Термин «энергия» был введен в 1807 г. английским ученым Т. Юнгом. В переводе с греческого это слово означает «действие, деятельность».
Современная наука немыслима без этого понятия. Оно присутствует во всех разделах физики. Это и электрическая энергия, магнитная энергия, атомная энергия и т. д.
Энергия, изучаемая в механике, называется механической. Именно с нее мы и начнем знакомство с этим важнейшим понятием.
Механическая энергия обозначается буквой Е и измеряется в тех же единицах, что и работа, т. е. в джоулях (Дж).
Поскольку в механике изучают движение тел и их взаимодействие друг с другом, то принято различать два вида механической энергии - энергию, обусловленную движением тел, и энергию, обусловленную их взаимодействием. Первая из них обозначается E к и называется кинетической энергией
, вторая обозначается E п и называется потенциальной энергией
.
Для расчета и той и другой энергии существует общее правило. Чтобы определить энергию, которой обладает тело, надо найти работу, необходимую для перевода этого тела из нулевого состояния в данное (нулевое состояние - это то, в котором соответствующая энергия тела считается равной нулю). Чем больше эта работа, тем большей энергией обладает тело в данном состоянии.
Воспользуемся этим правилом для расчета каждой из энергий.
1. . Найдем кинетическую энергию тела массой т, движущегося со скоростью, равной и. Кинетическая энергия - это энергия, обусловленная движением. Поэтому нулевым состоянием для нее является то, в котором тело покоится. Найдя работу, необходимую для сообщения телу данной скорости, мы найдем и его кинетическую энергию.
Воспользовавшись определением работы (A = Fs), вторым законом Ньютона (F = ma), а также формулами (2.1) и (4.2), получаем (рис. 25)
Последнее из написанных здесь выражений и является кинетической энергий тела:
Итак, кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости
.
2. . Найдем потенциальную энергию тела, взаимодействующего с Землей. Нулевым будем считать положение тела на поверхности Земли. Тогда потенциальная энергия тела, находящегося на некоторой высоте h, будет равна работе, необходимой для перемещения этого тела с поверхности Земли на заданную высоту. При равномерном подъеме, когда прикладываемая к телу сила совпадает по величине с силой тяжести (рис. 26), эта работа может быть найдена следующим образом:
A = Fs = F т h = mgh.
Это и есть потенциальная энергия тела на высоте h:
E п = mgh. (14.2)
Итак, потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей, равна произведению массы этого тела, ускорению свободного падения и высоты, на которой находится тело
.
За нулевое положение тела при расчете его потенциальной энергии необязательно выбирать то, которое расположено на поверхности Земли. Это может быть и уровень пола в помещении, и поверхность стола и т. д. Нулевое положение, от которого отсчитывается высота тела h, выбирают произвольно, руководствуясь обычно лишь соображениями удобства и простоты.
По формуле (14.2) находится потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей. Потенциальная энергия других взаимодействий находится по другим формулам.
От энергии, которой обладает тело, зависит работа, которую оно может совершить. Чем больше энергия тела, тем большая работа будет совершена при переходе тела из данного состояния в нулевое . Проиллюстрируем это простыми опытами.
Возьмем составной желоб, имеющий наклонную и горизонтальную части, и поместим на его сгибе алюминиевый цилиндр (рис. 27). Пуская по наклонной части желоба шарики разной массы с одинаковой высоты и шарики одинаковой массы с разных высот, можно заметить, что, чем большей потенциальной энергией наверху желоба и кинетической энергией внизу обладал шарик, тем на большее расстояние он передвинет металлический цилиндр.
1. Чем обусловлена кинетическая энергия? 2. Чему равна кинетическая энергия тела? 3. Чем обусловлена потенциальная энергия? 4. Чему равна потенциальная энергия тела, взаимодействующего с Землей? 5. Как называется единица энергии? 6. В каком случае кинетическая энергия тела равна нулю? 7. Какой энергией - кинетической, потенциальной или обеими вместе - обладает летящий в небе самолет? 8. Какой энергией обладает вода, удерживаемая плотиной, и какой энергией обладает вода, падающая с плотины? 9. Как изменяются потенциальная и кинетическая энергии мяча, брошенного вертикально вверх, в процессе его полета?
