die feit dat die wette van fisika nie mettertyd verander nie. ^[3] Sedert 1918 het teoretici dus verstaan ​​dat die wet van die behoud van energie die direkte wiskundige gevolg is van die translasie-simmetrie van die hoeveelheid gekoppel aan energie, naamlik tyd.

Joule se apparaat om die meganiese ekwivalent van hitte te meet. 'N Afgaande gewig wat aan 'n tou vas is, laat 'n spaan wat in water gedompel is, draai.

In 1843 ontdek James Prescott Joule onafhanklik die meganiese ekwivalent in 'n reeks eksperimente. Die bekendste van hulle het die "Joule-apparaat" gebruik: 'n dalende gewig, wat aan 'n tou vasgemaak is, het die rotasie van 'n spaan in water gedompel, prakties geïsoleer van hitte-oordrag. Dit het getoon dat die potensiële swaartekrag- potensiële energie wat deur die gewig verloor, gelyk is aan die interne energie wat die water deur wrywing met die paddle verkry.

In die Internasionale Eenheidstelsel (SI) is die eenheid van energie die joule, vernoem na Joule. Dit is 'n afgeleide eenheid . Dit is gelyk aan die energie wat gebruik word (of werk wat gedoen is) om 'n krag van een newton oor 'n afstand van een meter toe te pas. Energie word egter ook uitgedruk in baie ander eenhede wat nie deel uitmaak van die SI nie, soos ergs , kalorieë , Britse termiese eenhede , kilowatt-uur en kilokalorieë , wat 'n omskakelingsfaktor benodig as dit in SI-eenhede uitgedruk word.

Die SI-eenheid van energietempo (energie per eenheidseenheid) is die watt , wat 'n joule per sekonde is. Dus, een joule is een watt-sekonde en 3600 joule gelyk aan een watt-uur. Die CGS- energie-eenheid is die erg en die keiserlike en Amerikaanse gebruiklike eenheid is die voetpond . Ander energie-eenhede soos elektronvolt , voedselkalorie of termodinamiese kcal (gebaseer op die temperatuurverandering van water tydens 'n verhittingsproses) en BTU word in spesifieke wetenskaps- en handelsareas gebruik.

Klassieke meganika

In klassieke meganika is energie 'n konseptueel en wiskundig bruikbare eienskap, aangesien dit 'n behoue ​​hoeveelheid is . Verskeie meganika-formulerings is ontwikkel met behulp van energie as kernkonsep.

Werk , 'n funksie van energie, is krag tye afstand.

${\ displaystyle W = \ int _ {C} \ mathbf {F} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {s}}$

Dit sê dat die werk (${\ displaystyle W}$) is gelyk aan die lynintegraal van die krag F langs 'n baan C ; sien die meganiese werkartikel vir meer inligting . Werk en dus energie is afhanklik van die raamwerk . Oorweeg byvoorbeeld dat 'n bal deur 'n kolf getref word. In die verwysingsraamwerk van die massamiddelpunt werk die kolf nie aan die bal nie. Maar in die verwysingsraamwerk van die persoon wat die kolf swaai, word daar baie aan die bal gedoen.

Die totale energie van 'n stelsel word soms die Hamilton genoem , na William Rowan Hamilton . Die klassieke bewegingsvergelykings kan in terme van die Hamilton geskryf word, selfs vir baie komplekse of abstrakte stelsels. Hierdie klassieke vergelykings het opvallend direkte analoë in die nie-relativistiese kwantummeganika. ^[4]

'N Ander energieverwante konsep word die Lagrangian genoem , na Joseph-Louis Lagrange . Hierdie formalisme is net so fundamenteel soos die Hamilton, en albei kan gebruik word om bewegingsvergelykings af te lei of daaruit afgelei te word. Dit is uitgevind in die konteks van klassieke meganika , maar is oor die algemeen nuttig in moderne fisika. Die Lagrangian word gedefinieer as die kinetiese energie minus die potensiële energie. Gewoonlik is die Lagrange-formalisme wiskundig geriefliker as die Hamilton vir nie-konserwatiewe stelsels (soos stelsels met wrywing).

Noether se stelling (1918) verklaar dat enige onderskeibare simmetrie van die werking van 'n fisiese stelsel 'n ooreenstemmende bewaringswet het. Noether se stelling het 'n fundamentele instrument geword vir moderne teoretiese fisika en die berekening van variasies. 'N Veralgemening van die seminale formulerings oor bewegings konstantes in die Lagrangiaanse en Hamiltoniese meganika (onderskeidelik 1788 en 1833), dit is nie van toepassing op stelsels wat nie met 'n Lagrangian gemodelleer kan word nie; dissipatiewe stelsels met deurlopende simmetrieë hoef byvoorbeeld nie 'n ooreenstemmende bewaringswet te hê nie.

