mecânica Clássica
Na mecânica clássica, a energia é conceitualmente e matematicamente propriedade útil, pois é uma quantidade conservada. Várias formulações da mecânica foram desenvolvidas usando a energia como um conceito central.
trabalho, uma função de energia, é força vezes distância.,
W = ∫ C F ⋅ d s {\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }
Este diz que o trabalho ( W {\displaystyle W} ) é igual a linha integral da força F ao longo de um caminho C; para pormenores, ver o trabalho mecânico artigo. O trabalho e, portanto, a energia depende do quadro. Por exemplo, considere uma bola sendo atingida por um taco. No quadro de referência do centro de massa, o morcego não trabalha na bola. Mas, no quadro de referência da pessoa balançando o taco, um trabalho considerável é feito na bola.,
A energia total de um sistema é às vezes chamado de Hamiltoniano, depois de William Rowan Hamilton. As equações clássicas de movimento podem ser escritas em termos do Hamiltoniano, mesmo para sistemas altamente complexos ou abstratos. Estas equações clássicas têm análogos notavelmente diretos na mecânica quântica não relativista.outro conceito relacionado à energia é chamado de Lagrangiano, depois de Joseph-Louis Lagrange. Este formalismo é tão fundamental quanto o Hamiltoniano, e ambos podem ser usados para derivar as equações de movimento ou ser derivados deles., Foi inventado no contexto da mecânica clássica, mas é geralmente útil na física moderna. O Lagrangiano é definido como a energia cinética menos a energia potencial. Usually, the Lagrange formalism is mathematically more convenient than the Hamiltonian for non-conservative systems (such as systems with friction).
noether’s theorem (1918) states that any differentiable symmetry of the action of a physical system has a corresponding conservation law. O teorema de Noether tornou-se uma ferramenta fundamental da física teórica moderna e o cálculo das variações., A generalização das formulações seminais sobre constantes de movimento na mecânica Lagrangiana e Hamiltoniana (1788 e 1833, respectivamente), não se aplica a sistemas que não podem ser modelados com um Lagrangiano; por exemplo, sistemas dissipativos com simetrias contínuas não precisam ter uma lei de conservação correspondente.
Química
no contexto da química, a energia é um atributo de uma substância como consequência da sua estrutura atómica, molecular ou agregada., Uma vez que uma transformação química é acompanhada por uma mudança em um ou mais destes tipos de estrutura, é invariavelmente acompanhada por um aumento ou diminuição da energia das substâncias envolvidas. Alguma energia é transferida entre o entorno e os reagentes da reação na forma de calor ou luz; assim, os produtos de uma reação podem ter mais ou menos energia do que os reagentes. Uma reação é dita ser exotérmica ou exergônica se o estado final é menor na escala de energia do que o estado inicial; no caso de reações endotérmicas a situação é inversa., As reações químicas geralmente não são possíveis a menos que os reagentes superem uma barreira de energia conhecida como a energia de ativação. A velocidade de uma reação química (em uma dada temperatura T) está relacionada com a energia de ativação E o de Boltzmann população fator e−e/kT – que é a probabilidade de uma molécula de ter energia maior ou igual a E a uma dada temperatura T. Esta dependência exponencial da taxa de reação na temperatura é conhecida como a equação de Arrhenius. A energia de ativação necessária para uma reação química pode ser fornecida na forma de energia térmica.,
Biology
basic overview of energy and human life.
em biologia, a energia é um atributo de todos os sistemas biológicos da Biosfera ao menor organismo vivo. Dentro de um organismo é responsável pelo crescimento e desenvolvimento de uma célula biológica ou organela de um organismo biológico., A energia utilizada na respiração é armazenada principalmente em oxigênio molecular e pode ser desbloqueada por reações com moléculas de substâncias como carboidratos (incluindo açúcares), lípidos e proteínas armazenadas por células. Em termos humanos, o equivalente humano (H-e) (conversão de energia humana) indica, para uma determinada quantidade de despesa energética, A quantidade relativa de energia necessária para o metabolismo humano, assumindo uma despesa média de energia humana de 12.500 kJ por dia e uma taxa metabólica basal de 80 watts., Por exemplo, se nossos corpos executar (em média) de 80 watts, em seguida, uma luz de lâmpada de 100 watts está executando a 1,25 humanos equivalentes (100 ÷ 80) i.e. 1.25 Ele. Para a difícil tarefa de apenas alguns segundos de duração, uma pessoa pode colocar milhares de watts, muitas vezes a 746 watts em um jornal cavalos de potência. Para tarefas que duram alguns minutos, um humano apto pode gerar talvez 1.000 watts. Para uma atividade que deve ser sustentada por uma hora, a saída cai para cerca de 300; para uma atividade mantida durante todo o dia, 150 watts é aproximadamente o máximo., O equivalente humano auxilia a