13.1: Концепція енергетики та збереження енергії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 75932

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

Прискорення розширення Всесвіту є одним з найбільш захоплюючих і значущих відкриттів у фізиці, з наслідками, які можуть революціонізувати теорії квантової фізики, гравітації та космології. З його одкровенням, що близька до трьох чвертей щільності енергії Всесвіту, дана назва темна енергія, має нове, невідоме походження і що її екзотичне гравітаційне «відштовхування» буде керувати долею Всесвіту, темна енергія і прискорюється Всесвіт стає темою не просто великого інтерес до дослідників-фізиків, але для студентів науки на всіх рівнях.

Ерік Ліндер

Трансформація енергії - це потужне поняття, яке дозволяє описати величезну кількість процесів:

Падаюча вода виділяє накопичену гравітаційну потенційну енергію, яка може стати кінетичною енергією, пов'язаною з когерентним рухом речовини. Запряжена механічна енергія може бути використана для обертання турбін і генераторів змінного струму, виконуючи роботи по виробленню електричної енергії, що передається споживачам по лініях електропередач. При використанні будь-якого електричного пристрою електрична енергія перетворюється в інші форми енергії. У холодильнику електрична енергія використовується для стиснення газу в рідину. Під час стиснення частина внутрішньої енергії газу передається випадковому руху молекул у зовнішньому середовищі. Рідина тече з області високого тиску в область низького тиску, де рідина випаровується. Під час випаровування рідина поглинає енергію від випадкового руху молекул всередині холодильника. Газ повертається в компресор.

«Людські істоти перетворюють накопичену хімічну енергію їжі в різні форми, необхідні для підтримки функцій різної системи органів, тканин і клітин в організмі». Людина може працювати над своїм оточенням - наприклад, педалюючи велосипед - і передавати енергію навколишньому середовищу у вигляді збільшення випадкового руху молекул повітря, використовуючи цю катаболічну енергію.

Спалювання бензину в автомобільних двигунів перетворює хімічну енергію, накопичену в молекулярних зв'язках складових молекул бензину, в когерентний (впорядкований) рух молекул, що складають поршень. З використанням зачеплення і тертя шини/дороги цей рух перетворюється в кінетичну енергію автомобіля; автомобіль рухається.

Розтягування або стиснення пружини зберігає пружну потенційну енергію, яка може виділятися як кінетична енергія.

Процес зору починається з накопиченої атомної енергії, що виділяється у вигляді електромагнітного випромінювання (світла), яке виявляється збуджуючими фоторецепторами в оці, що виділяють хімічну енергію.

Коли протон зливається з дейтерієм (атом водню з нейтроном і протоном для ядра) утворюється гелій-три (з ядром з двох протонів і одного нейтрона) разом з променевою енергією у вигляді фотонів. Сукупна внутрішня енергія протона і дейтерію більше внутрішньої енергії гелію-трійки. Ця різниця у внутрішній енергії переноситься фотонами як світлова енергія.

Існує безліч таких процесів за участю різних форм енергії: кінетична енергія, гравітаційна енергія, теплова енергія, пружна енергія, електрична енергія, хімічна енергія, електромагнітна енергія, ядерна енергія тощо. Загальна енергія завжди зберігається в цих процесах, хоча різні форми енергії перетворюються в інші.

Будь-який фізичний процес може характеризуватися двома станами, початковим і кінцевим, між якими можуть відбуватися енергетичні перетворення. Кожна форма енергії\(E_{j}\), де «j» - довільна мітка, що ідентифікує одну з N форм енергії, може зазнавати змін під час цього перетворення,

\(\Delta E_{j}\)\(\equiv\)\(\ E_{final, j} - E_{initial, j}\)

Збереження енергії означає, що сума цих змін дорівнює нулю,

\[\Delta E_{1}+\Delta E_{2}+\cdots+\Delta E_{N}=\sum_{j=1}^{N} \Delta E_{j}=0 \nonumber \]

З цієї ідеї випливають два важливі моменти. По-перше, нас цікавлять перш за все зміни в енергетиці і тому шукаємо відносини, які описують, як змінюється кожна форма енергії. По-друге, ми повинні враховувати всі способи зміни енергії. Якщо ми спостерігаємо процес, а сума змін енергії не дорівнює нулю, або наші вирази для енергії невірні, або є новий тип зміни енергії, який ми раніше не відкривали. Це наш перший приклад важливості законів збереження при описі фізичних процесів, оскільки енергія є ключовою величиною, що зберігається у всіх фізичних процесах. Якщо ми можемо кількісно оцінити зміни різних форм енергії, у нас є дуже потужний інструмент для розуміння природи.

Ми почнемо наш аналіз збереження енергії з розгляду процесів, що включають лише кілька форм мінливої енергії. Ми зробимо припущення, які значно спрощують наш опис цих процесів. Спочатку розглянемо лише процеси, що діють на тіла, в яких атоми рухаються когерентно, ігноруючи процеси, при яких енергія передається у випадковий рух атомів. Таким чином, ми спочатку ігноруємо наслідки тертя. Потім ми будемо розглядати процеси, пов'язані з тертям між розглядати жорсткі тіла. Пізніше ми повернемося до процесів, в яких відбувається передача енергії, що призводить до збільшення або зменшення випадкового руху, коли ми вивчаємо Перший закон термодинаміки.

Енергія завжди зберігається, але ми часто вважаємо за краще обмежувати свою увагу набором об'єктів, які ми визначаємо як нашу систему. Решта Всесвіту виступає в ролі оточення. Ми ілюструємо цей поділ системи та оточення на малюнку 13.1.

Малюнок 13.1 Діаграма системи та її оточення з межею

Оскільки енергія зберігається, будь-яка енергія, яка залишає систему, повинна перетинати кордон і увійти в оточення. Розглянемо будь-який фізичний процес, при якому енергетичні перетворення відбуваються між початковим і кінцевим станами. Ми стверджуємо, що

коли система і її оточення зазнають переходу від початкового стану до кінцевого стану, зміна енергії дорівнює нулю,

\(\Delta E = \Delta E_{system} + \Delta E_{surrounding} = 0\)

Рівняння (13.1.3) називається збереженням енергії і є нашим робочим визначенням енергії. Ми колись будемо називати рівняння (13.1.3) як енергетичний принцип. У будь-якому фізичному застосуванні ми спочатку ідентифікуємо нашу систему та оточення, а потім намагаємося кількісно оцінити зміни енергії. Для цього нам потрібно визначити кожен тип зміни енергії в кожному можливому фізичному процесі. Коли в оточенні немає змін енергії, то система називається замкнутою системою, а отже, енергія замкнутої системи постійна.

\( \Delta E_{\text {system }}=0\)(закрита система).

Якщо скласти всі відомі зміни енергії в системі і оточенні і не доходити до нульової суми, то перед нами відкрита наукова проблема. Шукаючи відсутні зміни в енергії, ми можемо розкрити якесь нове фізичне явище. Останнім часом однією з найбільш захоплюючих відкритих проблем в космології є очевидне прискорення розширення Всесвіту, яке приписується темній енергії, яка знаходиться в самому космосі, типу енергії без чітко відомого джерела.