Chemie

In die konteks van chemie is energie 'n kenmerk van 'n stof as gevolg van sy atoom-, molekulêre of totale struktuur. Aangesien 'n chemiese transformasie gepaard gaan met 'n verandering in een of meer van hierdie soorte strukture, gaan dit altyd gepaard met 'n toename of afname in energie van die betrokke stowwe. Daar word energie oorgedra tussen die omgewing en die reaktante van die reaksie in die vorm van hitte of lig; dus kan die produkte van 'n reaksie meer of minder energie hê as die reaktante. Daar word gesê dat 'n reaksie eksotermies of eksergonies is as die finale toestand laer is op die energieskaal as die aanvanklike toestand; in die geval van endotermiese reaksies, is die situasie omgekeerd. Chemiese reaksies is gewoonlik nie moontlik nie, tensy die reaktante 'n energieversperring oorskry, bekend as die aktiveringsenergie . Die spoed van 'n chemiese reaksie (by gegewe temperatuur  T ) hou verband met die aktiveringsenergie  E deur die Boltzmann-populasie-faktor e ^{- E / kT}  - dit is die waarskynlikheid dat molekule energie groter as of gelyk is aan  E by die gegewe temperatuur  T . Hierdie eksponensiële afhanklikheid van 'n reaksietempo van temperatuur staan ​​bekend as die Arrhenius-vergelyking . Die aktiveringsenergie wat nodig is vir 'n chemiese reaksie, kan in die vorm van termiese energie voorsien word.

Biologie

Basiese oorsig van energie en menselewe .

In die biologie is energie 'n kenmerk van alle biologiese stelsels vanaf die biosfeer tot die kleinste lewende organisme. Binne 'n organisme is dit verantwoordelik vir die groei en ontwikkeling van 'n biologiese sel of 'n organel van 'n biologiese organisme. Energie wat in respirasie gebruik word, word meestal in molekulêre suurstof opgeberg ^[5] en kan ontsluit word deur reaksies met molekules van stowwe soos koolhidrate (insluitend suikers), lipiede en proteïene wat deur selle gestoor word . In menslike terme dui die menslike ekwivalent (He) (Omskakeling van menslike energie), vir 'n gegewe hoeveelheid energieverbruik, die relatiewe hoeveelheid energie aan wat nodig is vir menslike metabolisme , met die veronderstelling dat die gemiddelde menslike energieverbruik van 12 500 kJ per dag en 'n basale metaboliese koers van 80 watt. Byvoorbeeld, as ons liggame (gemiddeld) teen 80 watt loop, dan loop 'n gloeilamp teen 100 watt teen 1,25 menslike ekwivalente (100 ÷ 80), dws 1,25 He. Vir 'n moeilike taak van slegs 'n paar sekondes kan iemand duisende watt uitsit, baie keer die 746 watt in een amptelike perdekrag. Vir take wat enkele minute duur, kan 'n geskikte mens miskien 1 000 watt opwek. Vir 'n aktiwiteit wat 'n uur lank moet duur, daal die produksie tot ongeveer 300; vir 'n aktiwiteit wat die hele dag gehou word, is 150 watt ongeveer die maksimum. ^[6] Die menslike ekwivalent help die begrip van energievloei in fisiese en biologiese stelsels deur energie-eenhede in menslike terme uit te druk: dit bied 'n "gevoel" vir die gebruik van 'n gegewe hoeveelheid energie. ^[7]

Sonlig se stralingsenergie word ook deur plante as chemiese potensiële energie in fotosintese vasgelê , wanneer koolstofdioksied en water (twee lae-energieverbindings) in koolhidrate, lipiede en proteïene en hoë-energieverbindings soos suurstof ^[5] en ATP omgeskakel word . Koolhidrate, lipiede en proteïene kan die energie van suurstof vrystel wat deur lewende organismes gebruik word as 'n elektronaanvaarder . Die vrystelling van die energie wat tydens fotosintese gestoor word as hitte of lig kan skielik veroorsaak word deur 'n vonk, in 'n bosbrand, of dit kan stadiger beskikbaar gestel word vir metabolisme van diere of mense, wanneer organiese molekules ingeneem word en katabolisme veroorsaak word deur ensiem aksie.

Enige lewende organisme maak staat op 'n eksterne bron van energie - stralingsenergie van die son in die geval van groen plante, chemiese energie in die een of ander vorm in die geval van diere - om te kan groei en voortplant. Die daaglikse 1500–2000  kalorieë (6-8 MJ) wat vir 'n menslike volwassene aanbeveel word, word geneem as 'n kombinasie van suurstof en voedselmolekules, waarvan laasgenoemde meestal koolhidrate en vette is, waarvan glukose (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) en stearien (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) is handige voorbeelde. Die voedselmolekules word geoksideer tot koolstofdioksied en water in die mitochondria

${\ displaystyle {\ ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$

${\ displaystyle {\ ce {C57H110O6 + 81.5O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$

en van die energie word gebruik om ADP in ATP om te skakel .

