Energi

Den här artikeln handlar om den skalära fysiska kvantiteten. För en översikt av och aktuell guide till energi, se Översikt över energi . För annan användning, se Energi (disambiguation) .

"Energetic" omdirigerar här. För annan användning, se Energisk (disambiguation) .

Energi
En plasmalampa som använder elektrisk energi för att skapa plasma , ljus , värme , rörelse och ett svagt ljud
Vanliga symboler	E
SI-enhet	joule
Andra enheter	kW⋅h , BTU , kalorier , eV , erg , foot-pound
I SI-basenheter	J = kg⋅m 2 ⋅s −2
Omfattande ?	ja
Konserverad ?	ja
Dimensionera	M L 2 T −2

Inom fysiken är energi (från antikgrekiska ἐνέργεια ( enérgeia ) 'aktivitet') den kvantitativa egenskap som överförs till en kropp eller till ett fysiskt system , igenkännbar i utförandet av arbete och i form av värme och ljus . Energi är en bevarad kvantitet - lagen om energibevarande säger att energi kan omvandlas i form, men inte skapas eller förstöras. Måttenheten för energi i International System of Units (SI) är joule (J) .

Vanliga energiformer inkluderar den kinetiska energin hos ett rörligt föremål, den potentiella energin som lagras av ett föremål (till exempel på grund av dess position i ett fält ) , den elastiska energin som lagras i ett fast föremål, kemisk energi associerad med kemiska reaktioner , strålningen energi som bärs av elektromagnetisk strålning och den inre energi som finns i ett termodynamiskt system . Alla levande organismer tar ständigt in och frigör energi.

På grund av mass-energiekvivalens har alla objekt som har massa när de är stationära (kallad vilomassa ) också en ekvivalent mängd energi vars form kallas viloenergi , och all ytterligare energi (av vilken form som helst) som förvärvas av objektet ovanför viloenergin kommer att öka objektets totala massa precis som det ökar dess totala energi.

Den mänskliga civilisationen kräver energi för att fungera, vilket den får från energiresurser som fossila bränslen , kärnbränsle eller förnybar energi . Jordens klimat- och ekosystemprocesser drivs av den energi som planeten får från solen (även om en liten mängd också bidrar med geotermisk energi ).

Blanketter

I ett typiskt blixtnedslag omvandlas 500 megajoule elektrisk potentiell energi till samma mängd energi i andra former, mestadels ljusenergi , ljudenergi och termisk energi .

Termisk energi är energi av mikroskopiska beståndsdelar av materia, som kan innefatta både kinetisk och potentiell energi .

Den totala energin i ett system kan delas in och klassificeras i potentiell energi, kinetisk energi eller kombinationer av de två på olika sätt. Kinetisk energi bestäms av ett objekts rörelse – eller den sammansatta rörelsen av komponenterna i ett objekt – och potentiell energi reflekterar ett objekts potential att ha rörelse, och är i allmänhet en funktion av ett objekts position inom ett fält eller kan lagras i själva fältet.

Även om dessa två kategorier är tillräckliga för att beskriva alla former av energi, är det ofta bekvämt att referera till särskilda kombinationer av potentiell och kinetisk energi som sin egen form. Till exempel kallas summan av translationell och rotationskinetisk och potentiell energi inom ett system som mekanisk energi , medan kärnenergi hänvisar till de kombinerade potentialerna inom en atomkärna från antingen kärnkraften eller den svaga kraften , bland andra exempel.

Vissa former av energi (som ett objekt eller system kan ha som en mätbar egenskap)

Typ av energi	Beskrivning
Mekanisk	summan av makroskopiska translationella och rotationskinetiska och potentiella energier
Elektrisk	potentiell energi som beror på eller lagras i elektriska fält
Magnetisk	potentiell energi som beror på eller lagras i magnetfält
Gravitation	potentiell energi som beror på eller lagras i gravitationsfält
Kemisk	potentiell energi på grund av kemiska bindningar
Jonisering	potentiell energi som binder en elektron till dess atom eller molekyl
Kärn	potentiell energi som binder nukleoner för att bilda atomkärnan ( och kärnreaktioner)
Kromodynamisk	potentiell energi som binder kvarkar för att bilda hadroner
Elastisk	potentiell energi på grund av deformationen av ett material (eller dess behållare) som uppvisar en återställande kraft när det återgår till sin ursprungliga form
Mekanisk våg	kinetisk och potentiell energi i ett elastiskt material på grund av en fortplantande oscillation av materia
Ljudvåg	kinetisk och potentiell energi i ett material på grund av en ljudutbredningsvåg (en speciell typ av mekanisk våg)
Strålande	potentiell energi lagrad i fälten av vågor som fortplantas av elektromagnetisk strålning , inklusive ljus
Resten	potentiell energi på grund av ett föremåls vilomassa
Termisk	kinetisk energi av partiklars mikroskopiska rörelse, en sorts oordnad motsvarighet till mekanisk energi

Historia

Huvudartiklar: Historia om energi och tidslinje för termodynamik, statistisk mekanik och slumpmässiga processer

Thomas Young , den första personen som använde termen "energi" i modern mening.

Ordet energi kommer från antikens grekiska : ἐνέργεια , romaniserat : energeia , lit. 'aktivitet, drift', som möjligen förekommer för första gången i   Aristoteles verk på 300-talet f.Kr. I motsats till den moderna definitionen var energeia ett kvalitativt filosofiskt begrepp, tillräckligt brett för att omfatta idéer som lycka och njutning.