Лекция 2. Виды энергии. Получение, преобразование и использование энергии
ТЕМА 2. ВИДЫ ЭНЕРГИИ. ПОЛУЧЕНИЕ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
Основные понятия:
энергия; кинетическая и потенциальная энергия; виды энергии; энергетика; энергосистема; электроэнергетическая система; потребители энергии; традиционная и нетрадиционная энергетика; графики нагрузки; энергопотребление на душу населения; энергоемкость экономики; показатель энергоэкономического уровня производства .
Энергия – всеобщая основа природных явлений, базис культуры и всей деятельности человека. В то же время под энергией (греческое – действие, деятельность ) понимается количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться одна в другую .
Согласно представлениям физической науки, энергия – это способность тела или системы тел совершать работу. Существуют различные классификации видов и форм энергии. Человек в своей повседневной жизни наиболее часто встречается со следующими видами энергии: механическая, электрическая, электромагнитная, тепловая, химическая, атомная (внутриядерная). Последние три вида относятся к внутренней форме энергии, т.е. обусловлены потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих тело, или кинетической энергией их беспорядочного движения.
Если энергия – результат изменения состояния движения материальных точек или тел, то она называется кинетической ; к ней относят механическую энергию движения тел, тепловую энергию, обусловленную движением молекул.
Если энергия – результат изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к другим телам, то она называется потенциальной ; к ней относят энергию масс, притягивающихся по закону всемирного тяготения, энергию положения однородных частиц, например, энергию упругого деформированного тела, химическую энергию.
Энергию в естествознании в зависимости от природы делят на следующие виды.
Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.
К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.
Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.
Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).
Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).
Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).
Химическая энергия – это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.
Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии характеризуются высоким КПД (до 98%), но низкой емкостью.
Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» ее весьма неохотно. Однако электрический ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.
Электрическая и магнитная энергии тесно взаимосвязаны друг с другом, каждую из них можно рассматривать как «оборотную» сторону другой.
Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.
Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.
Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или синтезе легких ядер (термоядерная реакция).
Бытует и старое название данного вида энергии – атомная энергия, однако это название неточно отображает сущность явлений, приводящих к высвобождению колоссальных количеств энергии, чаще всего в виде тепловой и механической.
Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на определенную высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.
Таким образом, в зависимости от уровня проявления, можно выделить энергию макромира – гравитационную, энергию взаимодействия тел – механическую, энергию молекулярных взаимодействий – тепловую, энергию атомных взаимодействий – химическую, энергию излучения – электромагнитную, энергию, заключенную в ядрах атомов – ядерную.
Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.
В Международной системе единиц СИ в качестве единицы измерения энергии принят 1 Джоуль (Дж). 1 Дж эквивалентен
1 ньютон метр (Нм). Если расчеты связаны с теплотой, биологической и многими другими видами энергии, то в качестве единицы энергии применяется внесистемная единица - калория (кал) или килокалория (ккал), 1кал=4,18 Дж. Для измерения электрической энергии пользуются такой единицей, как Ватт·час (Вт·ч, кВт·ч, МВт·ч), 1 Вт·ч=3,6 МДж. Для измерения механической энергии используют величину 1 кг·м=9,8 Дж.
Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), и которая может быть преобразована в электрическую, тепловую, механическую, химическую называется первичной . В соответствии с классификацией энергоресурсов по признаку исчерпаемости можно классифицировать и первичную энергию. На рис. 2.1 представлена схема классификации первичной энергии.
Рис. 2.1. Классификация первичной энергии
При классификации первичной энергии выделяют традиционные и нетрадиционные виды энергии. К традиционным относятся такие виды энергии, которые на протяжении многих лет широко использовались человеком. К нетрадиционным видам энергии относят такие виды, которые начали использоваться сравнительно недавно.
К традиционным видам первичной энергии относят: органическое топливо (уголь, нефть и т.д.), гидроэнергию рек и ядерное топливо (уран, торий и др.).
Энергия, получаемая человеком, после преобразования первичной энергии на специальных установках - станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.).
Преимущества электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.
Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет
(рис. 2.2).
Электрическая энергия – более универсальный вид энергии. Она нашла широкое применение в быту и во всех отраслях народного хозяйства. Насчитывается свыше четырехсот наименований электробытовых приборов: холодильники, стиральные машины, кондиционеры, вентиляторы, телевизоры, магнитофоны, осветительные приборы и т.д. Нельзя представить промышленность без электрической энергии. В сельском хозяйстве применение электричества непрерывно расширяется: кормление и поение животных, уход за ними, отопление и вентиляция, инкубаторы, калориферы, сушилки и т.д.
