SI-yksiköt | joule |
---|---|
Muut yksiköt | Monet |
Ulottuvuus | |
SI-pohja | N . m , kg . m 2 . s -2 |
Luonto | Koko skalaari konservatiivinen laajoja |
Tavallinen symboli | |
Linkki muihin kokoihin | = |
In fysiikka , energia on määrä , joka mittaa kapasiteetin järjestelmä , joilla muutetaan tilaan , ja tuottaa työn , joissa liikkuvuus , sähkömagneettista säteilyä tai lämpöä . Kun kansainvälisen mittayksikköjärjestelmän (SI), energia ilmaistaan jouleina ja on ulottuvuus .
Ranskan sana ”energia” tulee vulgaarilatinan energia , itse johdettu antiikin Kreikan ἐνέργεια / enérgeia . Tämä alkuperäinen kreikkalainen termi tarkoittaa "voimaa toiminnassa", toisin kuin δύναμις / dýnamis, joka tarkoittaa "voimaa vallassa"; Aristoteles käytti tätä termiä "täydellisen toiminnan tarkassa merkityksessä" tarkoittaakseen todellista todellisuutta vastakohtana mahdolliselle todellisuudelle.
Juuri vuonna 1717 Jean Bernoulli käyttää ensimmäistä kertaa termiä energia tavalla, joka on suuntautunut nykyaikaiseen fyysiseen merkitykseen. Vuonna 1807 Thomas Young otti käyttöön sanan energia englanniksi määrittääkseen määrän m · v 2 . Tämä hyväksyminen on merkittävä edistysaskel ilmaisun tarkkuudessa. Aikaisemmin sanaa voima käytetään nimittämään välinpitämättömästi nykyajan voiman , energian ja voiman käsitteitä . Tämä käyttö oli levinnyt erityisesti Isaac Newtonin Philosophiae naturalis principia mathematica -sovelluksen kanssa , joka käyttää sanaa voima muotoillessaan dynamiikan yhtälöitä. Termi on työ ehdotetaan hänelle 1829 Gaspard-Gustave Coriolis , auttaen määritellään tarkemmin eri käsitettä hyödyllistä fysiikka. Termien ja niiden käsitteellisten erojen levittäminen vie kuitenkin vielä aikaa. Joten jälleen vuonna 1847 korostaen energian säästämisen yleisyyttä ja merkitystä , Helmholtz kehitti idean kirjassa nimeltä Űber die Erhaltung der Kraft (Voiman säilyttämisestä). Vuonna 1850 William Thomson ehdotti nimenomaisesti energian kuin voiman käyttämistä . Toinen tärkeä edistysaskel on William Rankinen vuonna 1853 tekemä mekaanisen energian säästön muotoilu nykyaikaisena. Tästä merkittävästä edistyksestä huolimatta vasta 1875 nähtiin energian ilmestyvän ranskalaisessa tieteellisessä kirjallisuudessa.
Energiaa on itse asiassa useita määritelmiä. Niitä pidetään vastaavina.
Yleensä energia määritellään nykyään " kehon tai järjestelmän kyvyksi tuottaa mekaanista työtä tai vastaavaa" .
Muodollisemmissa puitteissa se määritellään "fyysiseksi määräksi, joka säilyy suljetussa fyysisessä järjestelmässä tapahtuvan muutoksen aikana" . Sitä tukee energian säästämisen periaate . Suljetut tai eristetyt karsinnat määritetään, jotta vältetään tulkinta, joka hyvittää ikuisen liikkeen mahdollisuutta .
Heilbronnin lääkäri ja luonnontieteilijä Robert Mayer on ensimmäinen, joka muotoilee oikein energian säästämisen periaatteen suljetussa järjestelmässä viittaamatta ajan fysiikan valaisimiin. Seuraavat riidat periaatteen löytämisen ennakoinnista vaikuttavat Mayeriin, joka uppoaa masennukseen ja tekee itsemurhayrityksen. Hän pääsee sen yli, ja kunniat saavutetaan kauan sen jälkeen. Hän sai kunniatohtorin yliopiston Tübingenin .
