Енергия

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Вижте пояснителната страница за други значения на Енергия.

Серия статии на тема

Класическа механика

PendulumWithMovableSupport.svg
Импулс · Сила · Енергия · Работа · Мощност · Скорост · Ускорение · Инерционен момент · Момент на сила · Момент на импулса

Енергията (на гръцки: ἐνέργεια – активност, работа[1]) е скаларна физична величина, която характеризира способността на дадена система да променя състоянието на заобикалящата я среда или да извършва работа. Често се среща опростената дефиниция, че енергията на дадена система е способността ѝ да върши работа. Тази опростена дефиниция е удобна в класическата механика. Енергията е величина, която може да бъде приписана на всяка частица, предмет или система от тела. Съществуват различни форма на енергия, които често носят името на съответната сила.

Немският физик Херман фон Хелмхолц установява, че всички форми на енергия са еквивалентни и само се превръщат една в друга.[2] При всички тези трансформации цялата енергия остава непроменена. Енергията не може да бъде създавана или унищожавана. Този принцип е известен като Закон за запазване на енергията, валиден е за всяка изолирана система и е директно следствие от това, че физичните закони не се променят с времето.[3] Възможно е обаче енергията да зависи от отправната система.

Мерната единица в SI е джаул, но в някои други системи се ползват киловатчас или килокалория.

Етимология и история[редактиране | редактиране на кода]

Eнергия идва от гръцката дума (ενέργεια) и означава действие, активност, сила в действие.[4] Едни от най-ранните й появи са в трудовете на Аристотел, без неговото авторството да може да се приема със сигурност, тъй като е са били многратно преписвани и редактирани. През латинския език, (energia), думата е преминала във френския, където най-често е употребявана в стилистичен смисъл (като "енергичен")

Маркиза Емили дю Шатле в Уроци по физика (Institutions de Physique), книга публикувана през 1740 година, обединява идеите на Лайбниц с практическите наблюдения на Уилем Джейкъб и развива по-натаtък идеята, че енергията на движещо се тяло е пропорционална на неговата маса и квадрата на скоростта, нещо различно не само на скоростта, но и от импулса.

През 1808 г., Томас Янг е първият, който употребява думата в съвременния ѝ смисъл.[5] Густав Гаспар Кориолис описва кинетичната енергия през 1829 година, а Уилям Ранкайн въвежда понятието потенциална енергия. През следващите години възникват нови понятия за различни форми на енергията – електрическа, химична, топлинна, атомна и т. н.

Понятието енергия в различните науки[редактиране | редактиране на кода]

Химия[редактиране | редактиране на кода]

В химията това е енергията, която се свързва с атомите и молекулите и се дефинира като работата, извършена от електрическите сили при преподреждане на електрическите заряди. Ако химическата енергия при дадена химична реакция намалява, това означава, че е предадена на заобикалящата среда (най-често във формата на топлина). Ако химическата енергия се увеличава, това означава, че енергия от заобикалящата среда е превърната в химическа.

Биология[редактиране | редактиране на кода]

По време на метаболитни процеси химичните връзки се разкъсват и свързаните с това промени в енергията се изучават от биоенергетиката. Енергия често е съхранена в клетките във формата на химични връзки в молекулите.

Геология и метеорология[редактиране | редактиране на кода]

Изригването на вулкани, земетресения, урагани, мълнии, всички те могат да се обяснят чрез трансформиране на един вид енергия в друга. Енергията за някои от тези явления идва от слънцето.

Космология и астрономия[редактиране | редактиране на кода]

Тук могат да се видят едни от най-грандиозните трансформации на един вид енергия в друга (супернова, черна дупка) и еквивалентността на маса и енергия.

Форми на енергията[редактиране | редактиране на кода]

Видове енергия:
Atwood machine.svg Механична енергия
Transformer Centre-tap Air Core.svg Електрическа енергия
Sun corner.svg Електромагнитна енергия
Oil&gas portal logo.PNG Химична енергия
Radiation symbol alternate.svg Ядрена енергия
Топлинна енергия
\emptyset Енергия на вакуума
Хипотетична:
  Тъмна енергия
Вътрешна енергия
Електромагнитна енергия

Механична енергия[редактиране | редактиране на кода]

Механична енергия (в класическата механика) е сумата от кинетичната и потенциалната енергия на една система. Потенциалната енергия може да бъде гравитационна или еластична и е свързана с позицията на едно тяло в силово поле. За нея се използва символ Ep, V или Φ и се дефинира като работата, извършена срещу дадена сила при промяна на позицията на тялото спрямо отправна позиция. Потенциалната енергия може да се превърне в кинетична, която е наречена енергия на движението и най-често се означава със символа Ek.

Обобщение:

\ E_m = E_k + E_p

Вътрешна енергия[редактиране | редактиране на кода]

Вътрешната енергия на дадена термодинамична система се дефинира от Първия закон на термодинамиката. В по-простите термодинамични системи, като газ, разредена плазма и други, вътрешната енергия е кинетичната енергия на микроскопичното случайно движение на частиците от средата. При други по-сложни термодинамични системи, като течност, твърди тела, плазма и други, се отчита и потенциалната енергия на взаимодействие между тях.

