Енергія

Енергія - скалярна фізична величина, яка є єдиною мірою різних форм руху матерії і мірою переходу руху матерії з одних форм в інші. Введення поняття енергії зручно тим, що у випадку, якщо фізична система є замкнутої, то її енергія зберігається у часу. Це твердження носить назву закону збереження енергії. Поняття введено Готфрідом Вільгельмом Лейбніцем, але сам термін з'явився пізніше.

1. Фундаментальний сенс енергії

З фундаментальної точки зору енергія являє собою інтеграл руху (тобто зберігається при русі величину), пов'язаний, згідно теоремі Нетер, з однорідністю часу. Таким чином, введення поняття енергії як фізичної величини доцільно тільки в тому випадку, якщо розглянута фізична система однорідна в часі.

2. Енергія і робота

Енергія є мірою здатності фізичної системи виконати роботу, тому кількісно енергія і робота виражаються в одних одиницях.

• Механічна робота і механічна енергія ототожнюються.

3. Енергія в спеціальній теорії відносності

3.1. Енергія та маса

Згідно спеціальної теорії відносності між масою і енергією існує зв'язок, що виражається знаменитої формулою Ейнштейна

де E - енергія системи, m - її маса, c - швидкість світла. Незважаючи на те, що історично були спроби трактувати цей вислів як повну еквівалентність поняття енергії і маси, що, зокрема, привело до появи такого поняття як релятивістська маса, в сучасній фізиці прийнято звужувати зміст цього рівняння, розуміючи під масою масу тіла в стані спокою (так звана маса спокою), а під енергією тільки внутрішню енергію, укладену в системі.

3.2. Енергія і імпульс

Спеціальна теорія відносності розглядає енергію як компоненту 4-імпульсу (4-вектора енергії-імпульсу), в який нарівні з енергією входять три просторові компоненти імпульсу. Таким чином енергія і імпульс виявляються пов'язаними і роблять взаємний вплив один на одного при переході з однієї системи відліку до іншої.

4. Енергія в квантовій механіці

В квантової механіки величина енергії пропорційна частоті і двоїста часу. Зокрема, в силу фундаментальних причин принципово неможливо виміряти абсолютно точно енергію системи в будь-якому процесі, час протікання якого звичайно. При проведенні серії вимірювання одного й того ж процесу значення виміряної енергії будуть флуктуировать, однак середнє значення завжди визначається законом збереження енергії. Це призводить до того, що іноді кажуть, що у квантовій механіці зберігається середня енергія.

5. Енергія в загальній теорії відносності

В загальної теорії відносності час не є однорідним, тому виникають певні проблеми при спробі введення поняття енергії. Зокрема, виявляється неможливим визначити енергію гравітаційного поля як тензор щодо загальних перетворень координат.

6. Енергія та ентропія

Теплова енергія (або енергія хаотичного руху молекул) є самим "деградованим" видом енергії - вона не може перетворюватися на інші види енергії без втрат (див.: ентропія).

7. Фізична розмірність

Енергія E має розмірність, рівну:

• Силі помноженої на довжину (E ~ F l);
• Тиску помноженому на обсяг (E ~ P V);
• Імпульсу помноженому на швидкість (E ~ p v);
• Масі помноженої на квадрат швидкості (E ~ m v);
• Заряду помноженому на напруга (E ~ Q U);
• Потужності помноженої на час. (E ~ N t)

В системі величин LMT енергія має розмірність M L ² T ^{- 2} .

8. Види енергії

Види енергії:
	Механічна
	Електрична
	Електромагнітна
	Хімічна
	Ядерна
<♦>	Теплова
	Вакууму
Гіпотетичні:
	Темна

Механіка розрізняє потенційну енергію (або, в більш загальному випадку, енергія взаємодії тіл або їх частин між собою або з зовнішніми полями) і кінетичну енергію (енергія руху). Їх сума називається повною енергією.

Енергією володіють всі види полів. За цією ознакою розрізняють: електромагнітну (поділювану іноді на електричну і магнітну енергії), гравітаційну і ядерну енергії (також може бути розділена на енергію слабкого і сильного взаємодій).

Термодинаміка розглядає внутрішню енергію та інші термодинамічні потенціали.

В хімії розглядаються такі величини як енергія зв'язку і ентальпія, що мають розмірність енергії, віднесеної до кількості речовини..

Енергія вибуху іноді вимірюється в тротиловому еквіваленті.

9. Проблеми енергоспоживання

Існує досить багато форм енергії, більшість з яких так чи інакше використовуються в енергетиці і різних сучасних технологіях.

Темпи енергоспоживання зростають в усьому світі, тому на сучасному етапі розвитку цивілізації найбільш актуальна проблема енергозбереження.