Richard Feynman , esimerkiksi fysiikan oppitunneillaan , sai tästä määritelmästä painovoiman potentiaalienergian ilmaisun useiden vipuista , hihnapyöristä ja muista mekanismeista koostuvien laitteiden huomioiden avulla.
Tämän muodollisen määritelmän seurauksena on Jean-Marc Jancovicin mukaan , että energia puuttuu mihin tahansa muutokseen: "heti kun ympäröivä maailma muuttuu, energia tulee pelaamaan ja [energiamittojen määrä] muutoksen aste ennen ja jälkeen ” . Tämä selittää energian merkityksen taloudelle ja teollisuudelle.
Energia on käsite, joka on luotu määrittelemään hyvin erilaisten ilmiöiden välinen vuorovaikutus; se on vähän yhteinen valuutanvaihto fyysisten ilmiöiden välillä . Näitä vaihtoja ohjaavat termodynamiikan lait ja periaatteet . Kansainvälisen paino- ja mittaustoimiston (BIPM) määrittelemä energian yksikkö kansainvälisessä järjestelmässä (SI) on joule .
Kun yksi ilmiö aiheuttaa toisen ilmiön, toisen intensiteetti riippuu ensimmäisen voimakkuudesta. Esimerkiksi pyöräilijän lihasten kemialliset reaktiot antavat hänen saada pyörä liikkumaan. Intensiteetti liikkeen (eli nopeus) riippuu intensiteetti kemiallisten reaktioiden lihakset pyöräilijä, joka voidaan mitata (sokerin määrä "poltetaan", jonka hengitys , aineenvaihdunta lihaksen).
Otetaan toinen esimerkki. Sisäinen poltto- moottori toimii kemiallisen reaktion kautta, palaminen , joka tapahtuu sisällä sylinterin . Reaktio polttoaine (bensiini, jota kutsutaan myös polttoaine tapauksessa on lämpöä moottorin ) kanssa, hapettimen (hapen ilmassa) tuottaa kaasua emission kanssa lämpöä ja valoa, joka johtaa lämpötilan nousu ja paineen sylinteri. Tämän kaasun ja männän toisella puolella olevan ilmakehän välinen paine-ero siirtää jälkimmäisen, joka kulkee mekaanisen voimansiirron kautta pyörien kääntämiseksi ja eri komponenttien ajamiseksi ajoneuvon tapauksessa. Ohimennen tapahtuu mekaanista kitkaa, joka aiheuttaa lämmön ja kulumisen.
Siksi molekyylit järjestyvät uudelleen (murtuminen ja kemiallisten sidosten muodostuminen uudelleen ), mikä lisää niiden vauhtia , mikä johtaa kaasun lämpötilan nousuun ja siten sen paineen nousuun. Jälkimmäinen aiheuttaa kiinteän aineen (männän) liikkeen, joka ajaa voimansiirtojärjestelmää ja voi siten toisaalta kääntää akselia, joka voidaan liittää esimerkiksi auton pyöriin tai laturiin. Tämän vaihtovirtageneraattorin liikkuvan osan käyttö kääntää magneetin, joka käämin sisällä indusoimalla aiheuttaa elektronien siirtymisen (sähkövirta).
Energiakonseptin avulla voidaan laskea eri ilmiöiden voimakkuus (esimerkiksi auton nopeus ja generaattorin tuottama sähkön määrä) alkuperäisen ilmiön voimakkuuden (tuotetun kaasun ja lämmön määrän) mukaan kemiallisen reaktion avulla).
Huomautukset
Energiakäsite on olennainen teollisen vallankumouksen perustana olevien muutosilmiöiden (kuten kemia ja metallurgia ) ja mekaanisen voimansiirron tutkimiseen . Fyysinen konsepti energia siis loogisesti kertoi XIX : nnen vuosisadan.
Vuonna 1652, Huygens osoittaa, että määrä m · v 2 on se, joka on konservoitunut kaikissa tapauksissa elastisen shokki .
Vuodesta 1686 lähtien Leibniz kutsui tätä määrää "voimaksi" , "eläväksi voimaksi" sen kineettiseksi osaksi ja "kuolleeksi voimaksi", jota kutsutaan potentiaaliseksi energiaksi , joka sitten kehitettiin " dynaamisen " nimellä, ensimmäiseksi energiateoriaksi, jossa m · V 2 on aineen aktiivinen periaate, sen ensisijainen todellisuus.
