энергия

Физический размер
Фамилия энергия
Обозначение формулы
Размер и
система единиц
Ед. изм измерение
SI J = кг·м 2·с −2
  = N·м
  = Вт·s
L 2·М.·Т −2
cgs эрг L 2·М.·Т −2

Энергия - это фундаментальная физическая величина, которая играет центральную роль во всех областях физики, а также в технологии , химии , биологии и экономике . Ваша единица СИ - джоуль . Практическая значимость энергии часто является то , что физическая система в степени тепла испускает работу себе или излучение может испускать, где снижаются его энергия. В системе, закрытой от окружающей среды , общая энергия не меняется (закон сохранения энергии ). Важность энергии в теоретической физике заключается, среди прочего, в том факте, что закон сохранения энергии, изначально являвшийся фактом опыта, уже может быть выведен из того факта, что фундаментальные физические законы природы неизменны с течением времени.

Энергия поступает в различных формах энергии, которые можно преобразовывать друг в друга . Примерами форм энергии являются потенциальная , кинетическая , электрическая , химическая и тепловая энергия (тепловая энергия). Примерами таких преобразований энергии являются то, что человек поднимает пакет или разгоняет велосипед , заряжается аккумулятор , что живое существо осуществляет обмен веществ или обогреватель выделяет тепло.

Энергия системы зависит от ее состояния , т.е. ЧАС. от параметров системы и текущих значений ее переменных . Форма этой зависимости определяет временное развитие системы в каждой детали в соответствии с гамильтоновыми уравнениями движения , уравнением Шредингера или уравнением Дирака .

Согласно теории относительности , энергия покоя и масса будут связаны по эквивалентности массы и энергии ( ).

История термина

Слово энергия восходит к древнегреческому ἐνέργεια , energeia , которое в Древней Греции имело чисто философское значение в смысле «живая реальность и эффективность» (см. Также « действие и потенция »). Как научный термин, это слово впервые было введено в механику в 1807 году физиком Томасом Янгом . Новое количество энергии должно указывать на силу очень специфических эффектов, которые движущееся тело может производить своим движением, и которые не могут быть определены исключительно посредством его импульса («масса, умноженная на скорость»). Начиная с исследования удара двух тел, проведенного Христианом Гюйгенсом , Кристофером Реном и Джоном Уоллисом около 1668 года, было известно об импульсе, который сохраняется в упругих и неупругих телах, т.е. ибо нерушимое «величие движения» есть. Однако в других процессах тела разной массы вызывают эффекты разной величины, даже если они имеют одинаковый импульс. Это включает, например, высоту, которой достигает тело, когда оно движется вверх, или глубину отверстия, которое оно делает в мягкой массе при ударе. Эффект увеличивается не пропорционально скорости, как импульс, а пропорционально квадрату скорости. Поэтому в 1686 году Готфрид Вильгельм Лейбниц описал размер как истинную меру величины движения и назвал его vis viva («жизненная сила»). Это название последовало за языком, который использовался в то время, когда тело могло оказывать воздействие только посредством присущих ему сил . Однако название « живая сила » «вызвало катастрофическое смешение идей и бесчисленное множество недоразумений из-за смешения с ньютоновским понятием силы» (согласно Максу Планку в его удостоенном наград изложении истории сохранения энергии в 1887 г. Лейбниц утверждал следующее:

Вес, равный высоте, которую нужно поднять, столько же работы, сколько весу высоты, которую нужно поднять (принцип рычага). По словам Галилео, Галилей находится в свободном падении , поэтому конечная скорость в первом случае вдвое выше, чем во втором. Если исходить из внутренней (живой) силы, с которой он хочет измерить эту работу ( скрытая форма живой силы ), тогда живая сила сохраняется , то есть, а не как думали последователи Декарта.

Даниэль Бернулли уже вывел правильный префактор кинетической энергии в 1726 году. С ним, как и с другими аналитическими механиками XVIII века, такими как Леонард Эйлер (например, рассмотрение упругой деформации), Жозеф Луи Лагранж (Mécanique Analytique 1788), также есть предшественники концепции потенциальной энергии (термин потенциальная функция происходит от Джордж Грин В 1828 году независимо от этого он был введен Карлом Фридрихом Гаусом в 1840 году, но уже был известен как Лагранж и Лаплас как потенциальный). Концепция была уже известна Лейбница (при его выводе из ) и Иоганна I Бернулли , который был первым , чтобы сформулировать принцип сохранения живых сил в 1735 году (Лейбниц также была идея, например, в своем 5 - м письме к Самуилу Кларк ), в частности от студента Лейбница Кристиана Вольфа . В то время говорили о потенциальной энергии как о скрытой форме живой силы, которая, например, распределяется между более мелкими частицами тела во время неупругих столкновений.