ADP + HPO ₄ ²⁻ → ATP + H ₂ O

Die res van die chemiese energie in O ₂ ^[8] en die koolhidraat of vet word in hitte omgeskakel: die ATP word gebruik as 'n soort 'energie-geldeenheid', en sommige van die chemiese energie wat dit bevat, word gebruik vir ander metabolisme wanneer ATP reageer met OH-groepe en verdeel uiteindelik in ADP en fosfaat (in elke stadium van 'n metaboliese baan word sommige chemiese energie in hitte omgeskakel). Slegs 'n klein fraksie van die oorspronklike chemiese energie word vir werk gebruik: ^{[opmerking 1]}

toename in kinetiese energie van 'n naelloper tydens 'n 100 m-wedloop: 4 kJ

toename in gravitasie potensiële energie van 'n gewig van 150 kg wat deur 2 meter opgehef word: 3 kJ

Daaglikse voedselinname van 'n normale volwassene: 6-8 MJ

Dit wil voorkom asof lewende organismes opvallend ondoeltreffend is (in die fisiese sin) in die gebruik van die energie wat hulle ontvang (chemiese of stralingsenergie), en dit is waar dat die meeste werklike masjiene hoër doeltreffendheid behaal. In groeiende organismes dien die energie wat na hitte omgeskakel word, 'n belangrike doel, aangesien dit die organismeweefsel baie geordend kan maak ten opsigte van die molekules waaruit dit gebou is. Die tweede wet van termodinamika sê dat energie (en materie) geneig is om eweredig oor die heelal versprei te word: om energie (of materie) op een spesifieke plek te konsentreer, is dit nodig om 'n groter hoeveelheid energie (as hitte) uit te sprei. dwarsoor die res van die heelal ("die omgewing"). ^{[noot 2]} Eenvoudiger organismes kan hoër energie-doeltreffendheid behaal as meer komplekse, maar die komplekse organismes kan ekologiese nisse beset wat nie vir hul eenvoudiger broers beskikbaar is nie. Die omskakeling van 'n gedeelte van die chemiese energie na hitte by elke stap in 'n metaboliese weg is die fisiese rede agter die piramide van biomassa wat in die ekologie waargeneem word : om net die eerste stap in die voedselketting te neem , van die geskatte 124,7 Pg / a van koolstof wat deur fotosintese vasgestel word , word 64.3 Pg / a (52%) gebruik vir die metabolisme van groen plante, ^[9] dws omskep in koolstofdioksied en hitte.

Aardwetenskappe

In die geologie , kontinentale wegdrywing , bergreekse , vulkane en aardbewings is verskynsels wat verklaar kan word aan die hand van energietransformasies in die aarde, ^[10] terwyl meteorologiese verskynsels soos wind, reën, hael , sneeu, weerlig, tornado's en orkane is alles die gevolg van energietransformasies wat deur sonkrag op die atmosfeer van die planeet Aarde ontstaan.

Sonlig kan gestoor word as potensiële swaartekrag-potensiële energie nadat dit die Aarde tref, aangesien water byvoorbeeld uit oseane verdamp en op berge neergesit word (waar dit, nadat dit by 'n hidro-elektriese dam vrygelaat is, gebruik kan word om turbines of kragopwekkers aan te dryf om te produseer. elektrisiteit). Sonlig dryf ook baie weerverskynsels voor, behalwe dié wat deur vulkaniese gebeure ontstaan. 'N Voorbeeld van 'n sonverwante weergebeurtenis is 'n orkaan wat voorkom wanneer groot onstabiele gebiede met warm oseaan, wat gedurende maande verhit word, van hul termiese energie skielik afstaan ​​om 'n paar dae van gewelddadige lugbeweging aan te dryf.

In 'n stadiger proses stel radioaktiewe verval van atome in die kern van die aarde hitte vry. Hierdie termiese energie dryf plaattektonika aan en kan berge oplig via orogenese . Hierdie stadige opheffing verteenwoordig 'n soort gravitasie-potensiële energie-opberging van die termiese energie, wat later na aktiewe kinetiese energie in grondverskuiwings vrygestel kan word, na 'n ontketende gebeurtenis. Aardbewings stel ook gestoorde elastiese potensiële energie in gesteentes vry, 'n stoor wat uiteindelik uit dieselfde radioaktiewe hittebronne vervaardig word. Volgens huidige begrip laat dus bekende gebeure soos grondverskuiwings en aardbewings energie vry wat gestoor is as potensiële energie in die Aarde se swaartekragveld of as elastiese spanning (meganiese potensiële energie) in gesteentes. Voor dit verteenwoordig hulle die vrystelling van energie wat in swaar atome gestoor is sedert die ineenstorting van lang vernietigde supernova-sterre wat hierdie atome geskep het.

Kosmologie

In die kosmologie en sterrekunde is die verskynsels van sterre , nova , supernova , kwasars en gammastraal-uitbarstings die heel grootste energietransformasies van die heelal. Alle sterverskynsels (insluitend sonaktiwiteit) word aangedryf deur verskillende soorte energietransformasies. Energie in sulke transformasies is óf deur swaartekrag van materie (gewoonlik molekulêre waterstof) in verskillende klasse astronomiese voorwerpe (sterre, swart gate, ens.), Of kernfusie (van ligter elemente, hoofsaaklik waterstof). Die kernversmelting van waterstof in die son stel ook 'n ander hoeveelheid potensiële energie vry wat tydens die oerknal geskep is . Op daardie stadium het die ruimte volgens die teorie uitgebrei en die heelal te vinnig afgekoel sodat waterstof heeltemal in swaarder elemente kon saamsmelt. Dit het beteken dat waterstof 'n opslag van potensiële energie verteenwoordig wat deur fusie vrygestel kan word. So 'n samesmeltingsproses word veroorsaak deur hitte en druk wat ontstaan ​​as gevolg van swaartekrag-ineenstorting van waterstofwolke wanneer hulle sterre produseer, en van die fusie-energie word dan in sonlig omskep.