I slutet av 1600-talet föreslog Gottfried Leibniz idén om latinet : vis viva , eller levande kraft, som definieras som produkten av ett föremåls massa och dess hastighet i kvadrat; han trodde att total vis viva var bevarad. För att ta hänsyn till avmattning på grund av friktion, teoretiserade Leibniz att termisk energi bestod av rörelserna hos materiens beståndsdelar, även om det skulle dröja mer än ett sekel innan detta var allmänt accepterat. Den moderna analogen av denna egenskap, kinetisk energi , skiljer sig från vis viva endast med en faktor två. I början av 1700-talet Émilie du Châtelet begreppet bevarande av energi i marginalerna av hennes franska översättning av Newtons Principia Mathematica , som representerade den första formuleringen av en bevarad mätbar kvantitet som var skild från momentum , och som senare skulle kallas "energi".

År 1807 var Thomas Young möjligen den första att använda termen "energi" istället för vis viva , i dess moderna betydelse. Gustave-Gaspard Coriolis beskrev " kinetisk energi " 1829 i sin moderna mening, och 1853 myntade William Rankine termen " potentiell energi ". Lagen om bevarande av energi postulerades också först i början av 1800-talet och gäller för alla isolerade system . Det diskuterades i några år om värme var en fysisk substans, kallad kalori eller bara en fysisk kvantitet, såsom momentum . År 1845 James Prescott Joule kopplingen mellan mekaniskt arbete och generering av värme.

Dessa utvecklingar ledde till teorin om bevarande av energi, formaliserad till stor del av William Thomson ( Lord Kelvin ) som termodynamikens område . Termodynamik bidrog till den snabba utvecklingen av förklaringar av kemiska processer av Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs och Walther Nernst . Det ledde också till en matematisk formulering av begreppet entropi av Clausius och till införandet av lagar för strålningsenergi av Jožef Stefan . Enligt Noethers teorem är bevarandet av energi en konsekvens av att fysikens lagar inte förändras över tiden. Alltså, sedan 1918, har teoretiker förstått att lagen om energibevarande är den direkta matematiska konsekvensen av translationssymmetrin hos kvantiteten konjugat till energi, nämligen tiden.

Måttenheter

Joules apparat för att mäta den mekaniska ekvivalenten av värme. En sjunkande vikt fäst vid ett snöre får en paddel nedsänkt i vatten att rotera.

Huvudartikel: Enheter av energi

År 1843 upptäckte James Prescott Joule självständigt den mekaniska motsvarigheten i en serie experiment. Den mest kända av dem använde "Joule-apparaten": en fallande vikt, fäst vid ett snöre, orsakade rotation av en paddel nedsänkt i vatten, praktiskt taget isolerad från värmeöverföring. Den visade att den gravitationella potentiella energin som förlorades av vikten vid nedstigning var lika med den inre energi som vattnet fick genom friktion med paddeln.

I International System of Units (SI) är energienheten joule, uppkallad efter Joule. Det är en härledd enhet . Det är lika med energin som går åt (eller arbete ) för att applicera en kraft på en newton över ett avstånd på en meter. Men energi uttrycks också i många andra enheter som inte ingår i SI, såsom ergs , kalorier , brittiska termiska enheter , kilowattimmar och kilokalorier , som kräver en omvandlingsfaktor när de uttrycks i SI-enheter.

SI-enheten för energihastighet (energi per tidsenhet) är watt , vilket är en joule per sekund. Således är en joule en watt-sekund och 3600 joule är lika med en watt-timme. CGS energienheten är erg och den kejserliga och amerikanska vanliga enheten är foot pound . Andra energienheter som elektronvolt , matkalori eller termodynamisk kcal (baserat på temperaturförändringen av vatten i en uppvärmningsprocess) och BTU används inom specifika områden inom vetenskap och handel.

Vetenskaplig användning

Klassisk mekanik

Huvudartiklar: Mekanik , Mekaniskt arbete och termodynamik

I klassisk mekanik är energi en begreppsmässigt och matematiskt användbar egenskap, eftersom det är en bevarad kvantitet . Flera formuleringar av mekanik har utvecklats med energi som ett kärnkoncept.

Arbete , en funktion av energi, är kraft gånger avstånd.

$W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s}$

Detta säger att verket ( $W$ ) är lika med linjeintegralen av kraften F längs en bana C ; för detaljer se artikeln om mekaniskt arbete . Arbete och därmed energi är ramberoende . Tänk till exempel att en boll träffas av ett slagträ. I masscentrumreferensramen fungerar inte slagträet på bollen. Men i referensramen för den person som svingar slagträet, görs avsevärt arbete på bollen.

Den totala energin i ett system kallas ibland Hamiltonian , efter William Rowan Hamilton . De klassiska rörelseekvationerna kan skrivas i termer av Hamiltonian, även för mycket komplexa eller abstrakta system. Dessa klassiska ekvationer har anmärkningsvärt direkta analoger i icke-relativistisk kvantmekanik.

Ett annat energirelaterat koncept kallas Lagrangian , efter Joseph-Louis Lagrange . Denna formalism är lika grundläggande som Hamiltonian, och båda kan användas för att härleda rörelseekvationerna eller härledas från dem. Det uppfanns i samband med klassisk mekanik , men är allmänt användbart i modern fysik. Lagrangian definieras som den kinetiska energin minus den potentiella energin. Vanligtvis är Lagrange-formalismen matematiskt mer bekväm än Hamiltonian för icke-konservativa system (som system med friktion).