Vuonna 1788 Lagrange osoittaa kahden määrän summan muuttumattomuuden, joita myöhemmin kutsutaan " kineettiseksi energiaksi " ja " potentiaaliseksi energiaksi ".
Vuonna XIX : nnen vuosisadan saavutetaan koesarjois- korostaa havainnot tai lait :
Siten, ansiosta energiaa, voimme koskea havaintoja eri kuin liike , kierto , lämpötila , väri kehon tai kevyt , kulutus on sokeria tai puuhiiltä , kulumisesta. , Jne.
Näyttää myös siltä, että jos energiaa säästetään ja muunnetaan, jotkut muunnokset ovat helppoja tai palautuvia ja toiset eivät.
Esimerkiksi putoamisen korkeus on helppo muuttaa lämmitykseen, voimme tehdä sen kokonaan, toisaalta päinvastoin on vaikea (tarvitaan monimutkaisia laitteita) ja osa "energiasta" on hajautettava ja siksi menetettävä . Tämä havainto on pohja entropian ajatukselle .
Energian (määrän) säästämisen käsitteestä voimme tarkastella eri näkökulmasta monimutkaisia järjestelmiä (erityisesti biologisia ja kemiallisia ), jotka ilmeisesti rikkovat tätä lakia, ja saavutamme uudella tieteellisellä edistyksellä ikuisesti vahvistaa energian säästämisen postulaatti tai periaate.
Energia on keskeinen käsite fysiikan , jossa todetaan on peräisin XIX : nnen vuosisadan.
Energian käsite löytyy kaikista fysiikan aloista :
Kun kansainvälisen mittayksikköjärjestelmän , energia on ilmaistu määrä joulea ( ).
In fysiikka , vaihto energia on tapa ilmaista intensiteetti ilmiöiden; se on itse asiassa mitattavissa määrä, ja joka ilmaistaan eri tavalla mukaan muunnokset, että järjestelmä käy läpi ( kemiallinen reaktio , sokki, liikkuvuus, ydinreaktio , jne. ). Koska energia määritellään eri tavalla ilmiöistä riippuen, voimme itse asiassa määritellä erilaisia "energiamuotoja" (katso alla).
Lisäksi makroskooppisessa mittakaavassa jokaisella ilmiöllä on syy; ilmiö-syy-intensiteetin vaihtelu aiheuttaa ilmiö-seuraus-intensiteetin vaihtelun. Jos syy-seurausilmiöiden intensiteetit ilmaistaan energian muodossa, näemme, että energia on säilynyt (katso alla).
Kansainvälisen energianmittausjärjestelmän yksikkö on joule ( J ).
Joissakin toiminnoissa käytetään muita yksiköitä, erityisesti elektronivoltti ( 1 eV = 1,602 × 10 −19 J ), kilowattitunti (1 kWh = 3,6 MJ ), tonnia öljyekvivalenttia ( 1 toe = 41,868 GJ ), kalori ( 1 cal = 4,18 J ), suuri kalori (dieettipitoisuus: 1 Cal = 1 kcal = 4182 J ) / kg ja relativistisessa fysiikassa .
Termodynamiikka on tieteenala, joka tutkii energia muunnokset johon lämpöenergiaa . Ensimmäinen periaate todetaan, että energia on säilyneet, valmistetaan toinen periaate asettaa rajoituksia tehokkuudesta muutosta lämpöenergiaa mekaanista, sähköistä tai muita energiaa.
Työ on hallittu energian siirron välillä järjestelmän ja ulkoisen ympäristön.
Lämpö on sotkuinen siirto energian välillä järjestelmän ja ulkoisen ympäristön.
Lämpö on termisen sekoituksen siirto. Hiukkasten sekoitus etenee häiriöiden mukaan kaikkiin suuntiin, epäjärjestyksellisesti. Tästä syystä ei voida koskaan muuttaa lämpöenergiaa kokonaan työhön, kun taas päinvastainen on mahdollista (esim. Sähkötyö, joka muunnetaan lämpöksi Joule-vaikutuksella sähköpatterissa). Sanotaan myös, että lämpötilan nousu vastaa energian hajoamista.
