mecanica clasică
în mecanica clasică, energia este o proprietate utilă conceptual și matematic, deoarece este o cantitate conservată. Mai multe formulări ale mecanicii au fost dezvoltate folosind energia ca concept de bază.
munca, o funcție de energie, este forța ori distanța.,
W = ∫ C F ⋅ d s {\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }
Acesta spune că locul de muncă ( W {\displaystyle W} ) este egală cu integrala curbilinie de forța F de-a lungul o cale C; pentru detalii, a se vedea la lucru mecanic articol. Munca și astfel energia este dependentă de cadru. De exemplu, luați în considerare o minge lovită de o bâtă. În cadrul de referință Centrul de masă, liliacul nu funcționează pe minge. Dar, în cadrul de referință al persoanei care leagă bâta, se lucrează considerabil pe minge.,energia totală a unui sistem este uneori numită Hamiltonian, după William Rowan Hamilton. Ecuațiile clasice de mișcare pot fi scrise în termeni de Hamiltonian, chiar și pentru sisteme foarte complexe sau abstracte. Aceste ecuații clasice au analogi remarcabil de direcți în mecanica cuantică nerelativistă.un alt concept legat de energie se numește Lagrangian, după Joseph-Louis Lagrange. Acest formalism este la fel de fundamental ca Hamiltonianul și ambele pot fi folosite pentru a deriva ecuațiile de mișcare sau pentru a fi derivate din ele., A fost inventat în contextul mecanicii clasice, dar este în general util în fizica modernă. Lagrangianul este definit ca energia cinetică minus energia potențială. De obicei, formalismul Lagrange este matematic mai convenabil decât Hamiltonianul pentru sistemele non-conservatoare (cum ar fi sistemele cu frecare).teorema lui Noether (1918) afirmă că orice simetrie diferențiabilă a acțiunii unui sistem fizic are o lege de conservare corespunzătoare. Teorema lui Noether a devenit un instrument fundamental al fizicii teoretice moderne și al calculului variațiilor., O generalizare a formulărilor seminale pe constante de mișcare în mecanica Lagrangiană și hamiltoniană (1788 și, respectiv, 1833), nu se aplică sistemelor care nu pot fi modelate cu un Lagrangian; de exemplu, sistemele disipative cu simetrii continue nu trebuie să aibă o lege de conservare corespunzătoare.în contextul chimiei, energia este un atribut al unei substanțe ca o consecință a structurii sale atomice, moleculare sau agregate., Deoarece o transformare chimică este însoțită de o schimbare în unul sau mai multe dintre aceste tipuri de structuri, este invariabil însoțită de o creștere sau scădere a energiei substanțelor implicate. O anumită energie este transferată între mediul înconjurător și reactanții reacției sub formă de căldură sau lumină; astfel, produsele unei reacții pot avea mai multă sau mai puțină energie decât reactanții. Se spune că o reacție este exotermă sau exergonică dacă starea finală este mai mică pe scara de energie decât starea inițială; în cazul reacțiilor endotermice situația este inversă., Reacțiile chimice nu sunt de obicei posibile decât dacă reactanții depășesc o barieră energetică cunoscută sub numele de energie de activare. Viteza unei reacții chimice (la o temperatură dată T) este legată de energia de activare E de Boltzmann populația factor e−E/kT – care este probabilitatea ca molecula să aibă o energie mai mare decât sau egal cu E la temperatura T. Această dependență exponențială de o viteză de reacție de temperatură este cunoscut sub numele de ecuația Arrhenius. Energia de activare necesară pentru o reacție chimică poate fi furnizată sub formă de energie termică.,