Noethers teorem (1918) säger att varje differentierbar symmetri av verkan av ett fysiskt system har en motsvarande bevarandelag. Noethers teorem har blivit ett grundläggande verktyg för modern teoretisk fysik och variationskalkylen. En generalisering av de framträdande formuleringarna om rörelsekonstanter i Lagrangian och Hamiltonian mekanik (1788 respektive 1833), den gäller inte system som inte kan modelleras med en Lagrangian; till exempel behöver dissipativa system med kontinuerliga symmetrier inte ha en motsvarande bevarandelag.

Kemi

I samband med kemi är energi ett attribut hos ett ämne som en konsekvens av dess atomära, molekylära eller aggregatstruktur. Eftersom en kemisk omvandling åtföljs av en förändring i en eller flera av dessa typer av struktur, åtföljs den vanligtvis av en minskning, och ibland en ökning, av den totala energin hos de inblandade ämnena. En del energi kan överföras mellan omgivningen och reaktanterna i form av värme eller ljus; sålunda har produkterna av en reaktion ibland mer men vanligtvis mindre energi än reaktanterna. En reaktion sägs vara exoterm eller exergonisk om sluttillståndet är lägre på energiskalan än initialtillståndet; i det mindre vanliga fallet med endotermiska reaktioner är situationen den omvända. Kemiska reaktioner är vanligtvis inte möjliga om inte reaktanterna övervinner en energibarriär som kallas aktiveringsenergin . Hastigheten för en kemisk reaktion (vid en given temperatur T ) är relaterad till aktiveringsenergin E av Boltzmanns populationsfaktor e ^{− E / kT} ; det vill säga sannolikheten för en molekyl att ha energi större än eller lika med E vid en given temperatur T . Detta exponentiella beroende av en reaktionshastighet på temperaturen är känd som Arrhenius-ekvationen . Den aktiveringsenergi som krävs för en kemisk reaktion kan tillhandahållas i form av termisk energi.

Biologi

Huvudartiklar: Bioenergetics and Food energy

Grundläggande översikt över energi och människoliv .

Inom biologin är energi ett attribut för alla biologiska system, från biosfären till den minsta levande organismen. Inom en organism är den ansvarig för tillväxt och utveckling av en biologisk cell eller organell i en biologisk organism. Energi som används i andning lagras i ämnen som kolhydrater (inklusive socker), lipider och proteiner som lagras av celler . I mänskliga termer indikerar den mänskliga ekvivalenten (He) (Human energy conversion), för en given mängd energiförbrukning, den relativa mängd energi som behövs för mänsklig metabolism , med en genomsnittlig mänsklig energiförbrukning på 12 500 kJ per dag som standard. en basal ämnesomsättning på 80 watt. Till exempel, om våra kroppar går (i genomsnitt) på 80 watt, så går en glödlampa som går på 100 watt på 1,25 mänskliga ekvivalenter (100 ÷ 80) dvs 1,25 He. För en svår uppgift på bara några sekunder kan en person avge tusentals watt, många gånger 746 watt på en officiell hästkraft. För uppgifter som varar några minuter kan en vältränad människa generera kanske 1 000 watt. För en aktivitet som måste pågå i en timme, sjunker produktionen till cirka 300; för en aktivitet som hålls uppe hela dagen är 150 watt ungefär max. Den mänskliga motsvarigheten hjälper förståelsen av energiflöden i fysiska och biologiska system genom att uttrycka energienheter i mänskliga termer: den ger en "känsla" för användningen av en given mängd energi.

Solljus strålningsenergi fångas också av växter som kemisk potentiell energi i fotosyntesen , när koldioxid och vatten (två lågenergiföreningar) omvandlas till kolhydrater, lipider, proteiner och syre. Frigöring av energin som lagras under fotosyntesen som värme eller ljus kan utlösas plötsligt av en gnista i en skogsbrand, eller den kan göras tillgänglig långsammare för djurs eller människors ämnesomsättning när organiska molekyler intas och katabolism utlöses av enzymverkan .

Alla levande varelser är beroende av en extern energikälla för att kunna växa och föröka sig – strålningsenergi från solen när det gäller gröna växter och kemisk energi (i någon form) när det gäller djur. De dagliga 1500–2000 kalorierna (6–8 MJ) som rekommenderas för en vuxen människa tas som matmolekyler, mestadels kolhydrater och fetter, varav glukos (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) och stearin (C ₅₇ H ₁₁₀ O ₆ ) är praktiska exempel. Matmolekylerna oxideras till koldioxid och vatten i mitokondrierna

$${\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}$$

$${\ce {C57H110O6 + (81 1/2) O2 -> 57CO2 + 55H2O}}$$

och en del av energin används för att omvandla ADP till ATP :

ADP + HPO ₄ ²⁻ → ATP + H ₂ O

Resten av kolhydratens eller fettets kemiska energi omvandlas till värme: ATP används som en slags "energivaluta", och en del av den kemiska energin den innehåller används för annan metabolism när ATP reagerar med OH-grupper och så småningom delas upp i ADP och fosfat (vid varje steg av en metabolisk väg omvandlas viss kemisk energi till värme). Endast en liten bråkdel av den ursprungliga kemiska energin används för arbete :