compreensão dos fluxos de energia em sistemas físicos e biológicos expressando unidades de energia em termos humanos: ele fornece uma “sensação” para o uso de uma determinada quantidade de energia.a energia radiante da luz solar também é capturada pelas plantas como energia potencial química na fotossíntese, quando dióxido de carbono e água (dois compostos de baixa energia) são convertidos em carboidratos, lípidos e proteínas e compostos de alta energia como oxigênio e ATP. Carboidratos, lípidos e proteínas podem liberar a energia do oxigênio, que é utilizada por organismos vivos como um aceitador de elétrons., A liberação da energia armazenada durante a fotossíntese como calor ou luz pode ser desencadeada subitamente por uma faísca, em um incêndio florestal, ou pode ser disponibilizado mais lentamente para o metabolismo animal ou humano, quando moléculas orgânicas são ingeridas, e catabolismo é desencadeado pela ação enzimática.qualquer organismo vivo depende de uma fonte externa de energia-energia radiante do sol no caso das plantas verdes, energia química de alguma forma no caso dos animais-para poder crescer e reproduzir-se., As calorias diárias de 1500-2000 (6-8 MJ) recomendadas para um adulto humano são tomadas como uma combinação de oxigênio e moléculas de alimentos, sendo que estas últimas são principalmente carboidratos e gorduras, das quais glicose (C6H12O6) e estearina (C57H110O6) são exemplos convenientes. A comida moléculas são oxidados a dióxido de carbono e água na mitocôndria
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 ⟶ 6 CO 2 + 6 H 2 O {\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}} C 57 H 110 S 6 + 81 ⋅ 5 2 ⟶ 57 CO 2 + 55 H 2 O {\displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81.,5O2 – > 57CO2 + 55H2O}}}}}
e alguma da energia é usada para converter ADP em ATP.
ADP + HPO42− → ATP + H2O
O resto da energia química em O2 e o de hidratos de carbono ou gordura é convertida em calor: o ATP é utilizado como uma espécie de “moeda energética”, e algumas de energia química é utilizada para outros metabolismo quando ATP reage com os grupos OH e, eventualmente, divide-se em ADP e fosfato (a cada fase de uma via metabólica, alguns a energia química é convertida em calor)., Apenas uma pequena fração do que o original a energia química é utilizada para o trabalho:
o ganho em energia cinética de um velocista durante uma corrida de 100 metros rasos: 4 kJ ganho de energia potencial gravitacional de um a 150 kg de peso levantada através de 2 metros: 3 kJ ingestão Diária de alimentos de um adulto normal: 6-8 MJ
parece que os organismos vivos são extremamente ineficiente (no sentido físico) e no uso da energia que recebe (químicas ou de energia radiante), e é verdade que a maioria das máquinas reais gerenciar maiores eficiências., Em organismos em crescimento, a energia que é convertida em calor serve um propósito vital, uma vez que permite que o tecido do organismo seja altamente ordenado em relação às moléculas a partir das quais é construído. A segunda lei da termodinâmica afirma que a energia (e matéria) tende a tornar-se mais uniformemente espalhada por todo o universo: concentrar a energia (ou matéria) em um lugar específico, é necessário espalhar uma maior quantidade de energia (calor) em todo o restante do universo (“o ambiente”)., Organismos mais simples podem alcançar maior eficiência energética do que os mais complexos, mas os organismos complexos podem ocupar nichos ecológicos que não estão disponíveis para seus irmãos mais simples. A conversão de uma parte da energia química de calor em cada etapa em uma via metabólica é a razão física para trás a pirâmide de biomassa observada em ecologia: levar apenas o primeiro passo na cadeia de abastecimento alimentar, de um total estimado de 124.7 Pg/a de carbono, que é fixado pela fotossíntese, 64.3 Pg/a (52%) são utilizados para o metabolismo das plantas verdes, i.e. reconvertido em dióxido de carbono e calor.,
ciências da Terra
Em geologia, a deriva dos continentes, montanhas, vulcões e terremotos são fenômenos que podem ser explicados em termos de transformações de energia no interior da Terra, enquanto fenômenos meteorológicos, como o vento, chuva, granizo, neve, raios, tornados e furacões são um resultado de transformações de energia provocadas pela energia solar sobre a atmosfera do planeta Terra.,
A luz solar pode ser armazenada como energia potencial gravitacional depois de atingir a terra, como (por exemplo) a água evapora dos oceanos e é depositada nas montanhas (onde, após ser liberada em uma represa hidrelétrica, pode ser usada para impulsionar turbinas ou geradores para produzir eletricidade). A luz solar também impulsiona muitos fenômenos climáticos, exceto aqueles gerados por eventos vulcânicos., Um exemplo de um evento meteorológico mediado pela energia solar é um furacão, que ocorre quando grandes áreas instáveis do oceano quente, aquecidas ao longo de meses, desistem de alguma de sua energia térmica repentinamente para alimentar alguns dias de movimento violento do ar.
