Енергія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Класична механіка
\bold{F} = \frac{d\bold{p}}{dt}
Другий закон Ньютона
Історія класичної механіки
Блискавка є однією з форм передачі енергії
Парові двигуни перетворюють тепло в механічну енергію..

Ене́ргія (від грец. ενεργός — діяльний) — це скалярна фізична величина, загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії поєднує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

Внаслідок існування закону збереження енергії поняття «енергія» поєднує всі явища природи.

Поняття енергії пов'язане зі здатністю фізичного тіла або системи виконувати роботу. При цьому тіло або система частково втрачає енергію, витрачаючи її на зміни в навколишніх тілах.

Позначення й одиниці вимірювання[ред.ред. код]

Динамо перетворює механічну енергію в електричну енергію.
Вогонь перетворює хімічну енергію в теплову.

У фізиці енергія зазвичай позначається латинською літерою E. В системі СІ енергія вимірюється в джоулях. В системі СГС — у ергах. Крім цих основних одиниць вимірювання на практиці використовується дуже багато інших зручних при конкретному застосуванні одиниць. В атомній і ядерній фізиках а також у фізиці елементарних частинок енергію вимірюють електрон-вольтами, в хімії калоріями, в фізиці твердого тіла градусами Кельвіна, в спектроскопії оберненими сантиметрами, в квантовій хімії в Гартрі.

Види енергії[ред.ред. код]

Відповідно до різних форм руху матерії, розрізняють кілька типів енергії: механічна, електромагнітна, хімічна, ядерна, теплова, гравітаційна та ін. Цей поділ є досить умовним. Так хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів, їхньої взаємодії та взаємодії з атомами.

Крім того, розрізняють енергію внутрішню і енергію у полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул між собою. Внутрішня енергія ізольованої системи є постійною.

У різноманітних фізичних процесах різні види енергії можуть перетворюватися один у інший. Наприклад, ядерна енергія в атомних електростанціях перетворюється спочатку у внутрішню теплову енергію пари, яка обертає турбіни (механічна енергія), що в свою чергу індукують електричний струм в генераторах (електрична енергія), який використовується для освітлення (енергія електромагнітного поля) і т. д.

Енергія системи однозначно залежить від параметрів, що характеризують її стан. У випадку неперервного середовища вводять поняття густини енергії — енергія в одиниці об'єму, і густини потоку енергії, що дорівнює добутку густини енергії на швидкість її переміщення.

Томас Янг. Першим застосував термін енергія. В Україні більше відомий, як Томас Юнг.
Герман Людвіг Фердинанд фон Гельмгольц, німецький фізик, фізіолог та психолог

Історія[ред.ред. код]

Поняття енергії складалося у фізиці протягом багатьох століть. Його розуміння весь час змінювалося. Вперше термін енергія у сучасному фізичному розумінні застосував у 1808 році Томас Янг. До того вживався термін «життєва сила» (лат. vis viva), який ще в 17-му столітті ввів у обіг Лейбніц, визначивши його як добуток маси на квадрат швидкості.
В 1829 році Коріоліс вперше застосував термін кінетична енергія в сучасному сенсі, а термін потенціальна енергія був запроваджений Вільямом Ренкіном в 1853 році. На той час отримані в дослідженнях у різних областях науки дані почали складатися в загальну картину. Завдяки дослідам Джоуля, Маєра, Гельмгольца прояснилося питання перетворення механічної енергії в теплову. В одній з перших робіт «Про збереження сили» (1847) Гельмгольц, дотримуючись ідеї єдності природи, математично обґрунтував закон збереження енергії і положення про те, що живий організм є фізико-хімічним середовищем, у якому зазначений закон точно виконується. Гельмгольц сформулював «принцип збереження сили» і неможливість Perpetuum Mobile. Ці відкриття дозволили сформулювати перший закон термодинаміки або закон збереження енергії. Поняття енергії стало центральним у розумінні фізичних процесів. Незабаром природним чином у поняття енергії вписалася термодинаміка хімічних реакцій і теорія електричних і електромагнітних явищ.