ökning av kinetisk energi för en sprinter under ett 100 m lopp: 4 kJ

ökning av gravitationsenergi för en 150 kg vikt lyfts genom 2 meter: 3 kJ

Dagligt matintag för en normal vuxen: 6–8 MJ

Det verkar som om levande organismer är anmärkningsvärt ineffektiva (i fysisk mening) i sin användning av den energi de tar emot (kemisk eller strålningsenergi); de flesta maskiner klarar högre effektivitet. I växande organismer fyller energin som omvandlas till värme ett viktigt syfte, eftersom det gör att organismens vävnad kan vara högordnad med hänsyn till de molekyler den är uppbyggd av. Termodynamikens andra lag säger att energi (och materia) tenderar att spridas mer jämnt över universum: för att koncentrera energi (eller materia) på en specifik plats är det nödvändigt att sprida ut en större mängd energi (som värme) över resten av universum ("omgivningen"). Enklare organismer kan uppnå högre energieffektivitet än mer komplexa, men de komplexa organismerna kan ockupera ekologiska nischer som inte är tillgängliga för deras enklare bröder. Omvandlingen av en del av den kemiska energin till värme vid varje steg i en metabolisk väg är den fysiska orsaken bakom pyramiden av biomassa som observeras inom ekologi . Som ett exempel, för att bara ta det första steget i näringskedjan : av de uppskattade 124,7 Pg/a kol som fixeras genom fotosyntes , används 64,3 Pg/a (52%) för metabolismen av gröna växter, dvs. koldioxid och värme.

Geovetenskap

Inom geologi är kontinentaldrift , bergskedjor , vulkaner och jordbävningar fenomen som kan förklaras i termer av energiomvandlingar i jordens inre, medan meteorologiska fenomen som vind, regn, hagel , snö, blixtar, tornados och orkaner alla är ett resultat av energiomvandlingar i vår atmosfär orsakade av solenergi .

Solljus är den viktigaste insatsen till jordens energibudget som står för dess temperatur och klimatstabilitet. Solljus kan lagras som gravitationell potentiell energi efter att det träffar jorden, eftersom (till exempel när) vatten avdunstar från haven och avsätts på berg (där det, efter att ha släppts ut vid en vattenkraftsdamm, kan användas för att driva turbiner eller generatorer till producera el). Solljus driver också de flesta väderfenomen, med undantag för några få undantag, som till exempel de som genereras av vulkaniska händelser. Ett exempel på en solmedierad väderhändelse är en orkan, som uppstår när stora instabila områden av varma hav, uppvärmda under månader, plötsligt ger upp en del av sin värmeenergi för att driva några dagars våldsamma luftrörelser.

I en långsammare process frigör radioaktivt sönderfall av atomer i jordens kärna värme. Denna termiska energi driver plattektoniken och kan lyfta berg, via orogenes . Detta långsamma lyft representerar ett slags gravitationell potentiell energilagring av den termiska energin, som senare kan omvandlas till aktiv kinetisk energi under jordskred, efter en utlösande händelse. Jordbävningar frigör också lagrad elastisk potentiell energi i bergarter, ett lager som i slutändan har producerats från samma radioaktiva värmekällor. Enligt nuvarande förståelse frigör således välbekanta händelser som jordskred och jordbävningar energi som har lagrats som potentiell energi i jordens gravitationsfält eller elastisk töjning (mekanisk potentiell energi) i bergarter. Dessförinnan representerar de frigöring av energi som har lagrats i tunga atomer sedan kollapsen av länge förstörda supernovastjärnor (som skapade dessa atomer).

Kosmologi

Inom kosmologi och astronomi är fenomenen stjärnor , nova , supernova , kvasarer och gammastrålning universums energiomvandlingar av materia med högst uteffekt. Alla stjärnfenomen (inklusive solaktivitet) drivs av olika typer av energiomvandlingar. Energi i sådana transformationer är antingen från gravitationell kollaps av materia (vanligtvis molekylärt väte) till olika klasser av astronomiska objekt (stjärnor, svarta hål, etc.), eller från kärnfusion (av lättare grundämnen, främst väte). Kärnfusionen väte i solen frigör också ett annat lager av potentiell energi som skapades vid tiden för Big Bang . Vid den tiden expanderade, enligt teorin, rymden och universum kyldes för snabbt för att väte skulle smälta samman till tyngre grundämnen. Detta innebar att väte representerar ett lager av potentiell energi som kan frigöras genom fusion. En sådan fusionsprocess utlöses av värme och tryck som genereras från gravitationskollaps av vätemoln när de producerar stjärnor, och en del av fusionsenergin omvandlas sedan till solljus.

Kvantmekanik

Huvudartikel: Energioperatör

Inom kvantmekaniken definieras energi i termer av energioperatorn (Hamiltonian) som en tidsderivata av vågfunktionen . Schrödinger- ekvationen likställer energioperatören med den fulla energin hos en partikel eller ett system. Dess resultat kan betraktas som en definition av mätning av energi i kvantmekanik. Schrödinger-ekvationen beskriver rymd- och tidsberoendet av en långsamt föränderlig (icke-relativistisk) vågfunktion hos kvantsystem. Lösningen av denna ekvation för ett bundet system är diskret (en uppsättning tillåtna tillstånd, vart och ett kännetecknat av en energinivå ) vilket resulterar i begreppet kvanta . I lösningen av Schrödinger-ekvationen för valfri oscillator (vibrator) och för elektromagnetiska vågor i vakuum, är de resulterande energitillstånden relaterade till frekvensen genom Plancks relation : $E=h\nu$ (där $h$ är Planck-konstanten och $\nu$ frekvensen). I fallet med en elektromagnetisk våg kallas dessa energitillstånd ljuskvanter eller fotoner .

Relativitet

När man beräknade kinetisk energi ( arbete för att accelerera en massiv kropp från noll hastighet till någon ändlig hastighet) relativistiskt – med hjälp av Lorentz-transformationer istället för newtonsk mekanik – upptäckte Einstein att en oväntad biprodukt av dessa beräkningar var en energiterm som inte försvinner vid noll fart. Han kallade det viloenergi : energi som varje massiv kropp måste ha även när den är i vila. Mängden energi är direkt proportionell mot kroppens massa:

$$E_{0}=m_{0}c^{2},$$

var

• ₀ m är kroppens vilomassa ,
• c är ljusets hastighet i vakuum,
• $E_{0}$ är restens energi.