Biologie
prezentare generală de bază a energiei și a vieții umane.în biologie, energia este un atribut al tuturor sistemelor biologice de la biosferă la cel mai mic organism viu. În cadrul unui organism este responsabil pentru creșterea și dezvoltarea unei celule biologice sau a unei organelle a unui organism biologic., Energia utilizată în respirație este stocată în cea mai mare parte în oxigen molecular și poate fi deblocată prin reacții cu molecule de substanțe precum carbohidrații (inclusiv zaharurile), lipidele și proteinele stocate de celule. În termeni umani, echivalentul uman (H-E) (conversia energiei umane) indică, pentru o anumită cantitate de cheltuieli cu energia, cantitatea relativă de energie necesară metabolismului uman, presupunând o cheltuială medie de energie umană de 12,500 kJ pe zi și o rată metabolică bazală de 80 wați., De exemplu, dacă trupurile noastre rula (în medie) la 80 de wați, apoi un bec de 100 de wați se execută la 1,25 umane echivalente (100 ÷ 80), adică 1.25 El. Pentru o sarcină dificilă de doar câteva secunde, o persoană poate pune mii de wați, de multe ori 746 wați într-un oficial de cai putere. Pentru sarcini care durează câteva minute, un om potrivit poate genera probabil 1.000 de wați. Pentru o activitate care trebuie susținută timp de o oră, producția scade la aproximativ 300; pentru o activitate menținută toată ziua, 150 de wați este aproximativ maxim., Echivalentul uman ajută la înțelegerea fluxurilor de energie în sistemele fizice și biologice prin exprimarea unităților energetice în termeni umani: oferă o „senzație” pentru utilizarea unei anumite cantități de energie.energia radiantă a luminii solare este, de asemenea, captată de plante ca energie potențială chimică în fotosinteză, când dioxidul de carbon și apa (doi compuși cu energie redusă) sunt transformați în carbohidrați, lipide și proteine și compuși cu energie ridicată, cum ar fi oxigenul și ATP. Carbohidrații, lipidele și proteinele pot elibera energia oxigenului, care este utilizată de organismele vii ca acceptor de electroni., Eliberarea energiei stocate în timpul fotosintezei sub formă de căldură sau lumină poate fi declanșată brusc de o scânteie, într-un incendiu forestier sau poate fi pusă la dispoziție mai lent pentru metabolismul animal sau uman, atunci când moleculele organice sunt ingerate, iar catabolismul este declanșat de acțiunea enzimatică.orice organism viu se bazează pe o sursă externă de energie – energie radiantă de la soare în cazul plantelor verzi, energie chimică într – o anumită formă în cazul animalelor-pentru a putea crește și reproduce., Zilnic 1500-2000 de Calorii (6-8 MJ) recomandat pentru un om adult sunt luate ca o combinație de oxigen și molecule alimentare, acesta din urmă cea mai mare parte de glucide și grăsimi, dintre care glucoza (C6H12O6) și stearină (C57H110O6) sunt convenabile exemple. Mâncarea molecule sunt oxidate la dioxid de carbon și apă în mitocondrii 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 O O O O 6 + 81 ⋅ 5 O 2 ⟶ 57 CO 2 + 55 H 2 O {\displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81.,5O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}
și o parte din energie este utilizată pentru a converti ADP în ATP.
