Visninger
Køb Illustreret Videnskab Online
I fysik, energi (Fra Græsk ἐνέργεια - energeia, "Aktivitet, drift", fra ἐνεργός - energos, "Aktive, der arbejder"[1]) Er en mængde, der kan tildeles hver enkelt partikel, objekt og system af objekter som følge af den tilstand, at partikel, objekt eller et system af objekter. Forskellige former for energi omfatte kinetisk, potentielle, termisk, tyngdekraft, lyd, elastisk, lys, Og elektromagnetiske energi. De forskellige former for energi er ofte opkaldt efter en beslægtet kraft. Tysk fysiker Hermann von Helmholtz fastslået, at alle former for energi er ækvivalente - energi i en form kan forsvinde, men den samme mængde energi vil blive vist i en anden form.[2] Energi er omfattet af en bevaring lov. Energi er en skalar fysisk mængde. I International System of Units (SI), er energi målt i joule, Men på nogle områder andre enheder såsom kilowatt-timer og kilokalorier bruges også.
Enhver form for energi, kan omdannes ind i en anden form. Når energi i en anden form end varme, kan det være transformeret med god eller endda perfekt effektivitet, til enhver anden form for energi. Med termisk energi, er der imidlertid ofte grænser for effektiviteten af den omstilling til andre energiformer, som følge af anden lov om termodynamik. Som et eksempel, da olie er reageret med ilt, er potentielle energi frigives, da nye kemiske bindinger dannes i de produkter, som er mere magtfulde end i olie og ilt. De frigivne energi som følge af denne proces kan omdannes direkte til elektricitet (som i en brændselscelle) med god effektivitet. Skiftevis det kan omdannes til termisk energi, hvis olien er simpelthen brændt for at opvarme røggas til en vis temperatur. I sidstnævnte tilfælde kan der dog nogle af de termiske energi ikke længere bruges til at udføre arbejde på denne temperatur, og siges at være "nedbrudt". Som sådan, den findes i en form, tilgængeligt for yderligere transformation. Den resterende del af varmen kan anvendes til at fremstille andre typer af energi, som elektricitet.
I alle sådanne energi transformation processer, det samlede energiforbrug er det samme. Energi kan ikke skabes eller destrueres. Dette princip, at energibesparelser, Blev først postuleret i begyndelsen af det 19. århundrede, og gælder for alle isoleret system. Ifølge Noether's sætning, Bevarelse af energi er en konsekvens af det faktum, at fysikkens love ikke ændre sig over tid.[3]
Selv om det samlede energiforbrug i et system ikke ændre sig med tiden, kan dens værdi afhænger af referenceramme. For eksempel har en siddende passager i en glidende flyvemaskine nul kinetisk energi i forhold til fly, men ikke-nul kinetisk energi (og højere samlede energiforbrug) i forhold til jorden.
Indholdsfortegnelse |
Historie
Ordet energi stammer fra Græsk ἐνέργεια (energeia), Som vises for første gang i arbejdet Nicomachean Etik[4] af Aristoteles i det 4. århundrede f.Kr.. I 1021 e.Kr. Arabian fysiker, Alhazen, I Bog Optics, Der blev afholdt lys stråler, der skal strømme af minutter energi partikler, At "den mindste dele af lys" bevare "kun egenskaber, der kan behandles med geometri og kontrolleret af eksperiment"Og" de mangler alle fornuftige kvaliteter undtagen energi. "[5] I 1121, Al-Khazini, I Bog af Balance of Wisdom, Foreslået, at gravitationel potentiel energi af et organ, varierer afhængigt af dets afstand fra Jordens centrum.[6]
Den begreb af energi opstået ud af ideen om vis viva, Som Leibniz defineret som produktet af massen af et objekt og dets hastighed kvadreret, han troede, at alt over viva var bevaret. For at tage hensyn for en opbremsning på grund af friktion, Leibniz teoretiserede at varme bestod af tilfældige bevægelse af hoveddelene af stof, et synspunkt deles af Isaac Newton, Selv om det ville være mere end et århundrede, indtil dette generelt blev accepteret. I 1807, Thomas Young var den første til at bruge udtrykket "energi" i stedet for vis viva, I sin moderne forstand.[7] Gustave-Gaspard Coriolis beskrevet "kinetisk energi"I 1829 i sin moderne forstand, og i 1853, William Rankine opfandt begrebet "potentiel energi. "Det blev hævdet i nogle år, om energi var et stof (det kaloriefattige) Eller blot en fysisk størrelse, såsom momentum.