Tänk till exempel elektron - positronförintelse , där viloenergin för dessa två individuella partiklar (motsvarande deras vilomassa) omvandlas till strålningsenergin från fotonerna som produceras i processen. I detta system materia och antimateria (elektroner och positroner) och ändras till icke-materia (fotonerna). Den totala massan och totala energin förändras dock inte under denna interaktion. Fotonerna har var och en ingen vilomassa men har ändå strålningsenergi som uppvisar samma tröghet som de två ursprungliga partiklarna. Detta är en reversibel process – den omvända processen kallas parskapande – där resten av partiklarna skapas från strålningsenergin från två (eller flera) utplånande fotoner.

I allmän relativitet fungerar spänningsenergitensorn som källterm för gravitationsfältet, i grov analogi med hur massa fungerar som källterm i den icke-relativistiska newtonska approximationen.

Energi och massa är manifestationer av en och samma underliggande fysiska egenskap hos ett system. Denna egenskap är ansvarig för trögheten och styrkan av gravitationsinteraktionen hos systemet ("massmanifestationer") och är också ansvarig för systemets potentiella förmåga att utföra arbete eller uppvärmning ("energimanifestationer"), med förbehåll för begränsningarna av andra fysiska lagar.

I klassisk fysik är energi en skalär kvantitet, det kanoniska konjugatet till tid. I speciell relativitetsteori är energi också en skalär (även om den inte är en Lorentz-skalär utan en tidskomponent i energi-momentum 4-vektorn ). Med andra ord är energi invariant med avseende på rotationer av rymden , men inte invariant med avseende på rotationer av rumstid (= förstärkningar ).

Omvandling

Huvudartikel: Energiomvandling

Vissa former av överföring av energi ("energi i transit") från ett objekt eller system till ett annat

Typ av överföringsprocess	Beskrivning
Värme	lika stor mängd värmeenergi som spontant transporteras mot ett objekt med lägre temperatur
Arbete	lika mängd energi i transit på grund av en förskjutning i riktning mot en applicerad kraft
Överföring av material	lika mängd energi som bärs av materia som rör sig från ett system till ett annat

En turbogenerator omvandlar energin från trycksatt ånga till elektrisk energi

Energi kan omvandlas mellan olika former med olika verkningsgrader . Föremål som transformerar mellan dessa former kallas transduktorer . Exempel på givare inkluderar ett batteri (från kemisk energi till elektrisk energi ), en fördämning (från gravitationsenergi till kinetisk energi av rörligt vatten (och bladen på en turbin ) och slutligen till elektrisk energi genom en elektrisk generator ) och en värme motor (från värme till arbete).

Exempel på energiomvandling är att generera elektrisk energi från värmeenergi via en ångturbin, eller att lyfta ett föremål mot gravitationen med hjälp av elektrisk energi som driver en kranmotor. Att lyfta mot gravitationen utför mekaniskt arbete på föremålet och lagrar gravitationspotentialenergi i föremålet. Om föremålet faller till marken utför gravitationen mekaniskt arbete på föremålet som omvandlar den potentiella energin i gravitationsfältet till den kinetiska energin som frigörs som värme vid stöten med marken. Solen omvandlar potentiell kärnenergi till andra energiformer; dess totala massa minskar inte på grund av det i sig (eftersom den fortfarande innehåller samma totala energi även i olika former) men dess massa minskar när energin flyr ut till omgivningen, till stor del som strålningsenergi .

Det finns strikta gränser för hur effektivt värme kan omvandlas till arbete i en cyklisk process, t.ex. i en värmemotor, som beskrivs av Carnots teorem och termodynamikens andra lag . Vissa energiomvandlingar kan dock vara ganska effektiva. Riktningen för omvandlingar i energi (vilken typ av energi som omvandlas till vilken annan typ) bestäms ofta av entropi (lika energispridning bland alla tillgängliga frihetsgrader ). I praktiken är alla energiomvandlingar tillåtna i liten skala, men vissa större omvandlingar är inte tillåtna eftersom det är statistiskt osannolikt att energi eller materia slumpmässigt kommer att flytta till mer koncentrerade former eller mindre utrymmen.

Energiomvandlingar i universum över tid kännetecknas av att olika typer av potentiell energi, som har funnits tillgänglig sedan Big Bang , "frigörs" (omvandlas till mer aktiva energislag såsom kinetisk eller strålningsenergi) när en utlösande mekanism är tillgänglig . Bekanta exempel på sådana processer inkluderar nukleosyntes , en process som slutligen använder den gravitationella potentiella energin som frigörs från den gravitationsmässiga kollapsen av supernovor för att "lagra" energi i skapandet av tunga isotoper (som uran och torium ), och nukleärt sönderfall , en process där energi frigörs som ursprungligen lagrades i dessa tunga grundämnen, innan de införlivades i solsystemet och jorden. Denna energi utlöses och frigörs i kärnklyvningsbomber eller i civil kärnkraftsproduktion. På liknande sätt, i fallet med en kemisk explosion , omvandlas kemisk potentiell energi till kinetisk och termisk energi på mycket kort tid.

