Енергія

Блискавка є однією з форм передачі енергії

Ене́ргія (від грец. ενεργός - діяльний) — 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 вигляду в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії зв`язує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів.

Внаслідок існування закону збереження енергії поняття «енергія» пов’язує всі явища природи.

Позначення й одиниці вимірювання

Парові двигуни перетворюють тепло в механічну енергію..

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 застовуванні 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 оптиці оберненими сантиметрами, в квантовій хімії в Гартрі.

Види енергії

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

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 одинакових системах протікають однаково, навіть якщо вони починаються в різні моменти часу.

Теорія відносності

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 спострерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки) mv² / 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 інакше:

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

де m — інваріантна маса.

Квантова механіка

Тоді, як у класичній фізиці енергія будь-якої системи змінюється непервно 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.

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

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

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

де ΔE - похибка у визначенні енергії, Δt - 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 ситема 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

• Кінетична енергія
• Потенціальна енергія
• Робота
• Пластова енергія
• Поверхнева енергія
• Тензор енергії-імпульсу
• Енергія вакууму

Джерела

Федорченко А.М. Теоретична механіка. — Київ : Вища школа, 1975., 516 с.

Федорченко А.М. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2.. — Київ : Вища школа, 1993., 415 с.