Kwantummeganika

In die kwantummeganika word energie in terme van die energieoperateur gedefinieer as 'n tydsafgeleide van die golffunksie . Die Schrödinger-vergelyking stel die energie-operateur gelyk aan die volle energie van 'n deeltjie of 'n stelsel. Die resultate daarvan kan beskou word as 'n definisie van die meting van energie in die kwantummeganika. Die Schrödinger-vergelyking beskryf die ruimte- en tydafhanklikheid van 'n stadig veranderende (nie-relativistiese) golffunksie van kwantumsisteme. Die oplossing van hierdie vergelyking vir 'n gebonde stelsel is diskreet ('n stel toegelate toestande, elk gekenmerk deur 'n energievlak ) wat lei tot die konsep van kwantas . In die oplossing van die Schrödinger-vergelyking vir enige ossillator (vibrator) en vir elektromagnetiese golwe in 'n vakuum, hou die resulterende energietoestande verband met die frekwensie deur Planck se verhouding :${\ displaystyle E = h \ nu}$ (waar ${\ displaystyle h}$is Planck se konstante en${\ displaystyle \ nu}$die frekwensie). In die geval van 'n elektromagnetiese golf word hierdie energietoestande kwantas van lig of fotone genoem .

Relatiwiteit

By die berekening van kinetiese energie ( werk om 'n massiewe liggaam van nul spoed tot 'n eindige spoed te versnel) relativisties - met behulp van Lorentz-transformasies in plaas van Newtonse meganika - ontdek Einstein 'n onverwagte neweproduk van hierdie berekeninge as 'n energieterm wat nie op nul verdwyn nie. spoed. Hy noem dit rusenergie : energie wat elke massiewe liggaam moet besit, selfs wanneer hy in rus is. Die hoeveelheid energie is direk eweredig aan die liggaamsmassa:

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

waar

m is die massa van die liggaam,

c is die spoed van lig in vakuum,

${\ displaystyle E_ {0}}$ is die res energie.

Beskou byvoorbeeld elektron - positron- vernietiging, waarin die res-energie van hierdie twee individuele deeltjies (gelykstaande aan hul rusmassa ) word omgeskakel na die stralingsenergie van die fotone wat tydens die proses geproduseer word. In hierdie stelsel word die materie en antimaterie (elektrone en positrone) vernietig en verander na nie-materie (die fotone). Die totale massa en totale energie verander egter nie tydens hierdie interaksie nie. Die fotone het elk geen rusmassa nie, maar het tog stralingsenergie wat dieselfde traagheid vertoon as die twee oorspronklike deeltjies. Dit is 'n omkeerbare proses - die omgekeerde proses word pare skepping genoem - waarin die rusmassa van deeltjies geskep word uit die stralingsenergie van twee (of meer) vernietigende fotone.

In die algemene relatiwiteit dien die spanning-energie-tensor as die bronterm vir die swaartekragveld, in analogie met die manier waarop massa dien as die bronterm in die nie-relativistiese Newtonse benadering. ^[11]

Energie en massa is manifestasies van een en dieselfde onderliggende fisiese eienskap van 'n stelsel. Hierdie eienskap is verantwoordelik vir die traagheid en sterkte van gravitasie-interaksie van die stelsel ("mass manifestasies"), en is ook verantwoordelik vir die potensiële vermoë van die stelsel om werk of verwarming uit te voer ("energie manifestasies"), onderworpe aan die beperkings van ander fisiese wette.

In klassieke fisika is energie 'n skalêre hoeveelheid, die kanonieke vervoeg met tyd. In spesiale relatiwiteit is energie ook 'n skalaar (hoewel nie 'n Lorentz-skalaar nie, maar 'n tydkomponent van die energie-momentum 4-vektor ). ^[11] Met ander woorde, energie is onveranderlik ten opsigte van rotasies van die ruimte , maar nie onveranderlik ten opsigte van rotasies van die ruimtetyd nie (= boosts ).

'N Turbogenerator transformeer die energie van stoom onder druk in elektriese energie

Energie kan met verskillende doeltreffendhede tussen verskillende vorme getransformeer word . Items wat tussen hierdie vorms transformeer, word transducers genoem . Voorbeelde van omskakelaars is 'n battery, van chemiese energie tot elektriese energie ; 'n dam: gravitasie potensiële energie tot kinetiese energie van bewegende water (en die lemme van 'n turbine ) en uiteindelik tot elektriese energie deur 'n elektriese kragopwekker ; of 'n hitte-enjin , van hitte tot werk.