William Thomson (Lord Kelvin) Sammenlagte alle disse love i love termodynamik, Som støttede i den hurtige udvikling af forklaringer af kemiske processer ved hjælp af begrebet energi ved Rudolf Clausius, Josiah Willard Gibbs, Og Walther Nernst. Det førte også til en matematisk formulering af begrebet entropi ved Clausius og indførelsen af love strålingsenergi af Jozef Stefan.
Under 1961, forelæsning[8] for studerende på California Institute of Technology, Richard Feynman, En berømt fysik lærer og Nobel Laureate, Sagde dette om konceptet energi:
Der er en kendsgerning, eller hvis du ønsker det, en lov, der gælder for fysiske fænomener, som er kendt til dato. Der er ingen kendte undtagelse fra denne ret, men præcis, så vidt vi ved. Den lov, kaldes energibesparelser; Det hedder, at der er en vis mængde, som vi kalder energi, det ændrer ikke på mange ændringer, som naturen gennemgår. Det er en meget abstrakt idé, fordi det er en matematisk princip, og det siger, at der er en numerisk størrelse, som ikke ændrer sig, når der sker noget. Det er ikke en beskrivelse af en mekanisme, eller noget konkret, det er bare en mærkelig kendsgerning, at vi kan beregne nogle tal, og når vi er færdig med at se naturen gå gennem hendes tricks og beregne antallet igen, det er det samme. —The Feynman Forelæsninger om Fysik[8]
Siden 1918 har det været kendt, at loven om energibesparelser er den direkte matematiske følge af translationel symmetri af den mængde konjugat til energi, nemlig tid. Det vil sige, energi er bevaret, fordi fysikkens love ikke skelner mellem forskellige øjeblikke af tid (se Noether's sætning).
Energi i forskellige sammenhænge siden begyndelsen af universet
Begrebet energi og dens transformationer er nyttigt at forklare og forudsige mest naturlige fænomener. Den retning af transformationer i energi (hvilken slags energi omdannes til, hvad andre naturalier) beskrives ofte ved entropi (Samme energiindhold spredt blandt alle tilgængelige frihedsgrader) Overvejelser, som i praksis al energi transformationer er tilladt på en lille skala, men visse større forandringer er ikke tilladt, fordi det er statistisk usandsynligt, at energi eller spørgsmål tilfældigt vil bevæge sig ind i mere koncentreret form eller mindre rum.
Den begreb af energi er udbredt i alle videnskaber.