em um processo mais lento, o decaimento radioativo dos átomos no núcleo da Terra libera calor. Esta energia térmica impulsiona placas tectônicas e pode elevar Montanhas, via orogenese. Esta elevação lenta representa uma espécie de armazenamento de energia potencial gravitacional da energia térmica, que pode ser posteriormente liberada para a energia cinética ativa em deslizamentos de terra, após um evento desencadeador., Terremotos também liberam energia potencial elástica armazenada em Rochas, uma loja que foi produzida, em última análise, a partir das mesmas fontes de calor radioativo. Assim, de acordo com o entendimento atual, eventos familiares como deslizamentos de terras e terremotos liberam energia que tem sido armazenada como energia potencial no campo gravitacional da terra ou tensão elástica (energia potencial mecânica) nas rochas. Antes disso, eles representam a liberação de energia que tem sido armazenada em átomos pesados desde o colapso de estrelas supernovas há muito destruídas criaram esses átomos.,
cosmologia
na cosmologia e astronomia, os fenômenos das estrelas, nova, supernova, quasares e rajadas de raios gama são as maiores transformações de energia do Universo na matéria. Todos os fenômenos estelares (incluindo a atividade solar) são impulsionados por vários tipos de transformações de energia. A energia em tais transformações é tanto do colapso gravitacional da matéria (geralmente hidrogênio molecular) em várias classes de objetos astronômicos (estrelas, buracos negros, etc.), ou a partir de fusão nuclear (de elementos mais leves, principalmente hidrogênio)., A fusão nuclear do hidrogênio no sol também libera outra reserva de energia potencial que foi criada na época do Big Bang. Naquela época, de acordo com a teoria, o espaço expandiu-se e o universo arrefeceu muito rapidamente para que o hidrogénio se fundisse completamente em elementos mais pesados. Isto significava que o hidrogênio representa uma reserva de energia potencial que pode ser liberada pela fusão. Tal processo de fusão é desencadeado pelo calor e pressão gerados pelo colapso gravitacional de nuvens de hidrogênio quando elas produzem estrelas, e parte da energia de fusão é então transformada em luz solar.,na mecânica quântica, a energia é definida em termos de operadores de energia como um derivado do tempo da função de onda. A equação de Schrödinger equivale o operador de energia à energia total de uma partícula ou sistema. Seus resultados podem ser considerados como uma definição de medição de energia na mecânica quântica. A equação de Schrödinger descreve a dependência do espaço e do tempo de uma função de onda lenta em mudança (não-relativística) dos sistemas quânticos., A solução desta equação para um sistema encadeado é discreta (um conjunto de Estados permitidos, cada um caracterizado por um nível de energia) que resulta no conceito de quanta. Na solução da equação de Schrödinger para qualquer oscilador (vibrador) e para as ondas eletromagnéticas no vácuo, a energia resultante estados estão relacionadas com a freqüência de Planck da relação: E = h ν {\displaystyle E=h\nu } (onde h {\displaystyle h} é a constante de Planck e ν {\displaystyle \nu } freqüência). No caso de uma onda eletromagnética, esses estados de energia são chamados quanta de luz ou fótons.,
Einstein
Quando o cálculo de energia cinética (de trabalho para acelerar um corpo maciço da velocidade zero para alguns velocidade finita) relativistically – usando transformações de Lorentz em vez de mecânica Newtoniana – Einstein descobriu um inesperado pelo produto destes cálculos de ser uma energia termo que não desaparecer na velocidade zero. Ele chamou-lhe energia de descanso: energia que todo corpo massivo deve possuir mesmo quando está em repouso., A quantidade de energia é diretamente proporcional à massa do corpo:
E 0 = m c 2 {\displaystyle E_{0}=mc^{2}} ,
, onde
m é a massa do corpo, c é a velocidade da luz no vácuo, E 0 {\displaystyle E_{0}} é o resto de energia. por exemplo, considere a aniquilação elétron–positron, na qual a energia restante destas duas partículas individuais (equivalente à sua massa de repouso) é convertida para a energia radiante dos fótons produzidos no processo. Neste sistema, a matéria e antimatéria (elétrons e positrões) são destruídos e transformados em não-Matéria (os fótons)., No entanto, a massa total e a energia total não se alteram durante esta interacção. Os fótons não têm massa de repouso, mas, no entanto, têm energia radiante que exibe a mesma inércia que as duas partículas originais. Este é um processo reversível – o processo inverso é chamado de criação de par-no qual a massa restante de partículas é criada a partir da energia radiante de dois (ou mais) fotões aniquilando.,
na relatividade geral, o tensor de tensão–energia serve como o termo-fonte para o campo gravitacional, em analogia grosseira à forma como a massa serve como o termo-fonte na aproximação Newtoniana não-relativista.energia e massa são manifestações de uma mesma Propriedade física subjacente de um sistema., Esta propriedade é responsável pela inércia e força da interação gravitacional do sistema (“manifestações de massa”), e também é responsável pela capacidade potencial do sistema para realizar trabalho ou aquecimento (“manifestações de energia”), sujeito às limitações de outras leis físicas.
na física clássica, a energia é uma quantidade escalar, o conjugado canônico ao tempo. Em energia da relatividade especial é também um escalar (embora não seja um escalar de Lorentz, mas um componente temporal do vetor energia–momento 4)., Em outras palavras, a energia é invariante em relação às rotações do espaço, mas não invariante em relação às rotações do espaço-tempo (= aumentos).