Tämä lämpösiirto , jota kutsutaan lämmöksi, tapahtuu kuumimmasta järjestelmästä kylmimpään, ts. Sille, jonka hiukkaset ovat tilastollisesti eniten levottomia, välittää sen lämpösekoituksen mahdollistamalla enemmän tai vähemmän energisiä iskuja. ympäristössä tai tilastollisesti vähemmän levottomassa järjestelmässä, toisin sanoen kylmin. Tämän intuitiivisen havainnon muodostaa termodynamiikan toinen periaate .
OminaisuudetTyö ja lämpö eivät ole valtion toimintoja . Niiden määrä, joka otetaan käyttöön muunnoksen aikana , riippuu tapasta, jolla edetään.
Energian muuntaminen muodosta toiseen ei yleensä ole täydellinen: osa alussa olevasta energiasta hajoaa häiriöttömän kineettisen energian muodossa (sen sanotaan joskus muuttuvan lämmöksi). Kutsumme tehokkuudeksi energian osuuden, joka saadaan halutulla tavalla muuntajan tuloon syötetyllä energialla.
Otetaan esimerkki lämpökoneesta . Käyttäjää kiinnostaa tuotettu mekaaninen liike . Loput energiasta katsotaan parhaimmillaan menetetyksi (pakokaasuissa lämmön muodossa uutettu osa), pahimmillaan haitalliseksi (moottorin fyysistä tai kemiallista kulumista vastaava osa).
Ihanteellinen sähkömoottori , joka muuntaa kaikki energia sähkövirran mekaaninen liike, olisi oltava hyötysuhde on 1 (tai 100%). Todellisuudessa, jos se on lähes 95% tehokkaimmissa koneissa, se on keskimäärin vain 80-85% vain muutaman kilowatin vaihtovirta-moottorille ja hieman pienempi tasavirralla toimiville moottoreille , muun muassa roottorin harjojen kitkaan ja koneen vähemmän hyvään magneettikentän jakautumiseen.
Muuntimen todellinen hyötysuhde on siten aina alle 1, paitsi muuntimien tapauksessa, joiden tehtävänä on tuottaa lämpöenergiaa, jolle se on yhtenäinen ( sähkölämmitys ).
Joissakin tapauksissa näennäinen “tuotto” voi olla suurempi kuin 1:
Energiaa ei voida luoda eikä tuhota, vaan se voi muuttua vain muodosta toiseen tai vaihtaa järjestelmästä toiseen ( Carnotin periaate ). Tämä on energian säästämisen periaate : energia on määrä, jota voidaan säästää . Tämä summa koostuu eri komponenttien ( kineettinen energia , lämpöenergia , potentiaalienergia , massa energia , jne. ), Jotka käydään on nollasummapeliä .
Tämä empiirinen periaate vahvistettiin Noetherin lauseella vuonna 1915, kauan sen löytämisen jälkeen . Energian säästämisen laki johtuu fysiikan lakien ajallisesta muuttumattomuudesta.
Tämä periaate on niin vahva fysiikassa, että joka kerta, kun se näytti menevän vahvistamattomaksi, se johti tärkeisiin löytöihin. Aina kun tuntui siltä, että energiaa ei säästetty, se muutti sen todella uudeksi muodoksi. Esimerkiksi radioaktiivisuus tulkittiin aikoinaan ulkopuolelta vastaanotetun uudelleenemissioksi, ja selitys tuli massa-energian vastaavuudesta.
Käytännössä erotellaan usein energian eri muodot. Energiaa käytetään kuitenkin ilmiön voimakkuuden mittaamiseen, tämä jako on vain tapa saada energia vastaamaan sen mittaamaa ilmiötä. Lisäksi tämä ero ei ole ehdoton, vaan riippuu vain tarkkailijan asemasta: suhteellisuusperiaate koskee myös energiaa, joten samaa ilmiötä voidaan analysoida "kineettisenä", "sähkömagneettisena" tai "potentiaalisena". energia ...