Чтобы иметь возможность предсказать упомянутые эффекты движения тела , Янг определил количество энергии как способность тела преодолевать определенное расстояние против силы сопротивления. Он также заметил, что работа, выполняемая в форме подъемной работы над телом, позже количественно отражается в его энергии, но еще не придумал концепции преобразования различных форм энергии, а также сохранил формулу Лейбница и в значительной степени использовался. По-прежнему сторонник картезианской точки зрения сил .

В XVIII веке механика и физика не особенно интересовались энергией; важные исследователи, такие как Эйлер, рассматривали спор о Vis Viva , истинной мере силы, как вопрос для философов, и решение уравнений движения в основном касалось с небесной механикой. Концепция энергии в сегодняшнем понимании возникла не из аналитической механики XVIII века, а из прикладных математиков французской школы, в том числе Лазара Карно , который писал, что живая сила - это либо как сила, умноженная на путь (как скрытая живая сила) может проявиться. Количественное определение работы («сила, умноженная на путь» или ) было дано одновременно Кориолисом и Понселе в 1829 году , очевидно независимо друг от друга, а также Янгом. Кориолис также нашел правильное выражение для кинетической энергии , которую Ренкин впервые назвал кинетической энергией в 1853 году .

В связи с паровым двигателем возникла идея, что тепловая энергия является причиной энергии движения или механической работы во многих процессах. Отправной точкой было то, что вода превращается в газообразное состояние с помощью тепла, а расширение газа используется для перемещения поршня в цилиндре. Силовое движение поршня снижает тепловую энергию водяного пара. Связь между механической энергией и теплом была продемонстрирована в прославленных экспериментах Бенджамина Томпсона (граф Рамфорд, Мюнхен 1796, 1798) и Хэмфри Дэви (1799).

Физик Николя Карно признал, что выполнение механической работы требует изменения объема пара. Он также обнаружил, что горячая вода в паровом двигателе не только охлаждается за счет теплопроводности. Карно опубликовал эти открытия в 1824 году в широко известной статье о принципах работы паровой машины. Эмиль Клапейрон перевел открытия Карно в математическую форму в 1834 году и разработал графическое представление цикла Карно , которое используется до сих пор .

В 1841 году немецкий врач Юлиус Роберт Майер опубликовал свою идею о том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, а только преобразовать. Он написал другу: «Я утверждаю, что ...: сила падения, движение, тепло, свет, электричество и химическое различие ponderabilia - это один и тот же объект в разных проявлениях». Количество тепла, которое теряется в паровой двигатель будет точно такой же механической работой, что и машина. Сегодня это известно как «сохранение энергии» или «первый закон термодинамики».

В 1854 году физик Рудольф Клаузиус усовершенствовал идеи о преобразовании энергии. Он показал, что только часть тепловой энергии может быть преобразована в механическую работу. Тело, в котором температура остается постоянной, не может совершать никаких механических действий. Клаузиус разработал второй закон термодинамики и ввел понятие энтропии. Согласно второму закону, тепло не может проходить независимо от более холодного тела к более теплому.

В 1847 году Герман фон Гельмгольц сформулировал принцип «о сохранении силы» и невозможности вечного двигателя ( perpetuus , лат. Eternal; mobilis , лат.: Подвижный) типа 1, генерируемого энергией при вложении в него. Гельмгольц нашел свои открытия, работая с электрической энергией от гальванических элементов, в частности, цинко-бромного элемента. Позднее он связал развитие энтропии и тепла при химическом преобразовании со свободной энергией . В 1840 - х годах, однако, как Майер и Гельмгольц возникли трудности с публикацией их результатов, так как оба были изначально считается не-специалист аутсайдеры и физики в Германии были и были в оборонительной позиции против натурфилософии окружности вокруг Шеллинга , которые имели влияние с конца 18 века, оба подозревались в том, что они сторонники этой умозрительной физики .

В 1878 году Джозия Гиббс пришел к таким же открытиям, что и Гельмгольц с электрохимическими ячейками. Химические реакции происходят только тогда, когда свободная энергия уменьшается. Свободная энергия может использоваться, чтобы предсказать, возможно ли химическое превращение или как будет вести себя химическое равновесие реакции при изменении температуры.

После того, как Вильгельм Вин (1900), Макс Абрахам (1902) и Хендрик Лоренц (1904) уже опубликовали размышления об электромагнитной массе, Альберт Эйнштейн опубликовал в 1905 году в рамках своей специальной теории относительности знание о том, что масса и энергия эквивалентны. .