Voorbeelde van energietransformasie sluit in die opwekking van elektriese energie uit hitte-energie via 'n stoomturbine, of die opheffing van 'n voorwerp teen swaartekrag met behulp van elektriese energie wat 'n kraanmotor aandryf. Die opheffing teen swaartekrag verrig meganiese werk aan die voorwerp en stoor gravitasie-potensiële energie in die voorwerp. As die voorwerp op die grond val, doen swaartekrag meganiese werk op die voorwerp wat die potensiële energie in die gravitasieveld transformeer na die kinetiese energie wat vrygestel word as hitte tydens die impak op die grond. Ons son transformeer kernpotensiële energie na ander vorme van energie; die totale massa daarvan daal nie op sigself nie (aangesien dit steeds dieselfde totale energie bevat, al is dit ook in verskillende vorme), maar die massa daal wel as die energie na sy omgewing ontsnap, hoofsaaklik as stralingsenergie .

Daar is streng perke aan hoe doeltreffend hitte in 'n sikliese proses in werk omgeskakel kan word , byvoorbeeld in 'n hitte-enjin, soos beskryf deur Carnot se stelling en die tweede wet van termodinamika . Sommige energietransformasies kan egter redelik doeltreffend wees. Die rigting van transformasies in energie (watter soort energie word getransformeer na watter ander soort) word dikwels bepaal deur oorwegings van entropie (gelyke energie versprei onder alle beskikbare vryheidsgrade ). In die praktyk word alle energietransformasies op klein skaal toegelaat, maar sekere groter transformasies word nie toegelaat nie, want dit is statisties onwaarskynlik dat energie of materie lukraak na meer gekonsentreerde vorms of kleiner ruimtes sal beweeg.

Energietransformasies in die heelal met verloop van tyd word gekenmerk deur verskillende soorte potensiële energie wat beskikbaar was sedert die oerknal later 'vrygestel' is (getransformeer na meer aktiewe soorte energie soos kinetiese of stralingsenergie) wanneer 'n trigger meganisme beskikbaar is. Bekende voorbeelde van sulke prosesse sluit in kernverval, waarin energie vrygestel word wat oorspronklik in swaar isotope (soos uraan en torium ) "gestoor" is , deur nukleosintese , 'n proses wat uiteindelik die swaartekragpotensiële energie gebruik wat vrygestel word van die swaartekrag-ineenstorting van supernovas , om energie te stoor in die skepping van hierdie swaar elemente voordat dit in die sonnestelsel en die aarde opgeneem is. Hierdie energie word geaktiveer en vrygestel in kernsplitsingsbomme of in burgerlike kernkragopwekking. In die geval van 'n chemiese ontploffing word die chemiese potensiële energie in 'n baie kort tyd na kinetiese energie en termiese energie omgeskakel . Nog 'n voorbeeld is die van 'n slinger . Op sy hoogste punte is die kinetiese energie nul en die gravitasie potensiële energie is maksimum. Op die laagste punt is die kinetiese energie maksimum en is dit gelyk aan die afname in potensiële energie . As 'n mens (onrealisties) aanneem dat daar geen wrywing of ander verliese is nie, sal die omskakeling van energie tussen hierdie prosesse perfek wees, en sal die slinger vir altyd aanhou swaai.

Energie word ook van potensiële energie oorgedra (${\ displaystyle E_ {p}}$) na kinetiese energie (${\ displaystyle E_ {k}}$) en dan voortdurend terug na potensiële energie. Dit word energiebesparing genoem. In hierdie geslote stelsel kan energie nie geskep of vernietig word nie; daarom sal die aanvanklike energie en die finale energie gelyk wees aan mekaar. Dit kan getoon word deur die volgende:

${\ displaystyle E_ {pi} + E_ {ki} = E_ {pF} + E_ {kF}}$

( 4 )

Die vergelyking kan dan verder vereenvoudig word ${\ displaystyle E_ {p} = mgh}$ (massa keer versnelling as gevolg van swaartekrag keer die hoogte) en ${\ displaystyle E_ {k} = {\ frac {1} {2}} mv ^ {2}}$(halwe massa keer snelheid in kwadraat). Dan kan die totale hoeveelheid energie gevind word deur by te voeg${\ displaystyle E_ {p} + E_ {k} = E_ {total}}$.

Behoud van energie en massa in transformasie

Energie gee gewig aanleiding wanneer dit vasgevang word in 'n stelsel met geen momentum, waar dit geweeg kan word. Dit is ook gelykstaande aan massa, en hierdie massa word altyd daaraan geassosieer. Massa is ook gelykstaande aan 'n sekere hoeveelheid energie, en dit lyk eweneens altyd daaraan verbonde, soos beskryf in massa-energie-ekwivalensie . Die formule E  =  mc ², afgelei deur Albert Einstein (1905), kwantifiseer die verband tussen rusmassa en rusenergie binne die konsep van spesiale relatiwiteit. In verskillende teoretiese raamwerke is soortgelyke formules afgelei deur JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) en ander (sien Mass-energie-ekwivalensie # Geskiedenis vir verdere inligting).