Електромагнитна енергия[редактиране | редактиране на кода]

Електромагнитна енергия е енергията на Електромагнитното поле или транспортираната от електрическия ток. Енергията се дефинира като способността да се извършва работа, и Електромагнитната енергия е просто един от типовете енергия. Примери на електромагнитна енергия:

Химическа енергия[редактиране | редактиране на кода]

Ядрена енергия[редактиране | редактиране на кода]

Ядрена енергия (използва се и често и като атомна енергия) е енергията, освобождаваща се при разпадането на атомното ядро и намираща приложение в енергетиката за получаване на електричество в резултат на контролирана верижна реакция.

Превръщането на масата в енергия се описва с уравнението E = m c^2 за еквивалентност на маса и енергия, изведено от Алберт Айнщайн през 1905 година.

Връзка между работа и кинетична енергия[редактиране | редактиране на кода]

Кинетичната енергия  E_k е енергия на система, която се дължи на движението на елементите ѝ. В Нютоновата механика тази енергия на частица с маса m и скорост V се определя с формулата

E_k = {{1 \over 2}  \cdot {m} \cdot {V^2}} [6]

Ако системата е затворена, то върху нея не въздействат никакви външни сили. Следователно по втория закон на Нютон, нейното ускорение е нула, което означава, че тя може да се движи само с постоянна скорост. За система от тела кинетичната енергия е сумата от кинетичните енергии на съставящите я тела. Затова при преместване на едно твърдо тяло, масата е общата, а скоростта е общата скорост на всички елементи от това тяло.

Сила приложена и действаща на системата отвън е пропорционална на масата и ускорението:

F = m.a

Съгласно Закона за запазване на енергията и Втория закон на Нютон за една механична система, ако на дадено тяло действа външна сила F, то работата A, извършена от тази сила, е равна на промяната в кинетичната енергия и е равна на силата умножена с изминатия от тялото път S:

A = F.S = \Delta\ E_{k}=\mathbf{E}_\mathrm{k2}-\mathbf{E}_\mathrm{k1}

Ако заместим кинетичната енергия със съответната формула, за работата A получаваме:

F.S = \Delta E_{k} = {{1 \over 2}  \cdot {m} \cdot { V_\text{k2}^2}}- {{1 \over 2}  \cdot {m} \cdot { V_\text{k1}^2}}= {{1 \over 2}  \cdot {m} \cdot {\Delta V^2}} [7]

С други думи, механичната работа, извършена от външна сила F, е пропорционална на масата и на квадрата на промяната в скоростта на тялото.

Мерната единица за кинетичната енергия е Джаул (J), същата, като мерната единица за работа.

Закон за запазване на енергията[редактиране | редактиране на кода]

Законът за запазване на енергията гласи:[8]

Пълната енергия на една затворена система е константа по отношение на времето, т.е. енергията може да се преобразува от една форма в друга, но не може да бъде създадена или унищожена.

Съотношение между различните единици за енергия[редактиране | редактиране на кода]

Единица Еквивалент в
джаул ерг калория eV
1 джаул 1 107 0,238846 0,624146•1019
1 ерг 10-7 1 2,38846•10-8 0,624146•1012
1 международен джаул 1,00019 1,00019•107 0,238891 0,624332•1019
1 килограм-сила·метър 9,80665 9,80665•107 2,34227 6,12078•1019
1 киловатчас 3,60000•106 3,60000•1013 8,5985•105 2,24693•1025
1 л•атмосфера 101,3278 1,013278•109 24,2017 63,24333•1019
1 калория 4,1868 4,1868•107 1 2,58287•1019
1 термохимична калория 4,18400 4,18400•107 0,99933 2,58143•1019
1 електронволт 1,60219•10-19 1,60219•10-12 3,92677•10-20 1

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Harper, Douglas. Energy. // Online Etymology Dictionary. Посетен на May 1, 2007.
  2. R. Resnick and D. Halliday (1960), Physics, Section 22-1 (Heat, a Form of Energy), John Wiley and Sons, Library of Congress Catalog Card Number 66-11527
  3. Lofts, G и др. 11 – Mechanical Interactions. // Jacaranda Physics 1. 2. Milton, Queensland, Australia, John Willey & Sons Australia Ltd., 2004. ISBN 0-7016-3777-3. с. 286.
  4. Online Etymology Dictionary
  5. Кросби Смит, Наука за енергията – История на физиката на енергията във викторианска Англия, на английски в оригинал The Science of Energy – a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain, издателство: The University of Chicago Press, 1998, isbn: 0-226-76420-6
  6. Сарман, Жан-Пиер. Енциклопедичен речник по Физика, Превод и съставител проф. д-р Петко Девененски, Издателство Мартилен, София, 1995,с 104 ISBN 954-598-041-9
  7. Zitzewitz,Elliott, Haase, Harper, Herzog, Nelson, Nelson, Schuler, Zorn. Physics: Principles and Problems. McGraw-Hill Glencoe, The McGraw-Hill Companies, Inc., 2005. ISBN 0-07-845813-7.
  8. lightandmatter.com: Light and Matter, Benjamin Crowell