Ytterligare ett exempel är en pendel . På sina högsta punkter är den kinetiska energin noll och den potentiella gravitationsenergin är maximal. Vid sin lägsta punkt är den kinetiska energin på sitt maximum och är lika med minskningen av potentiell energi . Om man (orealistiskt) antar att det inte finns någon friktion eller andra förluster, skulle omvandlingen av energi mellan dessa processer vara perfekt, och pendeln skulle fortsätta att svänga för evigt.

Energi överförs också från potentiell energi ( $E_{p}$ ) till kinetisk energi ( $E_{k}$ ) och sedan tillbaka till potentiell energi konstant. Detta kallas för att spara energi. I detta isolerade system kan energi inte skapas eller förstöras; därför kommer den initiala energin och den slutliga energin att vara lika med varandra. Detta kan demonstreras med följande:

$$ki}=E_{pF}+E_{kF}}$$

 

 

 

 

()

Ekvationen kan sedan förenklas ytterligare eftersom $E_{p}=mgh$ (massa gånger acceleration på grund av gravitation gånger höjden) och ${\textstyle E_{k }={\frac {1}{2}}mv^{2}}$ (halv massa gånger hastighet i kvadrat). Sedan kan den totala mängden energi hittas genom att lägga till $E_{p}+E_{k}=E_{\text{total}}$ .

Bevarande av energi och massa i transformation

Energi ger upphov till vikt när den fångas i ett system med noll momentum, där den kan vägas. Det är också likvärdigt med massa, och denna massa är alltid förknippat med det. Massa är också ekvivalent med en viss mängd energi, och verkar på samma sätt alltid associerad med den, som beskrivs i mass-energiekvivalens . Formeln E = mc ², härledd av Albert Einstein (1905) kvantifierar förhållandet mellan relativistisk massa och energi inom begreppet speciell relativitet. I olika teoretiska ramar härleddes liknande formler av JJ Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) och andra (se Mass-energy equivalence#History för ytterligare information).

materiens viloenergi (motsvarande vilomassa) kan omvandlas till andra energiformer (som fortfarande uppvisar massa), men varken energi eller massa kan förstöras; snarare förblir båda konstanta under alla processer. Men eftersom $c^{2}$ är extremt stor i förhållande till vanliga mänskliga vågar, kan omvandlingen av en daglig mängd vilomassa (till exempel 1 kg) från viloenergi till andra energiformer (t.ex. kinetisk energi, termisk energi eller strålningsenergin som bärs av ljus och annan strålning) kan frigöra enorma mängder energi (~ $9\ gånger 10^{16}$ joule = 21 megaton TNT), som kan ses i kärnreaktorer och kärnvapen. Omvänt är massekvivalenten för en vardagsmängd energi minimal, varför en energiförlust (massaförlust) från de flesta system är svår att mäta på en våg, om inte energiförlusten är mycket stor. Exempel på stora omvandlingar mellan viloenergi (av materia) och andra energiformer (t.ex. kinetisk energi till partiklar med vilomassa) finns inom kärnfysik och partikelfysik . Ofta är dock den fullständiga omvandlingen av materia (som atomer) till icke-materia (som fotoner) förbjuden av bevarandelagar .

Reversibla och icke-reversibla transformationer

Termodynamik delar in energiomvandling i två typer: reversibla processer och irreversibla processer . En irreversibel process är en process där energi försvinner (sprids) till tomma energitillstånd som finns tillgängliga i en volym, från vilka den inte kan återvinnas till mer koncentrerade former (färre kvanttillstånd), utan nedbrytning av ännu mer energi. En reversibel process är en där denna typ av försvinnande inte sker. Till exempel är omvandling av energi från en typ av potentialfält till en annan reversibel, som i pendelsystemet som beskrivs ovan. I processer där värme alstras fungerar kvanttillstånd med lägre energi, närvarande som möjliga excitationer i fält mellan atomer, som en reservoar för en del av energin, från vilken den inte kan återvinnas, för att med 100 % effektivitet omvandlas till andra energiformer. I det här fallet måste energin delvis förbli som termisk energi och kan inte helt återvinnas som användbar energi, förutom till priset av en ökning av någon annan typ av värmeliknande ökning av oordning i kvanttillstånd, i universum (t.ex. expansion av materia eller en randomisering i en kristall).

Allt eftersom universum utvecklas med tiden, blir mer och mer av dess energi instängd i irreversibla tillstånd (dvs som värme eller som andra typer av ökningar av oordning). Detta har lett till hypotesen om universums oundvikliga termodynamiska värmedöd . I denna värmedöd förändras inte universums energi, utan den del av energi som är tillgänglig för att utföra arbete genom en värmemotor , eller omvandlas till andra användbara energiformer (genom användning av generatorer kopplade till värmemotorer), fortsätter att minska.

Bevarande av energi

Huvudartikel: Bevarande av energi

Det faktum att energi varken kan skapas eller förstöras kallas lagen om energibevarande . I form av termodynamikens första lag säger detta att ett slutet systems energi är konstant om inte energi överförs in eller ut som arbete eller värme , och att ingen energi går förlorad vid överföring. Det totala inflödet av energi till ett system måste vara lika med det totala utflödet av energi från systemet, plus förändringen i energin som finns i systemet. Närhelst man mäter (eller beräknar) den totala energin för ett system av partiklar vars interaktioner inte explicit beror på tid, finner man att systemets totala energi alltid förblir konstant.

Medan värme alltid helt kan omvandlas till arbete i en reversibel isotermisk expansion av en idealgas, för cykliska processer av praktiskt intresse i värmemotorer säger termodynamikens andra lag att systemet som utför arbete alltid förlorar en del energi som spillvärme . Detta skapar en gräns för mängden värmeenergi som kan utföra arbete i en cyklisk process, en gräns som kallas tillgänglig energi . Mekanisk och andra energiformer kan omvandlas åt andra hållet till termisk energi utan sådana begränsningar. Den totala energin i ett system kan beräknas genom att lägga ihop alla energiformer i systemet.