Электрификация – основа технического прогресса любой отрасли народного хозяйства. Она позволяет заменить неудобные для использования энергетические ресурсы универсальным видом энергии – электрической энергией, которую можно передавать на любое расстояние, превращать в другие виды энергии, например, в механическую или тепловую, делить ее между потребителями. Электричество – очень удобный для применения и экономичный вид энергии.
Рис. 2.2. Динамика потребления электрической энергии
Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые делают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в повседневной жизни человека:
1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.
2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.
3. В процессе производства и передачи электрической энергии, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любое количество электрической энергии от электростанции, где она вырабатывается, всем ее потребителям.
Понятие энергии настолько вошло в наш обыденный лексикон, что мы, не задумываясь, применяем этот термин по поводу и без повода. Нам кажется, что это существует в реальности как отдельная вещь или субстанция, как например, воздух или вода. В обыденной жизни часто жалуемся на то, что не хватает энергии, чтобы поднять что-либо или копать землю в саду, или если в доме нет света, говорим, что нет электрической энергии. Наши машины используют силу давления сгорающей углеводородной смеси в двигателях внутреннего сгорания или напора струи высокоскоростного истечения газа в реактивных двигателях. Для кипячения воды на газовой плите применяем тепловую энергию, выделяющуюся при химических реакциях горения. Также часто используем термины атомная энергия, ветровая энергия, энергия падающей воды и др. В различных областях науки в зависимости от области исследования применяются термины: гравитационная энергия, внутренняя энергия, химическая энергия, биоэнергия и т.д.
Энергия (от греч. energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и мера перехода движения материи из одних форм в другие (взаимодействия всех видов материи).
Не следует понимать движение примитивно. Движение – это изменение во времени состояния того, о движении чего идет речь: увядание цветка, капание капли и изменение всего остального во Вселенной.
Энергия является мерой способности физической системы совершить работу, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.
С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой интеграл движения (то есть сохраняющуюся при движении величину), связанный, согласно теореме Нетер, с однородностью времени. Таким образом, введение понятия энергии как физической величины целесообразно только в том случае, если рассматриваемая физическая система однородна во времени.
Сам термин «энергия» появился лишь в начале XIX века и был введен в механику английским физиком Т.Юнгом, под которой он понимал величину пропорциональную механической работе . Чуть позже его соотечественник Д.Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Также Джоуль обнаружил, что связи, между выделением или поглощением тепла, в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а также биологическими объектами, носят характер «превращения». Он же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии эта величина стала известна как «энергия». А немецкий ученый Г.Гельмгольц сформулировал это как закона сохранения энергии. В этом также большую роль сыграли работы его соотечественника Ю.Майера.
Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей, и стала популярной благодаря закону сохранения энергии, согласно которому она не возникает из ничего и не уничтожается . Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов, и не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать эти факты каждый по отдельности.
Различают следующие виды энергии :
- потенциальная энергия (или, в более общем случае, энергия взаимодействия тел или их частей между собой или с внешними полями)
- кинетическая энергия (энергия движения)
- энергия диссипации
Энергия диссипации (лат. dissipatio, рассеяние) – переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т.п.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счете – в теплоту. Системы, в которых энергия упорядоченного движения с течением времени убывает за счет диссипации, переходя в другие виды энергии, например в теплоту или излучение, называются диссипативными. Для учета процессов диссипации энергии в таких системах при определенных условиях может быть введена диссипативная функция. Если диссипация энергии происходит в замкнутой системе, то энтропия системы возрастает. Диссипация энергии в открытых системах, обусловленная процессами уноса энергии из системы, например в виде излучения, может приводить к уменьшению энтропии рассматриваемой системы при увеличении полной энергии системы и окружающей среды. Это, в частности, обеспечивает важную роль процессов диссипации энергии в уменьшении удельной энтропии вещества на стадиях образования галактик и звезд в модели горячей Вселенной.
Отметим также, что энергия диссипации связана не просто с энергетическим противодействием, а с качественным изменением энергии. К слову, применяемый иногда термин «диссипативные потери энергии» некорректен, ибо энергия теряться не может. Точнее было бы сказать о диссипативных потерях энергии упорядоченных форм движения. Вместо термина «энергия диссипации» (в переводе на русский язык – энергия рассеяния) в некоторых научных работах применяют термин «энергия деградации» (в переводе на русский язык – энергия вырождения). Но и это не точно, вырождается не энергия, а способность системы производить механическую работу.