Умовно джерела енергії можна поділити на два типи: непоновлювані і постійні. До перших відносяться газ, нафта, вугілля, уран і т. д . Технологія отримання і перетворення енергії з цих джерел відпрацьована, але, як правило, неекологічно, і багато з них виснажуються. До постійних джерел можна віднести енергію сонця, енергію, отримувану на ГЕС і т. д.

10. Історія терміну "енергія"

Термін "енергія" походить від слова energeia, яке вперше з'явилося в роботах Аристотеля.

Томас Юнг першим використав поняття "енергія" в сучасному сенсі слова.

Маркіза Емілі дю Шатле в книзі "Уроки фізики" ( фр. "Institutions de Physique" ), Опублікованій в 1740 році, об'єднала ідею Лейбніца з практичними спостереженнями Віллема Гравесен (Willem Jacob 's Gravesande), щоб показати: енергія рухається, пропорційна його масі і квадрату його швидкості (не швидкості самої по собі як вважав Ньютон).

У 1807 році Томас Юнг першим використовував термін "енергія" в сучасному розумінні цього слова замість поняття жива сила ^[2]. Гюстав Гаспар Коріоліс вперше використав термін " кінетична енергія "в 1829 році, а в 1853 році Вільям Ренкіна вперше ввів поняття" потенційна енергія ".

Кілька років велися суперечки, чи є енергія субстанцією ( теплород) або тільки фізичною величиною.

Розвиток парових двигунів вимагало від інженерів розробити поняття і формули, які дозволили б їм описати механічний і термічний коефіцієнти корисної дії своїх систем. Інженери такі як Сади Карно, фізики такі як Джеймс Джоуль, математики такі як Еміль Клапейрон і Герман Гельмгольц - все розвивали ідею, що здатність здійснювати певні дії, звана роботою, була якось пов'язана з енергією системи. У 1850-х роках, професор натурфілософії з Глазго Вільям Томсон та інженер Вільям Ренкіна почали роботу по заміні застарілого мови механіки з такими поняттями як "кінетична і фактична (actual) енергії" ^[3]. Вільям Томсон поєднав знання про енергію до законів термодинаміки, що сприяло стрімкому розвитку хімії. Рудольф Клаузіус, Джозайя Гіббс і Вальтер Нернст пояснили багато хімічні процеси, використовуючи закони термодинаміки. Розвиток термодинаміки було продовжено Клаузиусом, який ввів математично сформулював поняття ентропії, і Джозефом Стефаном, який ввів закон випромінювання абсолютно чорного тіла. У 1853 році Вільям Ренкіна ввів поняття " потенційна енергія " ^[3]. У 1881 Вільям Томсон заявив перед слухачами ^[4] :

Приблизно протягом наступних тридцяти років ця нова наука мала кілька назв, наприклад динамічна теорія тепла ( англ. dynamical theory of heat ) Або енергетика ( англ. energetics ). У 1920-х роках загальноприйнятим став термін " Термодинаміка ", наука про перетворення енергії.

Особливості перетворення тепла і роботи були показані у перших двох законах термодинаміки. Наука про енергію розділилася на безліч різних областей, таких як біологічна термодинаміка і термоекономіка ( англ. thermoeconomics ). Паралельно розвивалися пов'язані поняття, такі як ентропія, міра втрати корисної енергії, потужність, потік енергії за одиницю часу, і так далі. В останні два століття використання слова енергія в ненауковому сенсі широко поширилося в популярній літературі.

У 1918 було доведено, що закон збереження енергії є математичне наслідок трансляційної симетрії часу, величини сполученої енергії. Тобто енергія зберігається, тому що закони фізики не відрізняють різні моменти часу (див. Теорема Нетер, Ізотропія простору).

У 1961 році видатний викладач фізики і нобелівський лауреат, Річард Фейнман у лекціях ^[5] так висловився про концепцію енергії:

Існує факт, чи, якщо завгодно, закон, що керує всіма явищами природи, всім, що було відомо досі. Винятків із цього закону не існує; наскільки ми знаємо, він абсолютно точний. Назва його - збереження енергії. Він стверджує, що існує певна величина, яка називається енергією, яка не змінюється ні за яких перетвореннях, що відбуваються в природі. Саме це твердження вельми і вельми відвернута. Це по суті математичний принцип, який стверджує, що існує деяка чисельна величина, яка не змінюється ні за яких обставин. Це аж ніяк не опис механізму явища або чогось конкретного, просто-напросто відзначається то дивна обставина, що можна підрахувати якесь число і потім спокійно стежити, як природа буде викидати будь-які свої трюки, а потім знову підрахувати це число - і воно залишиться колишнім.

Оригінальний текст (Англ.)

There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law-it is exact so far we know. The law is called conservation of energy; it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.

- Фейнмановские лекції з фізики ^[6]

Примітки