Формы энергии и преобразования энергии

Металлический станок, окрашенный в черный цвет, который стоит на открытой выставочной площадке.  Шестерня диаметром более одного метра через коленчатый вал соединяется с напорным цилиндром (высотой около 40 см и шириной 20 см).  Ограничитель скорости подключается через малые шестерни.  Машина не имеет корпуса и имеет высоту около 2 метров.
Паровые двигатели преобразуют тепло в механическую энергию.
Велосипедная динамо-машина на колесной шине, без контроля над шиной.
Велосипеда динамо преобразует механическую энергию в электрическую энергию.
Куча дров в поле.  В огне видна мебель и европоддоны, поднимается коричневый шлейф дыма.  Перед огнем сидит ребенок.
Огонь преобразует химическую энергию в тепло.

Энергия может содержаться в системе по-разному. Эти возможности называются формами энергии . Примерами форм энергии являются кинетическая энергия , химическая энергия , электрическая энергия или потенциальная энергия . Различные формы энергии могут быть преобразованы друг в друга, при этом сумма количества энергии по различным формам энергии всегда одинакова до и после преобразования энергии.

Преобразование может происходить только таким образом, чтобы все другие сохраняемые количества системы имели одинаковое значение до и после преобразования. Например, преобразование кинетической энергии ограничивается сохранением импульса и момента количества движения системы. Гироскоп может быть замедлен только вниз и , таким образом , теряет энергию , если она одновременно излучает угловой момент. Подобные ограничения существуют и на молекулярном уровне. Многие химические реакции, которые были бы энергетически возможны, не происходят спонтанно, потому что они нарушают сохранение количества движения. Другие сохраняемые величины - это количество барионов и количество лептонов . Они ограничивают преобразование энергии посредством ядерных реакций . Энергия, содержащаяся в массе материи, может быть полностью преобразована в другую форму энергии только с таким же количеством антивещества . Без антивещества преобразование с помощью ядерного деления или ядерного синтеза удается лишь в небольшой степени.

В термодинамике является второй закон термодинамики еще одно условие для преобразования перед: энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Отвод тепла без параллельного выполнения других процессов означает охлаждение. Однако более низкая температура соответствует пониженной энтропии и, следовательно, противоречит второму закону. Чтобы преобразовать тепло в другую форму энергии, другая часть системы должна быть нагрета в обмен на охлаждение. Поэтому преобразование тепловой энергии в другие формы энергии всегда требует разницы температур. Кроме того, не все количество тепла, накопленное в разнице температур, может быть преобразовано. Тепловые двигатели используются для преобразования тепла в механическую энергию. Отношение максимально возможной работы, задаваемой вторым законом, к количеству потребляемого тепла называется КПД Карно . Чем больше разница температур, с которой работает тепловая машина, тем она больше.

На другие преобразования не так сильно влияют ограничения законов сохранения и термодинамики. Таким образом, электрическая энергия может быть почти полностью преобразована во многие другие формы энергии с небольшими техническими усилиями. Например, электродвигатели преобразуют их в кинетическую энергию.

Большинство преобразований не происходит полностью в единую форму энергии, а скорее часть энергии преобразуется в тепло. В механических приложениях тепло в основном создается за счет трения . В электрических системах электрическое сопротивление или вихревые токи часто являются причиной выделения тепла. Это тепло обычно не используется и называется потерей. В связи с электрическим током излучение электромагнитных волн также может происходить как нежелательная потеря. Соотношение между успешно преобразованной энергией и использованной энергией называется эффективностью .

В технических приложениях часто сочетаются несколько преобразований энергии. На угольной электростанции химическая энергия угля сначала преобразуется в тепло посредством сгорания и передается водяному пару. Турбины преобразуют тепло пара в механическую энергию и, в свою очередь, приводят в действие генераторы, которые преобразуют механическую энергию в электрическую.

Энергия в классической механике

Маятник маятниковых часов регулярно преобразует кинетическую энергию в потенциальную и наоборот. Часы используют позиционную энергию гирь в гравитационном поле Земли для компенсации потерь на трение.

В классической механике энергия системы - это ее способность работать . Работа преобразует энергию между различными формами энергии. Особая форма законов Ньютона гарантирует, что сумма всех энергий не изменится. При этом трение и связанные с ним потери энергии не учитываются.

Теорема Нётер позволяет дать более общее определение энергии, которое автоматически учитывает аспект сохранения энергии. Все естественные законы классической механики инвариантны относительно сдвигов во времени. Их характерно то, что они применяются в неизменном виде во все времена. Теорема Нётер утверждает, что существует физическая величина для этой симметрии по отношению к сдвигу во времени, значение которой не меняется со временем. Это количество и есть энергия.

Из закона сохранения энергии и неизбежной потери энергии из-за трения следует, что невозможно построить механическую машину, которая могла бы работать в течение любого промежутка времени ( вечное движение ). Кроме того, сохранение энергии вместе с сохранением количества движения позволяет делать заявления о результате столкновений между объектами без необходимости знать точный механизм столкновения.