'N Gedeelte van die rusenergie (gelykstaande aan rusmassa) van materie kan omgeskakel word na ander vorms van energie (wat steeds massa vertoon), maar nie energie of massa kan vernietig word nie; albei bly eerder konstant tydens enige proses. Maar sedert${\ displaystyle c ^ {2}}$ is baie groot in vergelyking met gewone menslike skale, die omskakeling van 'n alledaagse hoeveelheid rusmassa (byvoorbeeld 1 kg) van rusenergie na ander vorme van energie (soos kinetiese energie, termiese energie, of die stralingsenergie wat deur lig en ander bestraling) kan geweldige hoeveelhede energie vrystel (~${\ displaystyle 9 \ keer 10 ^ {16}}$joules = 21 megatons TNT), soos gesien kan word in kernreaktore en kernwapens. Omgekeerd is die massa-ekwivalent van 'n alledaagse hoeveelheid energie min, daarom is die verlies aan energie (massaverlies) van die meeste stelsels moeilik om op 'n weegskaal te meet, tensy die energieverlies baie groot is. Voorbeelde van groot transformasies tussen rusenergie (van materie) en ander vorms van energie (bv. Kinetiese energie in deeltjies met rusmassa) word in kernfisika en deeltjiefisika aangetref .

Omkeerbare en nie-omkeerbare transformasies

Termodinamika verdeel energietransformasie in twee soorte: omkeerbare prosesse en onomkeerbare prosesse . 'N Onomkeerbare proses is een waarin energie versprei (versprei) word in leë energietoestande wat beskikbaar is in 'n volume, waaruit dit nie in meer gekonsentreerde vorms (minder kwantumtoestande) herwin kan word nie, sonder dat nog meer energie agteruitgaan. 'N Omkeerbare proses is die proses waarin hierdie soort dissipasie nie plaasvind nie. Die omskakeling van energie van een soort potensiële veld na 'n ander is byvoorbeeld omkeerbaar, soos in die pendulumstelsel hierbo beskryf. In prosesse waar hitte opgewek word, dien kwantumtoestande van laer energie, wat as moontlike opwekking in velde tussen atome voorkom, as 'n reservoir vir 'n gedeelte van die energie, waaruit dit nie herwin kan word nie, om met 100% doeltreffendheid omgeskakel te word in ander vorms van energie. In hierdie geval moet die energie gedeeltelik as hitte bly, en kan dit nie heeltemal herwin word as bruikbare energie nie, behalwe teen die prys van 'n toename in 'n ander soort hitte-agtige toename in wanorde in kwantumtoestande, in die heelal (soos 'n uitbreiding van materie, of 'n randomisering in 'n kristal).

Namate die heelal mettertyd ontwikkel, word meer en meer van sy energie vasgevang in onomkeerbare toestande (dws as hitte of ander vorme van toename in wanorde). Dit word die onvermydelike termodinamiese hitte-dood van die heelal genoem . In hierdie hitte-dood verander die energie van die heelal nie, maar die fraksie energie wat beskikbaar is om deur 'n hitte-enjin te werk , of om te skakel na ander bruikbare vorme van energie (deur die gebruik van kragopwekkers wat aan hitte-enjins gekoppel is), groei al hoe minder.

Die feit dat energie nie geskep of vernietig kan word nie, word die wet van die behoud van energie genoem . In die vorm van die eerste wet van termodinamika , word dit gestel dat die energie van ' n geslote sisteem konstant is, tensy energie in of uit deur werk of hitte oorgedra word en dat geen energie verlore gaan tydens oordrag nie. Die totale invloei van energie na 'n stelsel moet gelyk wees aan die totale uitvloei van energie uit die stelsel, plus die verandering in die energie in die stelsel. Wanneer 'n mens die totale energie van 'n deeltjiesisteem meet (of bereken) waarvan die wisselwerking nie eksplisiet van tyd afhang nie, word gevind dat die totale energie van die stelsel altyd konstant bly. ^[12]

Terwyl hitte altyd ten volle in werk omgeskakel kan word in 'n omkeerbare isotermiese uitbreiding van 'n ideale gas, sê die tweede wet van termodinamika dat die stelsel wat werk doen, 'n bietjie energie verloor as vermorsingswarmte vir sikliese prosesse van praktiese belang in hitte-enjins . Dit skep 'n beperking op die hoeveelheid hitte-energie wat in 'n sikliese proses kan werk, 'n limiet wat die beskikbare energie genoem word . Meganiese en ander vorms van energie kan sonder sulke beperkings in die ander rigting in termiese energie getransformeer word . ^[13] Die totale energie van 'n stelsel kan bereken word deur alle vorme van energie in die stelsel bymekaar te tel.