Richard Feynman sa under en föreläsning 1961:

Det finns ett faktum, eller om du så önskar, en lag , som styr alla naturfenomen som är kända hittills. Det finns inget känt undantag från denna lag – den är exakt så vitt vi vet. Lagen kallas bevarande av energi . Den säger att det finns en viss kvantitet, som vi kallar energi, som inte förändras i många förändringar som naturen genomgår. Det är en mycket abstrakt idé, eftersom det är en matematisk princip; det står att det finns en numerisk storhet som inte förändras när något händer. Det är inte en beskrivning av en mekanism, eller något konkret; det är bara ett konstigt faktum att vi kan räkna ut någon siffra och när vi är klara med att se naturen gå igenom sina knep och räkna ut siffran igen, är det samma sak.

— Feynmanföreläsningarna om fysik

De flesta typer av energi (med gravitationsenergi är ett anmärkningsvärt undantag) är också föremål för strikta lokala bevarandelagar. I det här fallet kan energi endast utbytas mellan intilliggande områden i rymden, och alla observatörer är överens om den volymetriska energidensiteten i ett givet utrymme. Det finns också en global lag för bevarande av energi, som säger att universums totala energi inte kan förändras; detta är en följd av den lokala lagen, men inte vice versa.

Denna lag är en grundläggande princip i fysiken. Som framgår av Noethers teorem är bevarandet av energi en matematisk konsekvens av translationell tidssymmetri , en egenskap hos de flesta fenomen under den kosmiska skalan som gör dem oberoende av deras lägen på tidskoordinaten. Med andra ord går det inte att skilja igår, idag och imorgon fysiskt. Detta beror på att energi är den kvantitet som är kanoniskt konjugerat med tid. Denna matematiska sammanflätning av energi och tid resulterar också i osäkerhetsprincipen – det är omöjligt att definiera den exakta mängden energi under något bestämt tidsintervall (även om detta är praktiskt taget signifikant endast för mycket korta tidsintervall). Osäkerhetsprincipen ska inte förväxlas med energihushållning – snarare ger den matematiska gränser för vilka energi i princip kan definieras och mätas.

Var och en av naturens grundläggande krafter är förknippade med en annan typ av potentiell energi, och alla typer av potentiell energi (liksom alla andra typer av energi) visas som systemmassa, närhelst den är närvarande. Till exempel kommer en komprimerad fjäder att vara något mer massiv än innan den komprimerades. På samma sätt, närhelst energi överförs mellan system av någon mekanism, överförs en tillhörande massa med den.

I kvantmekaniken uttrycks energi med hjälp av Hamiltons operator . På alla tidsskalor är osäkerheten i energin över

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

som till sin form liknar Heisenbergs osäkerhetsprincip (men inte riktigt matematiskt ekvivalent med den, eftersom H och t inte är dynamiskt konjugerade variabler, varken i klassisk eller kvantmekanik).

Inom partikelfysik tillåter denna ojämlikhet en kvalitativ förståelse av virtuella partiklar , som bär fart . Utbytet av virtuella partiklar med verkliga partiklar är ansvarigt för skapandet av alla kända fundamentala krafter (mer exakt känt som fundamentala interaktioner) . Virtuella fotoner är också ansvariga för den elektrostatiska interaktionen mellan elektriska laddningar (vilket resulterar i Coulombs lag ), för spontant strålningsförfall av exciterade atomära och nukleära tillstånd, för Casimir-kraften , för Van der Waals-kraften och några andra observerbara fenomen.

Energiöverföring

"Energiöverföring" omdirigerar hit. För pipelinebolaget, se Energy Transfer Partners .

Slutna system

Energiöverföring kan övervägas för det speciella fallet med system som är stängda för överföringar av materia. Den del av energin som överförs av konservativa krafter över ett avstånd mäts som det arbete som källsystemet utför på det mottagande systemet. Den del av energin som inte fungerar under överföringen kallas värme . Energi kan överföras mellan system på en mängd olika sätt. Exempel inkluderar överföring av elektromagnetisk energi via fotoner, fysiska kollisioner som överför kinetisk energi , tidvatteninteraktioner och ledande överföring av termisk energi .

Energi är strikt bevarad och bevaras också lokalt varhelst den kan definieras. Inom termodynamik, för slutna system, beskrivs energiöverföringsprocessen av den första lagen :

$\Delta {}E=W+Q$

 

 

 

 

()

där $E$ är mängden överförd energi, $W$ representerar det arbete som utförs på eller av systemet, och $Q$ representerar värmeflödet in i eller ut ur systemet. Som en förenkling kan värmetermen $Q$ ibland ignoreras, särskilt för snabba processer som involverar gaser, som är dåliga värmeledare, eller när den termiska verkningsgraden för överföringen är hög. För sådana adiabatiska processer ,

$\Delta {}E=W$

 

 

 

 

()

Denna förenklade ekvation är den som används för att definiera till exempel joule .