Энергия и движение

Кинетическая энергия является энергией , которая присуща в состоянии движения тела. Она пропорциональна массе и квадрату скорости относительно инерциальной системы, в которой описывается тело.

.

Количество кинетической энергии зависит от точки зрения, с которой описывается система. Часто используется инерциальная система, которая находится в состоянии покоя по отношению к земле.

Помимо поступательного движения, расширенное тело может также совершать вращательное движение. Кинетическая энергия, содержащаяся во вращательном движении, называется вращательной энергией . Это пропорционально квадрату угловой скорости и момента инерции тела.

Энергия и потенциал

Потенциальная энергия , также называемая позиционной энергией , поступает в тело через его положение в силовом поле , при условии, что это консервативная сила . Это может быть, например, гравитационное поле Земли или силовое поле пружины . Потенциальная энергия уменьшается в направлении силы и увеличивается против направления силы; перпендикулярно направлению силы она постоянна. Если тело перемещается из точки, в которой оно имеет высокую потенциальную энергию, в точку, в которой она ниже, оно выполняет столько же физической работы, сколько его потенциальная энергия уменьшилась. Это утверждение применяется независимо от того, каким образом тело попало из одной точки в другую.

Потенциальная энергия тела с массой в однородном гравитационном поле с гравитационным ускорением пропорциональна высоте над началом системы координат:

.

Во время свободного падения эта потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию за счет ускорения тела.

Поскольку начало координат может быть выбрано произвольно, позиционная энергия тела никогда не указывается в абсолютных величинах и не может быть измерена. Только их изменения измеримы.

В случае периодических движений потенциальная энергия регулярно преобразуется в кинетическую и обратно в потенциальную. В случае маятника , например, потенциальная энергия максимальна в точках разворота; кинетическая энергия здесь равна нулю. Когда нить висит вертикально, масса достигает максимальной скорости и, следовательно, максимальной кинетической энергии; потенциальная энергия здесь минимальна. Планета имеет самый высокий потенциал , но и самую низкую кинетическую энергию в своей точке отдаленного от солнца. До точки, ближайшей к Солнцу, его орбитальная скорость увеличивается ровно настолько, чтобы увеличение кинетической энергии точно компенсировало уменьшение потенциальной энергии.

Упругая энергия - это потенциальная энергия атомов или молекул, смещенных из их положения покоя в упруго деформированном теле, например механической пружине . В общем, энергия, которая сохраняется (или высвобождается) в теле во время упругой или пластической деформации , называется энергией деформации .

Энергия в термодинамике

Две диаграммы в горизонтальном расположении, на которых соединены друг с другом желтые круги, на которых нанесены названия форм энергии.  В середине находится термин «тепловая энергия», окруженный пятью другими терминами, которые связаны с соседними, как в кольце: «электрическая энергия», «потенциальная энергия», «химическая энергия», «энергия ядерной связи» и « Кинетическая энергия".  Вверху слева на двух диаграммах первый закон термодинамики выделен курсивом, над диаграммой справа второй закон описан таким же образом.  Кроме того, на диаграмме справа есть синий круг поменьше внутри желтого круга.  В легенде диаграммы желтые области описаны как «эксергия», а синие области как «анергия».
Рис. 1 Тепловая энергия и основные принципы термодинамики (порядок энергий во внешнем круге произвольный).
Рис.2 Компоненты эксергии в топливе после сгорания в дымовых газах, после передачи тепла водяному пару и после перехода в отапливаемое помещение
Рис.3 Эксергия в дымовых газах
Рис.4 Эксергия в водяном паре при 32 бар и 350 ° C
Рисунок 5 Упрощенная диаграмма потоков эксергии и энергии при производстве и распределении электроэнергии от паровой электростанции.

Тепловая энергия представляет собой энергиюкотораяхранитсяв неупорядоченном движении атомов или молекул в веществе . В просторечии он также известен как «тепловая энергия» или «теплосодержание». Преобразование тепловой энергии в другие формы энергии описывается термодинамикой . Здесь проводится различие между энергией, содержащейся в системе ( внутренняя энергия , энтальпия ), и теплом ,тепловой энергией, переносимойчерез границу системы .

Сумма тепловой энергии, энергии вибрации в теле и энергии связи называется внутренней энергией . В некоторых источниках проводится различие между тепловой внутренней энергией , химической внутренней энергией и ядерной энергией как внутренней энергией , но это выходит за рамки термодинамики.