Richard Feynman het tydens 'n lesing in 1961 gesê: ^[14]

Daar is 'n feit, of as u wil, 'n wet wat alle natuurverskynsels beheer wat tot dusver bekend is. Daar is geen bekende uitsondering op hierdie wet nie - dit is sover ons weet presies. Die wet word die behoud van energie genoem . Dit stel dat daar 'n sekere hoeveelheid is, wat ons energie noem, wat nie verander in veelvuldige veranderinge wat die natuur ondergaan nie. Dit is 'n mees abstrakte idee, want dit is 'n wiskundige beginsel; daar staan ​​dat daar 'n numeriese hoeveelheid is wat nie verander as iets gebeur nie. Dit is nie 'n beskrywing van 'n meganisme of iets konkreet nie; dit is net 'n vreemde feit dat ons die een of ander getal kan bereken en as ons klaar is met die kyk na die natuur deur haar truuks gaan en die nommer weer bereken, is dit dieselfde.

-  Die Feynman-lesings oor fisika

Die meeste soorte energie (met gravitasie-energie 'n noemenswaardige uitsondering) ^[15] is ook onderworpe aan streng plaaslike bewaringswette. In hierdie geval kan energie slegs tussen aangrensende streke van die ruimte uitgeruil word, en alle waarnemers stem saam oor die volumetriese digtheid van energie in enige gegewe ruimte. Daar is ook 'n wêreldwye wet van energiebesparing, wat verklaar dat die totale energie van die heelal nie kan verander nie; dit is 'n uitvloeisel van die plaaslike reg, maar nie andersom nie. ^{[13] [14]}

Hierdie wet is 'n fundamentele beginsel van fisika. Soos streng deur Noether se stelling aangetoon , is die behoud van energie 'n wiskundige gevolg van translasie-simmetrie van tyd, ^{[16] '} n eienskap van die meeste verskynsels onder die kosmiese skaal wat hulle onafhanklik maak van hul liggings op die tydskoördinaat. Anders gestel, gister, vandag en more is fisies ononderskeibaar. Dit is omdat energie die hoeveelheid is wat kanoniek verenigbaar is met tyd. Hierdie wiskundige verstrengeling van energie en tyd lei ook tot die onsekerheidsbeginsel - dit is onmoontlik om die presiese hoeveelheid energie gedurende 'n bepaalde tydsinterval te definieer. Die onsekerheidsbeginsel moet nie verwar word met energiebesparing nie; dit bied eerder wiskundige grense waarop energie in beginsel gedefinieer en gemeet kan word.

Elk van die basiese kragte van die natuur is wat verband hou met 'n ander soort potensiële energie, en alle vorme van potensiële energie (soos alle ander vorme van energie) verskyn as stelsel massa , wanneer teenwoordig. Byvoorbeeld, 'n saamgeperste veer sal effens massiewer wees as voordat dit saamgepers is. Net so, wanneer energie deur enige meganisme tussen stelsels oorgedra word, word 'n geassosieerde massa daarmee oorgedra.

In kwantummeganika word energie uitgedruk met die Hamilton- operateur . Die onsekerheid in die energie is op enige tydskaal

${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t \ geq {\ frac {\ hbar} {2}}}$

wat soortgelyk is aan die Heisenberg-onsekerheidsbeginsel (maar nie regtig wiskundig ekwivalent daaraan nie, aangesien H en t nie dinamies gekonjugeerde veranderlikes is nie, nie in die klassieke of in die kwantummeganika nie).

In die deeltjie-fisika maak hierdie ongelykheid 'n kwalitatiewe begrip moontlik van virtuele deeltjies wat momentum dra , uitruil waarmee en met werklike deeltjies verantwoordelik is vir die skepping van alle bekende fundamentele kragte (beter bekend as fundamentele interaksies ). Virtuele fotone is ook verantwoordelik vir elektrostatiese interaksie tussen elektriese ladings (wat lei tot die wet van Coulomb ), vir spontane verval van verlaatde atoom- en kerntoestande, vir die Casimir-krag , vir van der Waals-bindingsmagte en ander waarneembare verskynsels.

Geslote stelsels

Energie-oordrag kan oorweeg word vir die spesiale geval van stelsels wat gesluit is vir oordrag van materie. Die deel van die energie wat deur konserwatiewe kragte oor 'n afstand oorgedra word, word gemeet as die werk wat die bronsisteem aan die ontvangstelsel doen. Die gedeelte van die energie wat nie werk tydens die oordrag nie, word hitte genoem . ^{[noot 3]} Energie kan op verskillende maniere tussen stelsels oorgedra word. Voorbeelde hiervan is die oordrag van elektromagnetiese energie via fotone, fisiese botsings wat kinetiese energie oordra , ^{[opmerking 4]} en die geleidende oordrag van termiese energie .

Energie word streng bewaar en word ook plaaslik bewaar waar dit ook al gedefinieer kan word. In termodinamika, vir geslote stelsels, word die proses van energie-oordrag deur die eerste wet beskryf : ^{[noot 5]}

${\ displaystyle \ Delta {} E = W + Q}$

( 1 )

waar ${\ displaystyle E}$ is die hoeveelheid energie wat oorgedra word, ${\ displaystyle W}$  verteenwoordig die werk wat aan die stelsel gedoen is, en ${\ displaystyle V}$stel die hittevloei na die stelsel voor. As 'n vereenvoudiging, die hitte-term,${\ displaystyle V}$, word soms geïgnoreer, veral as die termiese doeltreffendheid van die oordrag hoog is.