К числу противодействий системы внешнему энергетическому воздействию следует добавить возможное противодействие физического поля, связанное с перемещением системы в этом поле или с ее возможным поворотом относительно силовых линий поля. Это противодействие является удельным изменением еще одного вида энергии, называемого в физике потенциальной энергией в физическом поле или сокращенно потенциальной энергией положения.
Поскольку определяющее уравнение для расчета потенциальной энергии положения иное, чем для расчета потенциальной энергии, связанной с противодействием жесткости, то речь идет о двух разных видах энергии. Поэтому вид энергии, связанный с противодействием жесткости, будем называть потенциальной энергией деформации. Этот вид потенциальной энергии, в отличие от предыдущего, связан с внутренним силовым полем (полем упругих сил).
Полная энергия системы является суммой внешней и внутренней энергии системы. Внешняя энергия системы состоит из кинетической и потенциальной энергий системы как целого. Внутренняя энергия системы – это энергия системы, зависящая только от ее внутреннего состояния и не включающая в себя виды энергии системы как целого.
В соответствии с различными формами движения материи, следует рассматривать и различные формы энергии :
- механическую
- гидравлическую
- тепловую
- электромагнитную
- ядерную и т.д.
Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий).
Термодинамика рассматривает внутреннюю энергию и иные термодинамические потенциалы.
В химии рассматриваются такие величины как энергия связи и энтальпия, имеющие размерность энергии, отнесенной к количеству вещества (химический потенциал).
Механическая энергия характеризует способность тела совершать работу, характеризует движение и взаимодействие тел, является физической величиной определяемая состоянием системы тел – взаимным расположением и их скоростями. Находясь в том или ином механическом состоянии, система тел обладает определенной энергией, вследствие взаимодействия тел с другими телами и взаимодействием их частей, либо своего движения. Изменение энергии при переходе из одного состояния в другое равна работе внешних сил. Полная механическая энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергий.
Кинетической энергией называют энергию, которой тело обладает вследствие своего движения. Она равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
Кинетической энергией обладают все движущиеся тела. Например, текущая вода, ветер, вращающееся колесо, движущийся электрон и т.д.
Физический смысл кинетической энергии заключается в том, что эта энергия равна работе, которую надо совершить.
Потенциальной энергией называют энергию, которая определяет взаимным расположением тел или частей одного тела. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел. Такой энергией обладают, например, поднятый камень на какую-нибудь высоту над Землей, сжатая или растянутая пружина и др.
Взаимодействующие тела могут обладать одновременно и кинетической и потенциальной энергией, то есть полной энергией.
Летящий мяч, например, обладает и кинетической и потенциальной энергией, так как кроме движения вперед он взаимодействует с Землей силой всемирного тяготения. В момент удара о Землю механическая энергия мяча частично переходит во внутреннюю энергию и т.д.
Если от механики перейти к термодинамике, то здесь рассматривается, в основном, внутренняя энергия системы.
Отдел физической науки – термодинамика – рассматривает все явления с точки зрения взаимообмена и преобразования энергии. Совокупность физических тел, которые взаимодействуют между собой и внешней средой, обмениваясь с ними энергией и веществом, является термодинамической системой. Правда, термодинамика, для облегчения изучения, рассматривает изолированные системы, которые не взаимодействуют с окружающей средой. То есть извне не поступает ни энергии, ни вещества, также энергия и вещества самой системы не передаются наружу.
Но в отличие от такой идеализированной системы, реальные системы, в той или иной мере, обмениваются с окружающей средой и энергией и веществом, и поэтому можно сказать, что в природе не существуют совершенно закрытых систем. Тем не менее, некоторые закономерности идеализированной системы вполне применимы и к реальным системам. Одна из таких закономерностей - это тепловое равновесие. Если долгое время внешние условия остаются неизменными, то любая термодинамическая система рано или поздно самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.