Преобразование тепловой энергии в механическую работу

Хотя все формы энергии при определенных условиях (см. # Формы энергии и преобразования энергии ) могут быть полностью преобразованы в тепловую энергию ( первый закон термодинамики ), это не применяется в обратном направлении. Второй закон термодинамики описывает очень важное ограничение здесь (рис. 1). В зависимости от температуры, при которой доступно тепло, только более или менее большая его часть может быть преобразована в механическую работу с помощью цикла , а остальная часть выделяется в окружающую среду. В технической термодинамике преобразуемые части формы энергии также называются эксергиями . Эксергия не является переменной состояния в строгом смысле слова, потому что она не только зависит от состояния системы, но и от состояния окружающей среды , которое задается в отдельном случае, как правило, следует предполагать. Затем, используя блок-схемы эксергии, можно проследить цепочку преобразования энергии, в которой должны быть найдены предотвращаемые потери (трение или другие диссипативные процессы ). На Рисунке 2 вы можете видеть, что когда химическая энергия (100% эксергии) преобразуется в тепло при средней температуре 1000 ° C, доля эксергии составляет только 80%. Если эта энергия передается в виде тепла в паровом котле с водяным паром при 273 ° C, только около 50% остатков , и , когда он передается в комнату , нагретую до 20 ° C, только около 7% остатков. Всегда предполагалась температура окружающей среды 0 ° C.

Расчет максимальной работы (эксергия)

При расчете эксергетических доли тепловой энергии является рассмотрение ли источника тепла или имеет температуру постоянной, например, в один кипячения реактора с водой в случае приблизительно 270 ° С, среда ли тепловая мощность в себя охлаждение дымовых газов происходит место,. В первом случае эксергетическая составляющая может быть определена через КПД Карно по верхней температуре процесса и температуре окружающей среды, в противном случае тепло и эксергия получаются из интеграла площадей , который выводится из диаграммы TS на рисунке 3 и из Диаграмму TS на рисунке 4 можно увидеть. Формула:

.

Отношения также можно прочитать прямо из диаграмм. Здесь: T - абсолютная температура в К, S - энтропия в Дж / К, H - энтальпия в Дж, индекс 1: начальное состояние, индекс U: состояние окружающей среды.

Разница энтальпий - это, по сути, (в данном случае) энергия, передаваемая в виде тепла от топлива воздуху для горения. Он отображается как площадь под кривой изобарического тепловложения. Эксергетическая часть находится выше температуры окружающей среды, другая непригодная для использования часть, называемая « анергия », находится ниже этой линии. Уменьшение эксергии в цепочке преобразования энергии также называется амортизацией энергии .

Когда тепло от дымового газа передается рабочей среде, воде, которая при этом испаряется и перегревается , происходит дальнейшая потеря эксергии . Максимальная механическая мощность, которая может быть получена из массового расхода пара для процесса с перегретым паром, например, 16 бар и 350 ° C, ни при каких обстоятельствах не должна рассчитываться с использованием КПД Карно при этой температуре. Результат с КПД 52% будет неверным. Это противоречило бы второму закону, поскольку средняя температура подводимого тепла в пароводяном цикле ниже. Если отсутствует внутренняя теплопередача ( регенеративный предварительный подогрев питательной воды ) от конденсирующегося пара к питательной воде, как в случае с паровыми двигателями, в которых в теоретически наиболее благоприятном случае пар может быть обратимо доставлен в воду в условиях окружающей среды, a максимальный КПД 34 достигается при температуре окружающей среды 15 ° C, 4%. Обратимый процесс Клаузиуса-Ренкина на фиг. 4 с давлением пара 32 бар и конденсацией при 24 ° C, с другой стороны, достигает 37,2%. При таких параметрах пара в реальных процессах достигается гораздо меньшая эффективность.

Энергетическая и эксергетическая блок-схема производства электроэнергии

На рисунке 5 упрощенная диаграмма потока энергии для выработки электроэнергии большой паровой электростанцией ( состояние острого пара 260 бар, 545 ° C, предварительный нагрев питательной воды до 276 ° C) с распределением конечному пользователю сравнивается с соответствующей эксергетической энергией. Диаграмма потока. Из этого видно, что значительная часть амортизации энергии происходит не в конденсаторе или в последующей градирне электростанции, где рассеивается отработанное тепло , а, когда преобразуется химическая энергия топлива. в тепловую энергию ( сгорание ) и когда тепло передается от дымового газа к пару. Числовые значения для распределения мощности являются справочными, в отдельных случаях они могут незначительно отличаться.