ADP + HPO42− → ATP + H2O
restul de energie chimică în O2 și carbohidrați sau grăsimi este transformată în căldură: ATP-ul este folosit ca un fel de „energie valutar”, iar unii dintre energia chimică conține este utilizat pentru alte metabolismul atunci când ATP reacționează cu grupele OH și în cele din urmă se împarte în ADP și fosfat (la fiecare etapă de o cale metabolică, unele energia chimică este transformată în căldură)., Doar o mica parte din original energia chimică este utilizată pentru locul de muncă:
câștig în energie cinetică a unui sprinter timpul o cursa de 100 m: 4 kJ câștig în energie potențială gravitațională de 150 kg greutate ridicat prin 2 metri: 3 kJ aportul alimentar Zilnic de un adult normal: 6-8 MJ
S-ar părea că organismele vii sunt extrem de ineficiente (în sens fizic) în utilizarea lor de energie vor primi (chimice sau energie radiantă), și este adevărat că cele mai multe mașini reale de a gestiona mai mare eficiență., În creștere organisme de energie care este transformată în căldură servește un scop vital, deoarece permite tesutului organismului pentru a fi foarte ordonat în ceea ce privește moleculele este construit din. Cea de-a doua lege a termodinamicii afirmă că energia (și materia) tinde să devină mai uniform răspândit în univers: de a concentra energia (sau în materie) într-un anumit loc, este necesar să se răspândească o cantitate mai mare de energie (de căldură) peste restul universului („împrejurimi”)., Organismele mai simple pot obține o eficiență energetică mai mare decât cele mai complexe, dar organismele complexe pot ocupa nișe ecologice care nu sunt disponibile fraților lor mai simpli. Conversia unei porțiuni din energia chimică în căldură la fiecare pas pe o cale metabolică este motivul fizic din spatele piramidei biomasei observate în Ecologie: pentru a face doar primul pas în lanțul alimentar, din 124,7 Pg/A de carbon fixat prin fotosinteză, 64,3 Pg/a (52%) sunt utilizate pentru metabolismul plantelor verzi, adică reconvertite în dioxid de carbon și căldură.,în geologie, deriva continentală, lanțurile muntoase, vulcanii și cutremurele sunt fenomene care pot fi explicate în termeni de transformări energetice în interiorul Pământului, în timp ce fenomenele meteorologice precum vântul, ploaia, grindina, zăpada, fulgerul, tornadele și uraganele sunt toate un rezultat al transformărilor energetice aduse de energia solară în atmosfera planetei Pământ.,
lumina soarelui poate fi stocată ca energie potențială gravitațională după ce lovește pământul, deoarece (de exemplu) apa se evaporă din oceane și este depusă pe munți (unde, după ce a fost eliberată la un baraj hidroelectric, poate fi folosită pentru a conduce turbine sau generatoare pentru a produce electricitate). Lumina soarelui conduce, de asemenea, multe fenomene meteorologice, cu excepția celor generate de evenimentele vulcanice., Un exemplu de eveniment meteorologic mediat de soare este un uragan, care apare atunci când zone mari instabile ale oceanului cald, încălzite de-a lungul lunilor, renunță brusc la o parte din energia lor termică pentru a alimenta câteva zile de mișcare violentă a aerului.într-un proces mai lent, dezintegrarea radioactivă a atomilor din miezul Pământului eliberează căldură. Această energie termică conduce tectonica plăcilor și poate ridica Munții, prin orogeneză. Această ridicare lentă reprezintă un fel de stocare a energiei potențiale gravitaționale a energiei termice, care poate fi ulterior eliberată energiei cinetice active în alunecări de teren, după un eveniment declanșator., Cutremurele eliberează, de asemenea, energie potențială elastică stocată în roci, un depozit care a fost produs în cele din urmă din aceleași surse de căldură radioactive. Astfel, conform înțelegerii actuale, evenimente familiare, cum ar fi alunecările de teren și cutremurele, eliberează energie care a fost stocată ca energie potențială în câmpul gravitațional al Pământului sau tulpina elastică (energie potențială Mecanică) în roci. Înainte de aceasta, ele reprezintă eliberarea de energie care a fost stocată în atomi grei de la prăbușirea stelelor supernova distruse de mult timp a creat acești atomi.,în cosmologie și astronomie fenomenele stelelor, nova, supernova, quasarii și exploziile de raze gama sunt transformările energetice cu cea mai mare putere a universului. Toate fenomenele stelare (inclusiv activitatea solară) sunt conduse de diferite tipuri de transformări