4.2: Види енергії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6008

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Ми можемо легко розпізнати різні види енергії навколо нас, як тепло, світло, електричні, хімічні, ядерні, звукові тощо, і ви, напевно, знаєте ця енергія вимірюється (калорії, джоулі, вольти, децибели, кванти, фотони...). Навіть маса - це форма енергії, як ви можете згадати зі знаменитого рівняння e = mc2 Альберта Ейнштейна (закон відносності).

Проблема в думках про термодинаміку полягає в тому, що Всесвіт великий і є занадто багато видів енергії, щоб споглядати відразу! Для спрощення уявіть тільки два види енергії у Всесвіті: потенційна енергія і кінетична енергія. Корисний приклад - гребля. Вода над дамбою має потенційну енергію. Коли вода протікає над (або через) греблю, її потенційна енергія виділяється у вигляді кінетичної енергії. У старі часи кінетична енергія проточної води могла бути використана для живлення (тобто перетворення) жорна для подрібнення пшениці або інших зерен у борошно. У ці дні вода з більшою ймовірністю протікає через греблю гідроелектростанції, де кінетична енергія перетворюється (перетворюється) в електрику. У цьому простому погляді тепло (молекулярний рух), електрика (струм електронів), звук (хвилі) та світло (хвилі АБО рухомі «частинки») - це різні форми кінетичної енергії. Енергія маси або її положення у Всесвіті є потенційною енергією. Таким чином, хімічна енергія, наприклад енергія в молі АТФ, є потенційною енергією. Фізики багато говорять про потенційну енергію і про потоці кінетичної енергії і перетворенні.

Не менш простий спосіб концептуалізації енергії є корисним проти марним. Це поняття призвело безпосередньо до арифметичної формулювання термодинамічних законів. При цьому утилітарному способі мислення про енергію марною енергією є ентропія, тоді як корисна енергія може бути будь-якою з інших форм енергії (потенційної або кінетичної).

Ключем до розуміння біоенергетики є визнання різниці між замкнутими і відкритими системами у Всесвіті. Такі системи, як біохімічні реакції в пробірці, досягають рівноваги. Такі системи вважаються закритими. Закриті системи штучні, можливі тільки в лабораторії, де можна обмежити і виміряти кількість енергії і маси, що потрапляють в систему або виходять з неї. Клітини з іншого боку (насправді кожна реакція або подія в решті Всесвіту) є відкритими системами. Відкриті системи легко обмінюються енергією і масою зі своїм оточенням.

Відео\(\PageIndex{1}\): Різні види енергії; Хімічна рівновага. (Джеррі Бергтром)

З цим коротким вступом ми можемо уявити себе ранніми вченими, які намагаються зрозуміти потік енергії у Всесвіті, запитуючи, як Закони термодинаміки застосовуються до живих систем (біоенергетики). Ми побачимо, що Закони можуть бути продемонстровані, тому що всі види енергії можуть бути виміряні (як тепло в калоріях або джоулі, електрика в вольтах, світло в квантах, матерія в одиницях маси і т.д.).