Солнечная энергия

Солнечная энергия , которая достигает Земли через излучение также испытывает потерю эксергии на пути к земной поверхности . В то время как внутренняя энергия Солнца при температуре около 15 миллионов К по-прежнему состоит практически из чистой эксергии, Солнце излучает на поверхности Земли температуру около 6000 К, которая должна быть установлена ​​на уровне около 300 К. Сосредоточив солнечные лучи в коллекторе, вы не получите выше температуры поверхности Солнца - даже в высоких горах, где поглощение по этой атмосфере Земли практически не играет роли. Фактор Карно приведет к эффективности около 95%. Тогда, однако, больше не будет передаваться энергия. Термодинамический предел ниже этого при температуре абсорбера 2500 К с эффективностью прибл. 85%. На практике также наблюдаются диссипативные потери, начиная с поглощения в атмосфере, из-за свойств материала кристаллических ячеек и заканчивая омическим сопротивлением фотоэлектрических систем , так что на сегодняшний день можно достичь КПД менее 20%. Наивысший КПД, достигнутый в настоящее время, составляет 18,7%.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Энергетический баланс централизованного теплоснабжения (красный: эксергия, синий: энергия)
Энергетический баланс теплового насоса (красный: эксергия, синий: анергия)

Обычно для нагрева требуется тепло с небольшим количеством эксергии. Поэтому нагрев с помощью электроэнергии с использованием резистивного нагрева является «пустой тратой энергии». Везде, где механическая энергия или электричество вырабатываются из тепла и в то же время существует потребность в тепле, использование отработанного тепла для отопления имеет больше смысла, чем отдельная подача тепла. На тепловой электростанции , если она работает с паром, пар отбирается из турбины, температура которой достаточно высока для передачи тепла конденсации потребителю через сеть централизованного теплоснабжения . В качестве альтернативы отходящее тепло от стационарных двигателей внутреннего сгорания также используется на блочных тепловых электростанциях . Здесь также следует упомянуть тепловой насос . Он затрачивает работу на поглощение тепла (энергии) из окружающей среды и вместе с работой привода выделяет ее в виде теплового тепла при соответственно высокой температуре. Если грунтовые воды с температурой 10 ° C доступны в качестве источника тепла и комнату необходимо нагреть до 20 ° C, тепловой насос с технологией Карно может обеспечить 29 кВтч тепла, используя один киловатт-час работы привода (коэффициент полезного действия = 29). Настоящие тепловые насосы, которые работают с попеременно испаряющимся и конденсирующимся хладагентом при разном давлении, достигают коэффициента производительности примерно от 3 до 5.

Химическая энергия

Химическая энергия - это форма энергии, которая хранится в виде химического соединения в энергоносителе и может выделяться во время химических реакций . Он описывает энергию, которая связана с электрическими силами в атомах и молекулах, и может быть разделена, с одной стороны, на кинетическую энергию электронов в атомах и, с другой стороны, на электрическую энергию взаимодействия между электронами и протоны.

Он высвобождается в случае экзотермических реакций и должен добавляться для эндотермических реакций .

Энергия в электродинамике

В электрическом поле , если нет изменяющегося во времени магнитного поля , можно определить электрический потенциал . Тогда носитель заряда имеет потенциальную электрическую (электростатическую) энергию, которая пропорциональна потенциалу и количеству его заряда. Поскольку нулевую точку потенциала можно определить произвольно, энергия также не определена абсолютно. Однако для двух точек в потенциальном поле разность энергий не зависит от выбора нулевой точки потенциала. В электротехнике разности потенциалов соответствуют напряжениям ; Потенциал Земли обычно выбирается в качестве нулевой точки шкалы потенциалов .

Для расположения двух электрических проводников электростатическая энергия пропорциональна квадрату разницы между электрическими потенциалами двух проводников. Удвоенная константа пропорциональности называется электрической емкостью . Конденсаторы - это электротехнические компоненты, которые обладают большой емкостью и поэтому могут накапливать энергию.

Эквивалентной точке зрения, что электростатическая энергия переносится зарядами, является интерпретация, согласно которой энергия распределяется в пустом пространстве между зарядами. При таком подходе плотность энергии, то есть энергия, приходящаяся на элемент объема, пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Если в электрическом поле присутствует диэлектрик , энергия также пропорциональна диэлектрической проницаемости .

Если заряд перемещается в вакууме в место с более низким электрическим потенциалом, кинетическая энергия заряда увеличивается настолько же, насколько уменьшается потенциальная энергия. Это происходит, например, с электронами в электронной трубке , в рентгеновской трубке или в экране электронно-лучевой трубки . Если, с другой стороны, заряд движется по градиенту потенциала в проводнике, он немедленно высвобождает энергию, которую он поглотил в виде тепла, в проводящую среду. Мощность пропорциональна градиенту потенциала и силе тока .

Электрическая энергия может переноситься носителями заряда, движущимися по проводникам без какого-либо значительного градиента потенциала. Так обстоит дело, например, с воздушными линиями или силовыми кабелями, с помощью которых электрическая энергия перетекает от электростанции к потребителю.

Магнитная энергия содержится в магнитных полях, например в сверхпроводящем накопителе магнитной энергии .

Энергия, хранящаяся в идеальном электрическом колебательном контуре, непрерывно изменяется между электрической и магнитной формами. Сумма парциальных энергий одинакова в любой момент времени (сохранение энергии). Чистая магнитная или электрическая составляющая энергии в два раза превышает частоту электрических колебаний.