При тепловом равновесии все макроскопические параметры системы могут оставаться сколь угодно долго неизменными. В таком состоянии не происходит теплообмен с окружающей средой, не изменяется объем, и давление газа, отсутствуют взаимное превращение жидкостей, газов и твердых тел и т.д. При этом микроскопические процессы внутри тела (движение и взаимодействия частиц) не прекращаются. Между частицами тела (системы) происходит обмен энергией: частицы с большой энергией передают энергию частицам с меньшей энергией. Идет внутреннее выравнивание температур.
Стоит только измениться внешним условиям, так сразу нарушается равновесие системы, и начинается движение, пока система опять не адаптируется к новым условиям. Поэтому можно сказать, что у системы может быть множество состояний теплового равновесия, каждому из которых соответствует определенная температура. Например, вода при температуре выше 100оС находится в виде пара, если постепенно понижать температуру, скажем, до 15оС, она превратится в жидкость, и при этом будут изменяться многие ее свойства. Если поддержать некоторое время эту температуру, то наступит тепловое равновесие. Это ее относительно равновесное состояние в этих конкретных условиях.
Если дальше изменить температуру, скажем, до –10оС, то вода превратится в лед, и опять изменятся почти все физические параметры и свойства: объем, плотность, электрические и магнитные свойства и др. Таким образом, получается, что любая система может обладать множеством подвижных равновесных состояний в зависимости от внутренних и, в особенности, от внешних условий.
В химической науке хорошо известен принцип Ле Шателье, принцип подвижного равновесия, который гласит: если на равновесную систему производить внешнее воздействие, то положение равновесия смещается в направлении ослабления эффекта этого воздействия.
Это проявляется, например, так: при повышении внешней температуры динамическое равновесие химической системы смещается в сторону эндотермических (поглощение теплоты) процессов. Если нагреть алюминий до температуры 700оС, то вследствие поглощения тепловой энергии, у него увеличится внутренняя энергия, и он перейдет в жидкое состояние.
При понижении температуры равновесие процессов смещается в сторону экзотермических реакции (выделение тепловой энергии). Согласно этому, если жидкий алюминий поместить в условия низкой температуры (или дать охладится ниже 600оС), то он будет отдавать тепло окружающей среде, внутренняя энергия уменьшится, и он перейдет в твердое состояние.
Увеличение давления смещает химическое равновесие в направлении процессов в сторону уменьшения объемов получаемых продуктов, а уменьшение давления, наоборот, в сторону образования веществ с большими объемами выходных продуктов.
Таким образом, само равновесие оказывается весьма подвижным и зависит от многих условий: как от внешних, так и внутренних. Но опыт показывает, что все-таки зависимость от внешних условий больше. Система постоянно подлаживается, в первую очередь, к изменениям внешней среды. И это, соответственно, требует от системы внутренней «перестройки»: то превратиться в пар, то в жидкость, то перейти в твердую фазу. При этом обычно энергия либо выделяется, либо поглощается.
Выделение энергий, поглощение энергий, энергообмен во всяких его проявлениях изучается термодинамикой. Здесь наиболее известны два закона. Первый из них гласит: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, сообщенного системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.
Второй закон постулирует невозможность передачи тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах. Если перевести на реальный, действительный мир, это указывает на необратимости процессов в природе. Или по-другому, используя понятие, введенное в термодинамику для определения меры необратимости рассеяния энергии, второй закон еще называют законом возрастания энтропии.
Если сейчас перейти к электродинамике, добавляются электрические и магнитные энергии. Электрические и магнитные поля характеризуются энергетическими и силовыми характеристиками. Если разность потенциалов в различных точках поля определяют энергетическую характеристику поля, то сила, действующая на пробный заряд, помещенный в это поле, определяет силовую характеристику, которая именуется напряжением поля. В большей части все зависит от разности потенциалов: чем больше разность потенциалов, тем больше энергии и силы, действующие на тела, находящиеся в этом поле. Также чем больше разность потенциалов на концах проводника, тем выше сила тока.
Виды энергии могут переходить друг в друга, при этом оставаясь принадлежащими одной и той же форме энергии. Переход разных видов энергии друг в друга является следствием перераспределения значений этих видов энергии внутри одной и той же формы движения. При этом не исключается перенос любого вида энергии данной формы движения в любой вид энергии другой формы движения.
Самые общие зависимости образуют самую общую, единую теорию. Так как вещество (твердое, жидкое, газообразное, плазменное), по сути – это разные формы энергии, то получаем единую теорию всех полей (векторов, определяющих направленность воздействия данного вида энергии), существующих в природе. Однако общие зависимости пока еще не выявлены. Поэтому единой теории поля еще нет.