Klassisesti huomioon otetut energiamuodot ovat:
Vuonna Suhteellisuusteoria , Albert Einstein toteaa, että on olemassa vain kaksi energiamuotojen:
In termodynamiikka , kohtalokas energia on energia väistämättä läsnä tai loukkuun prosessia tai tuotetta, joka joskus ja osa voidaan helposti ottaa talteen ja käyttää; Esimerkiksi kierrätyksen käyttöönoton viivästymisen vuoksi Ranska tuotti 2000-luvulla yli 25 miljoonaa tonnia kotitalousjätettä vuodessa , josta 40 prosenttia käsiteltiin edelleen polttamalla . Tämän jätteen lämpöarvo on kohtalokas energian muoto. Ilman talteenottoa ( lämmön , metaanin , vedyn ja / tai sähkön talteenotto jne. , Mahdollisesti yhteistuotannon tai trigeneraation yhteydessä , tämä energia menetetään ympäristössä (kaatopaikoilla) tai vapautuu ilmakehään. Jätteen palaminen voi tuottaa höyryä, joka voi toimittaa kasvihuoneissa, tehtaiden tai kaupunkien kaukolämpöverkon methanization on orgaanisen jätteen voi tuottaa huomattavia määriä metaania, ja komposti, joita voidaan käyttää maataloudessa.
Ilmiön luomiseen käytetty energia mittaa lopullisen ilmiön suuruutta. Tätä energiaa tuottaa toinen ilmiö, jota kutsutaan "motoriseksi ilmiöksi".
Jotkut moottori-ilmiöt saavat työn nopeasti, toiset hitaammin; esimerkiksi heikko ohjaaja vie pitkään betonilohkojen kokoaminen yksitellen rakennustelineiden yläosaan, kun taas lihaksikas käsittelijä kuljettaa useita kerrallaan ja on nopeampi (toisaalta lopputulos on tarkalleen sama).
Tätä kykyä mobilisoida paljon energiaa tiettynä aikana kutsutaan moottori-ilmiön voimaksi:
teho on ilmiön tuottaman energian suhde ilmiön kestoon, P = d E / d t .Teho mitataan watteina (1 W = 1 J / s ).
Lämmön siirtyminen on osa alan termodynamiikan kutsutaan peruuttamatonta termodynamiikan , eli yksinkertaisuuden, että ilmiö ei voi palata.
Siirretty energia on pääosin lämpöä, joka menee spontaanisti kuumalta alueelta kylmälle vyöhykkeelle ( toinen termodynamiikan periaate ). Tähän lämmönsiirtoon voi liittyä massansiirto. Tätä ilmiötä esiintyy kolmessa eri muodossa:
Kukin näistä kolmesta moodista on hallitseva ensisijaisessa universumissaan: johtuminen kiinteissä aineissa, konvektio liikkuvissa nesteissä (nesteet, kaasut), säteily tyhjiössä (missä se on ainoa mahdollinen tila).
JohtuminenLämmönjohtavuus on ilmiö, jolla väliaineen lämpötila muuttuu homogeeniseksi. Se vastaa lämpösekoituksen siirtymistä molekyylien välillä ja tapahtuu kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa muodossa. Esimerkki: toisessa päässä kuumennetun tangon lämpötila pyrkii tasaantumaan lämmönjohtamisen avulla.
KonvektioKonvektio on lämmönsiirtoa, jonka aiheuttaa hiukkasten liike nesteessä. Se tapahtuu liikkuvassa nesteessä. Esimerkki: lämmin, vähemmän tiheä ilma nousee kuljettamalla lämpöä alhaalta ylös.
SäteilySäteily on lämmönsiirto sähkömagneettisten aaltojen leviämisen tai radioaktiivisen hajoamisen kautta. Sitä voi esiintyä kaikissa asetuksissa, myös tyhjiössä. Esimerkki: maapalloa lämmitetään auringon säteilyllä.
"Energiaa ei voida luoda eikä tuhota, ja on väärin puhua kuten tavallisesti energian" tuotannosta "tai" kulutuksesta ". Kaikissa tapauksissa kyseessä on muodonmuutos tai siirtyminen järjestelmästä toiseen.
.