Энергия в теории относительности

Согласно специальной теории относительности , в массу объекта в остальных соответствуют в энергию покоя в

.

Таким образом, энергия покоя эквивалентна коэффициенту (квадрату скорости света ) массы . Остальная энергия может быть преобразована в другие формы энергии во время определенных процессов и наоборот. Продукты реакции ядерного деления и ядерного синтеза имеют значительно меньшие массы, чем исходные материалы. В физике элементарных частиц , наоборот, также наблюдается генерация частиц и, следовательно, энергии покоя из других форм энергии.

В классической механике энергия покоя не учитывается, потому что она не имеет значения, пока частицы не превращаются в другие частицы.

Общая теория относительности далее обобщает понятие энергии и содержит единое представление энергий и импульсов в качестве источников для космических искривлений через тензор энергии-импульса . Отсюда посредством сокращений можно получить такие переменные, как плотность энергии, которую может измерить наблюдатель. Энергетическое содержание имеет решающее значение для исследования развития пространства-времени. Таким образом, можно предсказать коллапс пространства-времени к сингулярности, исходя из энергетических условий .

Энергия в квантовой механике

В квантовой механике оператор Гамильтона определяет, какую энергию можно измерить в физической системе. Связанным состояниям системы могут соответствовать только дискретные , т.е. не произвольные, значения энергии. Вот почему частицы или лучи, испускаемые при переходах между этими состояниями, имеют линейчатый спектр .

Квантование энергии происходит при электромагнитных волнах : Волна частоты может только излучать энергию в пакетах , в результате чего планковский кванта действия есть.

Техническое использование энергии

Поколение энергии не представляется возможным в силу закона сохранения энергии. Тем не менее, термин « производство энергии» используется в экономической жизни для обозначения преобразования определенной формы энергии (например, электрического тока) из другой формы (например, химической энергии в форме угля). Точно так же нет потребления энергии в строгом физическом смысле, но то, что имеется в виду с экономической точки зрения, - это переход от легко используемой первичной энергии (например, нефти, газа, угля) к форме энергии, которую больше нельзя использовать ( например, отходящее тепло в окружающую среду). От энергосбережения упоминается, что если обнаруживаются более эффективные процессы, требующие меньше первичной энергии для той же цели, или иным образом, например, за счет снижения потребления, потребление первичной энергии снижается.

Физика описывает «потребление энергии», в общих чертах введенное выше, с точным термином увеличения энтропии . В то время как энергия всегда сохраняется в замкнутой системе, энтропия всегда увеличивается с течением времени или, в лучшем случае, остается постоянной. Чем выше энтропия, тем труднее использовать энергию. Вместо увеличения энтропии однозначно можно говорить об обесценивании энергии .

В частности, закон увеличения энтропии предотвращает прямое преобразование тепловой энергии в кинетическую или электрическую энергию. Вместо этого всегда требуются источник тепла и радиатор (= охлаждение ). Согласно Карно , максимальный КПД можно рассчитать по разнице температур.

Пограничный случай преобразования энергии без увеличения энтропии называется обратимым процессом . Спутник на эллиптической орбите вокруг Земли является примером почти обратимого преобразования энергии: в самой высокой точке орбиты он имеет высокую потенциальную энергию и низкую кинетическую энергию, в самой нижней точке орбиты все наоборот. Переоборудование здесь может проходить тысячи раз в год без значительных потерь. В сверхпроводящих резонаторах энергия может быть преобразована туда и обратно между энергией излучения и электрической энергией миллионы или даже миллиарды раз в секунду, также с потерями менее одной на тысячу на преобразование.

Во многих процессах, которые в прошлом были связаны с большими потерями, то есть со значительным увеличением энтропии, технический прогресс позволяет снизить потери. Энергосберегающая лампа или светодиод преобразует электрическую энергию в свет намного эффективнее, чем лампа накаливания . Тепловой насос часто вырабатывает во много раз больше тепла, чем обычный электрический нагреватель с той же мощностью, за счет использования тепла из окружающей среды с определенной электрической мощностью. Однако в других областях уровень техники в течение некоторого времени был близок к теоретическому максимуму, так что здесь возможен лишь небольшой прогресс. Хорошие электродвигатели преобразуют более 90 процентов потребляемой электроэнергии в полезную механическую энергию и лишь небольшую часть - в бесполезное тепло.

В физическом смысле экономия энергии означает минимизацию амортизации энергии и увеличения энтропии при преобразовании или использовании энергии.

Удельная энергия

В естественных науках конкретный означает «основанный на определенной основе оценки» (связанная величина ). Энергия конкретной связана с определенным свойством системы, котораяможет быть описанапомощью физической величины .

Согласно DIN 5485 , удельная энергия напрямую связана с массой, а объемная плотность энергии является обозначением, связанным с размерами.