Итак, единой мерой различных форм движения служит физическая величина, называемая энергией. Движение является неотъемлемым свойством материи. Поэтому всякое, тело обладает энергией или, как часто говорят, запасом энергии, являющейся мерой его движения.
Различных форм движения много, но все они характеризуются некоей общей способностью воздействовать на окружающее с некоторой силой, пропорциональной величине их энергии. На то окружающее, на которое способна воздействовать энергия, соответствующая данной форме движения. При этом величина первоначальной энергии понижается, зато появляется новое движение, обладающее уже своей энергией. Так механическая энергия преобразуется в тепловую, тепловая – в химическую и электромагнитную (тепловое излучение), электромагнитная может опять стать механической (давление света). Гравитационная энергия заставляет тело падать и при ударе эта энергия переходит в тепловую и электромагнитную. То есть гравитационная, электромагнитная, механическая, тепловая, химическая энергии могут переходить друг в друга в виде изменения движения, позволяя количественно и качественно записать зависимости этих превращений.
Ясно, что просто понятие «энергия» не говорит ничего: смысл появляется только когда речь идет об определенной форме движения и соответствующей ей величине энергии.
Надо сказать, что понятие энергии, как основы всего, что существует во Вселенной, довольно не просто и требует понимания всех ее видов, от квантово-волновой, до форм, представленных в виде вещества: частиц, атомов, молекул, в контексте механизмов перехода ее из одних форм в другие. Без отнесения к определенной форме движения энергия полностью лишена смысла и, никто не способен придать ей какой-либо смысл.
способность вещи совершить работу. Можно сказать - свойство системы, заключающееся в способности совершить внутри себя дистемы, заключающееся в способности совершить внутри себя движение - работу.
Ассоциативный блок.
Вопрос - что такое работа и что такое энтропия?
Отличное определение
Неполное определение ↓
ЭНЕРГИЯ
универсальная количественная мера движения и взаимодействия всех видов энергии (по-гречески energcia - действие). Основным свойством энергии является ее сохранение при любых превращениях. В механике закон сохранения энергии (в первоначальной терминологии - живых сил) был открыт не сразу. Его частные случаи использовали Галилей и Лейбниц, а в общей форме он был обоснован Лейбницем. В придании этому закону универсального характера решающее значение сыграли исследования процессов превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты. Эти исследования в середине XIX в. выполнили Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц. В термодинамике закон сохранения энергии получил название ее первого начала.
В соответствии с разными разновидностями движения рассматривают различные формы энергии: механическую, внутреннюю, электромагнитную, химическую, ядерную и др. Энергия системы определяется параметрами, характеризующими ее состояние. В технике, в частности, различают кинетическую энергию и потенциальную mgh, где m - масса тела, v - его скорость, h - высота подъема, g - ускорение силы тяжести.
Одним из следствий теории относительности является закон эквивалентности массы и энергии Е = тс2 , где Е - энергия, а с - скорость света. Очевидно, этот закон следует рассматривать как обобщение закона сохранения энергии.
ЭНЕРГИЯ
греч. energeia - деятельность) - общая мера различных форм материального движения. Термин “Э.” был введен англ. ученым Т. Юнгом в 1807 и понимался им как произведение массы движущегося тела на квадрат его скорости. Качественно различные физические формы движения материи способны превращаться друг в друга, и этот процесс превращения контролируется строго определенными количественными эквивалентами, что и позволяет выделить общую меру движения - Э. как таковую. Э. в качестве меры движения проявляется в различных видах. Это находит свое выражение в системе физических теории, где вводятся понятия механической, тепловой, электромагнитной, ядерной, гравитационной и т. п. Э. В свою очередь, в механике Э. подразделяется на потенциальную и кинетическую, в термодинамике - на связанную и свободную, в определенных задачах осуществляется подразделение на внешнюю и внутреннюю Э. системы. Каждый из видов Э. существенно характеризует соответствующую физическую форму движения со стороны возможности ее превращения в любую др. форму движения при количественном сохранении самого движения. В нек-рых философских концепциях Э. трактуется как особого рода субстанция или как некая внутренняя активность, переходящая от тела к телу или от одного живого существа к другому. Такое чрезмерное расширение области применимости физического понятия приводит к теоретически не обоснованным построениям. Вся история материально-духовной культуры совр. цивилизации связана с освоением и развитием различных форм использования Э.: невозобновляемых (уголь, нефть, природный газ) и возобновляемых (древесина, гидроэнергетика и др.) ресурсов Э. Перспективы энергетики будущего связываются с широким использованием ядерных источников Э., сочетанием традиционных энергетических ресурсов, расширением применения Э. солнца, ветра и т. п. При этом важное значение придается предотвращению негативных последствий влияния энергетики на окружающую среду. Выброс тепла, рост концентрации углекислого газа в атмосфере и др. могут привести к изменениям метеорологических и гидрологических параметров биосферы (таяние арктических льдов, смещение климатических зон и т. д.). Однако по мере развития совр. форм энергетического обеспечения, более рационального использования Э. масштабы выбросов будут сокращаться, а экологическая ситуация стабилизироваться. Переход к новым энергетическим концепциям предполагает не только соответствующее развитие науки, техники и технологии, но и расширение международного сотрудничества в решении задач, связанных с энергетическим обеспечением человечества.