energetice. Energia în astfel de transformări este fie din colapsul gravitațional al materiei (de obicei hidrogen molecular) în diferite clase de obiecte astronomice (Stele, găuri negre etc.), sau din fuziunea nucleară (a elementelor mai ușoare, în principal hidrogen)., Fuziunea nucleară a hidrogenului în soare eliberează, de asemenea, un alt depozit de energie potențială care a fost creat în momentul Big Bang-ului. În acel moment, conform teoriei, spațiul s-a extins și universul s-a răcit prea repede pentru ca hidrogenul să fuzioneze complet în elemente mai grele. Aceasta înseamnă că hidrogenul reprezintă un depozit de energie potențială care poate fi eliberat prin fuziune. Un astfel de proces de fuziune este declanșat de căldura și presiunea generate de colapsul gravitațional al norilor de hidrogen atunci când produc stele, iar o parte din energia de fuziune este apoi transformată în lumina soarelui.,
mecanica cuantică
în mecanica cuantică, energia este definită în termeni de operator energeticca un derivat de timp al funcției de undă. Ecuația Schrödinger echivalează operatorul energetic cu energia completă a unei particule sau a unui sistem. Rezultatele sale pot fi considerate ca o definiție a măsurării energiei în mecanica cuantică. Ecuația Schrödinger descrie dependența de spațiu și timp a unei funcții de undă în schimbare lentă (non-relativistă) a sistemelor cuantice., Soluția acestei ecuații pentru un sistem legat este discretă (un set de stări permise, fiecare caracterizată printr-un nivel de energie) care are ca rezultat conceptul de quanta. În soluția ecuației lui Schrödinger pentru orice oscilator (vibrator) și pentru undele electromagnetice în vid, energia rezultată membre sunt legate de frecvența lui Planck relația: E = h ν {\displaystyle E=h\nu } (unde h {\displaystyle h} este constanta lui Planck și ν {\displaystyle \nu } frecvența). În cazul unui val electromagnetic aceste stări de energie sunt numite cuante de lumină sau fotoni.,
Relativității
atunci Când se calculează energia cinetică (de lucru pentru a accelera un corp masiv de la viteza zero la unele viteză finită) relativistically – folosind transformări Lorentz în loc de mecanica Newtoniană – Einstein a descoperit o neașteptată produs de aceste calcule să fie o energie pe termen lung, care nu dispar la viteza zero. El a numit-o energie de odihnă: energie pe care fiecare corp masiv trebuie să o posede chiar și atunci când este în repaus., Cantitatea de energie este direct proporțională cu masa corpului:
E 0 = m c 2 {\displaystyle E_{0}=mc^{2}} ,
, unde
m este masa corpului, c este viteza luminii în vid, E 0 {\displaystyle E_{0}} este energia de repaus.
de exemplu, luați în considerare anihilarea electronului–pozitron, în care energia de odihnă a acestor două particule individuale (echivalentă cu masa lor de repaus) este transformată în energia radiantă a fotonilor produși în proces. În acest sistem, Materia și antimateria (electronii și pozitronii) sunt distruse și transformate în non-materie (fotonii)., Cu toate acestea, masa totală și energia totală nu se schimbă în timpul acestei interacțiuni. Fotonii nu au Masă de repaus, dar au totuși energie radiantă care prezintă aceeași inerție ca și cele două particule originale. Acesta este un proces reversibil – procesul invers se numește crearea perechilor-în care masa de repaus a particulelor este creată din energia radiantă a doi (sau mai mulți) fotoni anihilatori.,
în relativitatea generală, tensorul stres-energie servește ca termen sursă pentru câmpul gravitațional, în analogie grosolană cu modul în care masa servește ca termen sursă în aproximarea Newtoniană non-relativistă.energia și masa sunt manifestări ale uneia și aceleiași proprietăți fizice subiacente a unui sistem., Această proprietate este responsabilă pentru inerția și forța interacțiunii gravitaționale a sistemului („manifestări de masă”) și este, de asemenea, responsabilă de capacitatea potențială a sistemului de a efectua lucrări sau încălzire („manifestări energetice”), sub rezerva limitărilor altor legi fizice.în fizica clasică, energia este o cantitate scalară, conjugatul canonic la timp. În relativitatea specială de energie este, de asemenea, un scalar (deși nu un scalar Lorentz, ci o componentă de timp a energiei–impuls 4-vector)., Cu alte cuvinte, energia este invariantă în ceea ce privește rotațiile spațiului, dar nu invariantă în ceea ce privește rotațiile spațiului-timp (= impulsuri).