З побудовою теорії відносності до поняття енергії додалося нове розуміння. Якщо раніше потенціальна енергія визначалася з точністю до довільної сталої, то теорія Ейнштейна встановила зв'язок енергії з масою.

Квантова механіка збагатила поняття енергії квантуванням — для певних фізичних систем енергія може приймати лише дискретні значення. Крім того, принцип невизначеності встановив границі точності вимірювання енергії і її взаємозв'язок із часом. Теорема Нетер продемонструвала, що закон збереження енергії випливає з принципу однорідності часу, за яким фізичні процеси в однакових системах протікають однаково, навіть якщо вони починаються в різні моменти часу.

Теорія відносності[ред.ред. код]

Енергія тіла залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю v відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, який рухається з тою ж швидкістю, воно здаватиметься нерухомим. Відповідно, для першого спостерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки)  m v^2/2 , де m — маса тіла, а для іншого — нулю.

Ця залежність енергії від системи відліку зберігається також у теорії відносності. Для визначення перетворень, які відбуваються з енергією при переході від одної інерційної системи відліку до іншої використовується складніша математична конструкція — тензор енергії-імпульсу.

Енергія тіла залежить від швидкості вже не так як у Ньютонівській фізиці, а формулою Ейнштейна:

 E = \frac{mc^2}{\sqrt{1 - v^2/c^2}} ,

де  m  — інваріантна маса. У системі відліку, зв'язаній з тілом, його швидкість дорівнює нулю, а енергія, яку називають енергією спокою:

 E_0 = mc^2.

Це мінімальна енергія, яку може мати масивне тіло. Значення формули Ейнштейна також у тому, що до неї енергія визначалася з точністю до довільної сталої, а формула Ейнштейна знаходить абсолютне значення цієї сталої.

Квантова механіка[ред.ред. код]

Тоді, як у класичній фізиці енергія будь-якої системи змінюється неперервно і може набувати довільних значень, Квантова теорія стверджує, що енергія мікрочастинок, прив'язаних силою взаємодії із іншими мікрочастинками до обмежених областей простору, може набувати лише певних дискретних значень. Так, атоми випромінюють енергію в вигляді дискретних порцій — світлових квантів, або фотонів, величина яких залежить від частоти:

 E = \hbar \omega ,

де  \hbar  — стала Планка, а  \omega  — циклічна частота.

Оператором енергії в квантовій механіці є гамільтоніан. В стаціонарних станах квантових систем енергія може мати лише ті значення, які відповідають власним значенням гамільтоніана. Для локалізованих станів енергія може мати лише певні дискретні значення.

Принцип невизначеності[ред.ред. код]

Енергія є фізичною величиною, канонічно спряженою з часом. Принцип невизначеності Гейзенберга для енергії записується у вигляді

 \Delta E \Delta t \geq \frac{\hbar}{2}  ,

де  \Delta E  — похибка у визначенні енергії,  \Delta t  — похибка у визначенні часу,  \hbar  — зведена стала Планка.

Ця умова означає, що для абсолютно точного визначення енергії фізичної системи за нею потрібно спостерігати нескінченно довго. Якщо ж система існує в певному стані скінченний час, то похибка у визначенні її енергії визначається цим часом.

Зважаючи на мале значення сталої Планка, похибка у визначенні енергії макроскопічних систем незначна, й у більшості випадків нею можна знехтувати. Однак, при розгляді мікроскопічних станів із дуже малим часом життя, вона може бути суттєвою.

Див. також[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Федорченко А.М. (1975). Теоретична механіка. Київ: Вища школа. , 516 с.
  • Федорченко А.М. (1993). Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. Київ: Вища школа. , 415 с.
  • Feynman Richard The Feynman Lectures on Physics; Volume 1. — U.S.A: Addison Wesley. — ISBN 0-201-02115-3.
  • Smith, Crosbie (1998). The Science of Energy — a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. The University of Chicago Press. ISBN 0-226-76420-6.