Öppna system

Utöver begränsningarna för slutna system kan öppna system vinna eller förlora energi i samband med materiaöverföring (denna process illustreras genom insprutning av en luft-bränsleblandning i en bilmotor, ett system som vinner energi därigenom, utan tillsats av något arbete eller värme). Genom att beteckna denna energi med $E_{\text{matter}}$ kan man skriva

$\Delta E=W+Q+E_{\text{matter}}.$

 

 

 

 

()

Termodynamik

Inre energi

Intern energi är summan av alla mikroskopiska energiformer i ett system. Det är energin som behövs för att skapa systemet. Det är relaterat till den potentiella energin, t.ex. molekylstruktur, kristallstruktur och andra geometriska aspekter, såväl som partiklarnas rörelse, i form av kinetisk energi. Termodynamik handlar främst om förändringar i intern energi och inte dess absoluta värde, vilket är omöjligt att bestämma med termodynamik enbart.

Termodynamikens första lag

Termodynamikens första lag hävdar att den totala energin i ett system och dess omgivning (men inte nödvändigtvis termodynamisk fri energi ) alltid bevaras och att värmeflöde är en form av energiöverföring. För homogena system, med en väldefinierad temperatur och tryck, är en vanlig följd av den första lagen att för ett system som endast utsätts för tryckkrafter och värmeöverföring (t.ex. en cylinder full med gas) utan kemiska förändringar, differentiell förändring i systemets inre energi (med en energiförstärkning betecknad med en positiv kvantitet) ges som

$\mathrm {d} E=T\mathrm {d} SP\mathrm {d} V\,$ ,

där den första termen till höger är värmen som överförs till systemet, uttryckt i termer av temperatur T och entropi S (där entropin ökar och dess förändring d S är positiv när värme tillförs systemet), och den sista termen på den högra sidan identifieras som arbete som utförts på systemet, där trycket är P och volymen V (det negativa tecknet uppstår eftersom komprimering av systemet kräver arbete på det och därför är volymförändringen, d V , negativ vid arbete görs på systemet).

Denna ekvation är mycket specifik och ignorerar alla kemiska, elektriska, nukleära och gravitationskrafter, effekter som advektion av någon form av energi förutom värme och PV -arbete. Den allmänna formuleringen av den första lagen (dvs. bevarande av energi) är giltig även i situationer där systemet inte är homogent. uttrycks förändringen i inre energi i ett slutet system i en allmän form av

$\mathrm {d} E=\delta Q+\delta W$

där $\delta Q$ är värmen som tillförs systemet och $\delta W$ är det arbete som tillförs systemet.

Equipartition av energi

Energin hos en mekanisk harmonisk oscillator (en massa på en fjäder) är omväxlande kinetisk och potentiell energi . Vid två punkter i oscillationscykeln är den helt kinetisk, och vid två punkter är den helt potentiell. Under en hel cykel, eller över många cykler, är medelenergin lika uppdelad mellan kinetisk och potential. Detta är ett exempel på ekvipartitionsprincipen : den totala energin i ett system med många frihetsgrader är lika uppdelat mellan alla tillgängliga frihetsgrader i genomsnitt.

Denna princip är mycket viktig för att förstå beteendet hos en kvantitet som är nära relaterad till energi, kallad entropi . Entropi är ett mått på jämnheten i en energifördelning mellan delar av ett system. När ett isolerat system ges fler frihetsgrader (dvs. ges nya tillgängliga energitillstånd som är desamma som existerande tillstånd), så sprids den totala energin över alla tillgängliga grader lika utan skillnad mellan "nya" och "gamla" grader. Detta matematiska resultat är en del av termodynamikens andra lag . Termodynamikens andra lag är enkel endast för system som är nära eller i ett fysiskt jämviktstillstånd . För icke-jämviktssystem är lagarna som styr systemens beteende fortfarande diskuterade. En av de vägledande principerna för dessa system är principen om maximal entropiproduktion . Den säger att icke-jämviktssystem beter sig på ett sådant sätt att de maximerar sin entropiproduktion.

Se även

• Förbränning
• Energidemokrati
• Index över energiartiklar
• Index över vågartiklar
• Storleksordningar (energi)
• Kraftverk
• Överför energi

Vidare läsning

• Alekseev, GN (1986). Energi och entropi . Moskva: Mir Publishers.
•   The Biosphere (A Scientific American Book), San Francisco, WH Freeman and Co., 1970, ISBN 0-7167-0945-7 . Den här boken, ursprungligen ett Scientific American- nummer från 1970, täcker praktiskt taget alla större bekymmer och begrepp sedan det har diskuterats angående material och energiresurser , befolkningstrender och miljöförstöring .
• Crowell, Benjamin (2011), "ch. 11" , Light and Matter , Fullerton, Kalifornien: Light and Matter, arkiverad från originalet 2011-05-19 , hämtad 2017-04-12
•   Energy and Power (A Scientific American Book), San Francisco, WH Freeman and Co., 1971, ISBN 0-7167-0938-4 .
• Ross, John S. (23 april 2002). "Arbete, kraft, kinetisk energi" (PDF) . Projekt PHYSNET . Michigan State University. Arkiverad (PDF) från originalet den 26 april 2011 . Hämtad 10 april 2009 .
• Santos, Gildo M. "Energy in Brazil: a historical overview," The Journal of Energy History (2018), online Arkiverad 2019-02-09 på Wayback Machine
•   Smil, Vaclav (2008). Energi i naturen och samhället: allmän energi hos komplexa system . Cambridge, USA: MIT Press. ISBN 978-0-262-19565-2 .
•   Walding, Richard; Rapkins, Greg; Rossiter, Glenn (1999). Nya århundradets seniorfysik . Melbourne, Australien: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-551084-3 .

Tidskrifter

• The Journal of Energy History / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–

externa länkar

• Energi på Curlie
• Skillnader mellan värme och termisk energi Arkiverad 2016-08-27 på Wayback Machine – BioCab