- I biologi, Energi er en egenskab ved alle biologiske systemer fra biosfæren til mindste levende organisme. Inden for en organisme den er ansvarlig for vækst og udvikling af et biologisk celle eller en organelle af en biologisk organisme. Energi er således ofte siges at være opbevaret af celler i de strukturer af molekyler af stoffer såsom kulhydrater (Herunder sukker), lipider, Og proteiner, Hvilket frigive energi, når reageret med ilt i respiration. I humane vilkår, de menneskelige tilsvarende (Han) (Human energi konvertering) angiver for en given mængde energi udgifter, den relative mængde af energi der bruges til menneskeføde stofskifteUnder forudsætning af en gennemsnitlig menneskelig energi udgifter på 12.500 kJ per dag og en basal stofskiftet på 80 watt. For eksempel, 100 ÷ 80, hvis vores krop kører (i gennemsnit) på 80 watt, så en pære kører på 100 watt kører på 1,25 menneskelige ækvivalenter () dvs. 1,25 He. For en vanskelig opgave på kun et par sekunder varighed, kan en person, der udbydes i tusindvis af watt, mange gange 746 watt i ét af de officielle hestekraft. For opgaver på et par minutter, en fit menneske kan generere måske 1.000 watt. For en virksomhed, der skal opretholdes for en time, omkring 300 output falder til, for en aktivitet, der holdes op hele dagen, 150 watt er ca maksimum.[9] Den menneskelige tilsvarende hjælper forståelsen af energistrømmene i fysiske og biologiske systemer ved at udtrykke energi enheder i menneskeligt: den giver en "feel" for brug af en given mængde energi[10]
- I geologi, kontinentaldrift, bjergkæder, vulkaner, Og jordskælv er fænomener, der kan forklares i form af energi omdannelser i jordens indre.[11], Mens meteorologiske fænomener som blæst, regn, hagl, sne, lynnedslag, tornadoer og orkanerEr alle et resultat af energi transformationer som følge af solenergi om atmosfære af planeten Jorden.
- I kosmologi og astronomi fænomenerne stjerner, nova, supernova, kvasarer og gamma glimt er universets højeste output energi transformationer af spørgsmål. Alle stjernernes fænomener (herunder solaktiviteten) er drevet af forskellige former for energi transformationer. Energi i sådanne transformationer er enten fra gravitationel kollaps af stof (normalt molekylær brint) i forskellige klasser af astronomiske objekter (stjerner, sorte huller, osv.), eller fra nuklear fusion (af lettere grundstoffer, primært brint).
Energi forandringer i universet over tid er karakteriseret ved forskellige former for potentiel energi, som har været tilgængelig siden Big Bang, Senere blev "frigivet" (omdannet til mere aktive former for energi såsom kinetisk eller strålingsenergi), når en udløsende mekanisme er tilgængelig.
Velkendte eksempler på sådanne processer kan nævnes nukleare henfald, hvor energi er frigivet, der oprindeligt blev "gemt" i den tunge isotoper (såsom uran og thorium), Ved nukleosynteseEn proces i sidste ende ved hjælp af tyngdekraften potentielle energi frigives fra gravitationel kollaps supernovaer, at lagre energi i oprettelsen af disse tunge elementer, før de blev indarbejdet i solsystemet og Jorden. Denne energi udløses og udgivet i nukleare fission bomber. I en langsommere proces, fra nukleare henfald af disse atomer i Jordens kerne varme afgiver varme, som igen kan løfte bjerge, via orogenesis. Denne langsomme løft udgør en slags tyngdekraft potentielle energi lagring af varmeenergien, som kan frigives til aktiv kinetiske energi i jordskred, efter en udløsende begivenhed. Jordskælv også frigive lagret elastisk potentiel energi i klipperne, en butik, der er produceret i sidste ende fra de samme radioaktive varmekilder. Således ifølge nuværende forståelse, velkendte begivenheder såsom jordskred og jordskælv frigive den energi, der er blevet gemt som potentiel energi i Jordens tyngdefelt eller elastiske stamme (mekanisk potentiel energi) i sten, og forud for dette, udgør energi, har været opbevaret i tunge atomer siden sammenbruddet i lang ødelagt stjerner skabt disse atomer.