${\ displaystyle \ Delta {} E = W}$

( 2 )

Hierdie vereenvoudigde vergelyking is byvoorbeeld die een wat gebruik word om die joule te definieer .

Oop stelsels

Buiten die beperkings van geslote stelsels, kan oop stelsels energie opdoen of verloor in verband met materie-oordrag (albei hierdie prosesse word geïllustreer deur 'n motor aan te vul, 'n stelsel wat sodoende energie inkry, sonder werk of hitte). Beteken hierdie energie deur${\ displaystyle E}$, kan 'n mens skryf

${\ displaystyle \ Delta {} E = W + Q + E.}$

( 3 )

Interne energie

Interne energie is die som van alle mikroskopiese vorms van energie van 'n stelsel. Dit is die energie wat nodig is om die stelsel te skep. Dit hou verband met die potensiële energie, bv. Molekulêre struktuur, kristalstruktuur en ander meetkundige aspekte, sowel as die beweging van die deeltjies, in die vorm van kinetiese energie. Termodinamika is veral gemoeid met veranderings in interne energie en nie die absolute waarde daarvan nie, wat onmoontlik is om met termodinamika alleen te bepaal. ^[17]

Eerste wet van termodinamika

Die eerste wet van termodinamika beweer dat energie (maar nie noodwendig termodinamiese vrye energie nie ) altyd behoue ​​bly ^[18] en dat hittevloei 'n vorm van energie-oordrag is. Vir homogene stelsels, met 'n goed gedefinieerde temperatuur en druk, is 'n algemene gebruik van die eerste wet dat vir 'n stelsel wat slegs onderhewig is aan drukkragte en hitte-oordrag (bv. 'N silinder vol gas) sonder chemiese veranderinge, differensiële verandering in die interne energie van die stelsel (met 'n toename in energie aangedui deur 'n positiewe hoeveelheid) word gegee as

${\ displaystyle \ mathrm {d} E = T \ mathrm {d} SP \ mathrm {d} V \,}$,

waar die eerste term aan die regterkant die hitte is wat na die stelsel oorgedra word, uitgedruk in terme van temperatuur T en entropie S (waarin entropie toeneem en die verandering d S positief is as die stelsel verhit word), en die laaste term aan die regterkant handkant word geïdentifiseer as werk wat op die stelsel gedoen is, waar druk P en volume V is (die negatiewe teken is die gevolg van die feit dat die stelsel saamgepers moet word, en dat die volume verander, d V , negatief is wanneer werk gedoen word op die stelsel).

Hierdie vergelyking is baie spesifiek en ignoreer alle chemiese, elektriese, kern- en gravitasiekragte, effekte soos die aanstuur van enige ander vorm van energie as hitte en pV-werk. Die algemene formulering van die eerste wet (dws die behoud van energie) is geldig selfs in situasies waarin die stelsel nie homogeen is nie. In hierdie gevalle word die verandering in interne energie van 'n geslote stelsel in 'n algemene vorm uitgedruk deur

${\ displaystyle \ mathrm {d} E = \ delta Q + \ delta W}$

waar ${\ displaystyle \ delta Q}$ is die hitte wat aan die stelsel verskaf word en ${\ displaystyle \ delta W}$ is die werk wat op die stelsel toegepas word.

Gelykverdeling van energie

Die energie van 'n meganiese harmoniese ossillator ('n massa op 'n veer) is alternatief kinetiese en potensiële energie . Op twee punte in die ossillasie siklus is dit heeltemal kinetiese en by twee punte dit is heeltemal potensiaal. Oor die hele siklus, of oor baie siklusse, word die netto energie dus ewe verdeel tussen kineties en potensiaal. Dit word ekwipartisie-beginsel genoem ; totale energie van 'n stelsel met baie vryheidsgrade word gelykop verdeel onder alle beskikbare vryheidsgrade.

Hierdie beginsel is baie belangrik vir die begrip van die gedrag van 'n hoeveelheid wat nou verwant is aan energie, genaamd entropie . Entropie is 'n maatstaf vir die egaligheid van die verspreiding van energie tussen dele van 'n stelsel. Wanneer 'n geïsoleerde stelsel meer grade van vryheid kry (dws gegewe nuwe beskikbare energietoestande wat dieselfde is as bestaande toestande), versprei totale energie eweredig oor alle beskikbare grade sonder onderskeid tussen 'nuwe' en 'ou' grade. Hierdie wiskundige resultaat word die tweede wet van termodinamika genoem . Die tweede wet van termodinamika is slegs geldig vir stelsels wat naby of in ewewig is . Vir stelsels wat nie in ewewig is nie, kan die wette oor die gedrag van die stelsel steeds bespreek word. Een van die leidende beginsels vir hierdie stelsels is die beginsel van maksimum entropieproduksie . ^{[19] [20]} Dit verklaar dat geen-ewewigstelsels so optree om die entropieproduksie te maksimeer. ^[21]

Tydskrifte

• The Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–

• Energie by Curlie
• Verskille tussen hitte en termiese energie - BioCab