Отличное определение
Неполное определение ↓
Любое тело, чтобы расти, двигаться, гореть или вообще делать что бы то ни было, нуждается в энергии. Без энергии не может быть жизни.
Что такое энергия?
В природе существует множество различных видов энергии. Некоторые из них описаны ниже. Энергия не пребывает вечно в той или иной форме, она постоянно переходит из одного вида, скажем, химической энергии, в другой — например, в тепловую энергию. Тепловая энергия.
Нагретое вещество обладает большим запасом энергии, чем холодное, так как атомы в нем движутся быстрее. Тепловая энергия может распространяться из одного места в другое. Световая энергия.
Свет представляет собой особый вид энергии, движущейся по прямой с колоссальной скоростью. Ничто в мире не способно перемещаться быстрее, чем свет. Обычно его испускают очень горячие тела. Раскаленная нить лампы накаливания излучает световую энергию. Химическая энергия.
Энергия может также накапливаться в химических веществах. Животные и растения поглощают химическую энергию в виде пищи. Основные наши виды топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, также содержат в себе химическую энергию. Потенциальная энергия.
Потенциальной энергией называется запас внутренней энергии, которым тело располагает благодаря своему состоянию. К примеру, сжатая или растянутая пружина обладает потенциальной энергией. Если пружину отпустить, то эта скрытая энергия высвободится.
Электрическая энергия.
Электроэнергия перемещается по электрическим проводам, как бы
перепрыгивая с одного атома на другой. Ее можно преобразовать во многие
другие виды энергии, например, в звуковую или световую.
Звуковая энергия.
Звуковая энергия распространяется в виде волн, называемых звуковыми.
Проходя через воздух, звуковые волны заставляют его колебаться. Когда
звуковые волны достигают ваших ушей, вы слышите различные звуки.
Атомная (ядерная) энергия.
Атомная энергия заключена в ядре (центральной части) атома. Эту энергию
используют на атомных электростанциях для производства электричества.
Свет и тепло, излучаемые солнцем, также имеют в своей основе атомную
энергию.
Кинетическая энергия.
Кинетическая энергия — это энергия движения. Все, что движется, несет в
себе кинетическую энергию. Чем быстрее тело движется и чем оно тяжелее,
тем запас его кинетической энергии больше.
Откуда берется энергия?
Источник почти всей энергии, имеющейся на Земле — Солнце. Солнечное тепло согревает сушу, моря и воздух. Оно также порождает ветры, волны и океанические течения, обладающие огромным запасом кинетической энергии. Энергия, содержащаяся в пище, тоже непосредственно создается Солнцем, как это наглядно показано на этом рисунке.
Растения поглощают солнечный свет для поддержания своей жизнедеятельности и преобразуют его в химическую энергию, хранящуюся в их стеблях и листьях.
Уголь, нефть и природный газ многие миллионы лет назад сформировались из останков растений и животных. И энергия своим происхождением обязана химической энергии, когда-то накопленной этими растениями и животными.
Существуют, однако, три основных источника энергии, впрямую не зависящих от солнечного тепла и света. Это радиоактивные элементы — например уран, используемые для производства атомной энергии; тепло земных недр; и, наконец, энергия приливов и отливов, создаваемая притяжением Солнца и Луны в Мировом Океане.