I en anden lignende kæde af forandringer begynder ved indgangen til det univers, kernefusion af hydrogen i Sun udgiver en anden butik i potentiel energi, som blev oprettet på det tidspunkt, hvor Big Bang. På det tidspunkt, ifølge teorien rummet udvidet og universet afkølet for hurtigt til hydrogen helt smelter sammen i tungere grundstoffer. Dette betød, at brint udgør et lager af potentiel energi, som kan frigives ved fusion. En sådan fusion proces udløses af varme og tryk, der opstår fra gravitationel kollaps af brint skyer, når de producerer stjerner, og nogle af de fusionsenergi er så omdannet til sollys. Sådanne sollys fra vores søn igen kan lagres som tyngdekraften potentielle energi, efter at det rammer Jorden, som (for eksempel) vand fordamper fra havene og udfældes på bjerge (hvor efter at være frigivet på et vandkraftværk dæmningen, kan det bruges til at drive vindmøller eller generatorer til at producere elektricitet). Sollys også drev mange vejrfænomener, bortset fra dem der genereres af vulkansk begivenheder. Et eksempel på en sol-medierede vejrforhold er en orkan, der opstår, når store ustabile områder af varme hav, opvarmet over måneder, opgiver nogle af deres varmeenergi pludselig til magten for et par dage af voldelige luftbevægelse. Sollys er også fanget af planter som kemisk potential energi i fotosyntese, Når kuldioxid og vand (to lav-energi forbindelser) omregnes til højenergi forbindelser kulhydrater, lipider og proteiner. Planter også frigive ilt ved fotosyntesen, som anvendes af levende organismer som en elektron acceptor. At frigive den energi af kulhydrater, lipider og proteiner. Frigivelse af den oplagrede energi gennem fotosyntese som varme og lys kan blive udløst pludseligt af en gnist i en skovbrand, eller det kan stilles til rådighed langsommere for menneskers eller dyrs stofskifte, når disse molekyler er indtaget, og katabolisme er udløst af enzym handling. Gennem alle disse transformation kæder, potentielle oplagret energi på tidspunktet for Big Bang er senere udgivet af mellemliggende reaktioner, som undertiden bliver gemt i en række forskellige måder over tid mellem udgivelser, som mere aktiv energi. I alle disse begivenheder, er en slags energi, der omdannes til andre former for energi, herunder varme.
Hvad angår anvendelse af begrebet energi
Energi er underlagt en streng globale bevarelses lov, Det er, når en foranstaltninger (eller beregner) den samlede energi af et system af partikler, hvis vekselvirkninger afhænger ikke eksplicit til tiden, er det konstateret,, at den samlede energi af systemet altid er konstant.[12]
- Den samlede energi i en system kan opdeles og klassificeres på forskellige måder. For eksempel er det sommetider praktisk at skelne mellem potentiel energi (Som er en funktion af koordinater kun) fra kinetisk energi (Som er en funktion af koordinere tid derivater alene). Det kan også være praktisk at skelne mellem gravitationel energi, elektrisk energi, termisk energi, og andre former. Disse klassifikationer overlapper hinanden for eksempel som regel termisk energi består dels af kinetisk og dels af potentielle energi.
- Den overførsel af energi kan antage forskellige former; kender eksempler kan nævnes arbejde, varme flow, og advektion, som diskuteret nedenfor.
- Ordet "energi" bruges også uden for fysik på mange måder, hvilket kan føre til uklarhed og inkonsekvens. Den vernacular terminologi er ikke i overensstemmelse med teknisk terminologi. For eksempel, mens energi altid er bevaret (i den forstand, at den samlede energi ikke ændres på trods af energi transformationer) kan energi være omdannet til en form, f.eks termisk energi, som ikke kan udnyttes til at udføre arbejdet. Når man taler om "energibesparelse ved at køre mindre," man taler om bevarelse af fossile brændstoffer og forebyggelse nyttig energi går tabt som varme. Denne brug af "bevare" adskiller sig fra de lov om bevarelse af energi.[13]
I klassisk fysik energi betragtes som en skalar mængde, kanoniske konjugat til tid. I specielle relativitetsteori energi er også en skalar (dog ikke en Lorentz skalar men en gang del af energi-momentum 4-vektor).[14] Med andre ord er energi invariant i forhold til rotationer af plads, Men ikke invariant med hensyn til rotationer af rum og tid (= øger).