Примеры

Термодинамика и химия обозначают значения энергии, связанные с материалом, не как конкретные , а как молярные :

  • Энергия на количество вещества в Дж / моль (размерность ): молярная скрытая теплота (термодинамика)

Энергоснабжение и потребление

Потребление энергии - это разговорный термин, используемый для описания использования различных видов энергии в формах, которые могут использовать люди. Под энергоснабжением понимается снабжение потребителей этими формами энергии, включая необходимую энергетическую инфраструктуру .

Чаще всего люди используют тепловую и электрическую энергию . Человеческие потребности в первую очередь направлены на отопление , приготовление пищи и эксплуатацию оборудования и машин, чтобы облегчить жизнь. Здесь субъект обходящее потребления, например, ископаемое топливо в качестве топлива для транспортных средств значительных.

Различные источники энергии могут достигать потребителей по линиям, например, как правило, топливные газы , электрическая энергия, технологическое и отопительное тепло . Или их в значительной степени можно хранить и легко транспортировать, например каменный уголь , мазут , топливо ( бензин , дизельное топливо , керосин ), ядерное топливо , биомассу .

Спрос на энергию широко варьируется во всем мире и во много раз выше в промышленно развитых странах, чем, например, в странах третьего мира (см. Список стран с самым высоким потреблением энергии ). В промышленно высокоразвитых странах компании занимались производством и поставкой энергии для общего потребления с 19 века . Сегодня центральное производство электроэнергии и распределение между отдельными потребителями находятся на переднем плане. Кроме того, заготовка, транспортировка и переработка топлива для отопления являются важными отраслями экономики.

Энергетический ресурс

единицы

Помимо производной единицы СИ, джоуля , в зависимости от области применения также используются другие единицы измерения энергии. Ватт-секунда (Ws) и ньютон-метр (Нм) идентичны джоулям.

Электрон - вольт (эВ) используется в атомной физике , ядерной физике и физике элементарных частиц , чтобы указать энергию частиц и уровни энергии. Ридберг реже встречается в атомной физике . СГС единица эрг часто используется в теоретической физике.

Калорийность была распространена в калориметрии и до сих пор используется в просторечии и в торговле товарами в дополнение к юридическому единице джоуль при указании физиологического теплотворную из пищи . Поставщики энергии измеряют количество энергии, поставляемой потребителям, в киловатт-часах (кВтч). Каменный угль блок и блок масла используются для указания на содержании энергии первичных источников энергии. Тротиловый эквивалент используются для измерения взрывной силы взрывчатых веществ.

список

Следующие ниже преобразования в различные единицы применимы точно (числовые значения были определены определениями), за исключением случаев, когда стоит «≈».

Внесистемная единица Джоули
Электрон-вольт (эВ) 1,602.176.634  ·  10 -19 Дж
Энергия Хартри ≈ 4,359.744.722.21  ·  10 -18 Дж
эрг 1  ·  10 −7 лет
Фут-фунт 1 355 817 948 331 400,4 года
Калорийность (кКал.) 4.1868 Дж.
Счетчик килопондов ( кг / мин ) 9.80665 Дж.
Литературная атмосфера 1013,25  ·  10 2 Дж.
БТЕ 1,055,055,852,62  ·  10 3 Дж.
Метр тонна 9,806,65  ·  10 3 Дж
Лошадиная сила час 2 647,795,5  ·  10 6 Дж
кВтч 3,6  ·  10 6 г
кг в тротиловом эквиваленте 4,184  ·  10 6 Дж.
кг SCE 2 930,76  ·  10 7 Дж
Бензиновый эквивалент 3,2  ·  10 7 лет
Эквивалент нефти 4 186,8  ·  10 7 Дж
Therm 1,055,055,852,62  ·  10 8 Дж
Планковская энергия ≈ 1.956  ·  10 9 лет
Quad 1,055,055,852,62  ·  10 18 Дж
Враг (Бете) 1  ·  10 44 г

Конверсии

В следующей таблице преобразования единица, указанная слева, равна числу, умноженному на указанную выше единицу:

Джоуль (ватт-секунда) Киловатт-час Электрон-вольт Килопонд метр калорийность эрг
1 кг·м 2 / с 2 00 1 00 2,778 ·10 −7 6,242 ·10 18 00 0,102 00 0,239 0 10 7
1 кВт · ч 00 3,6 ·10 6 00 1 00 2,25 ·10 25 00 3,667 ·10 5 00 8,60 ·10 5 0 3,6 ·10 13
1 эВ 1,602 ·10 −19 00 4,45 ·10 −26 00 1 00 1,63 ·10 −20 3,83 ·10 −20 1,602 ·10 −12
1 кп·м 00 9,80665 00 2,72 ·10 −6 00 6,13 ·10 19 00 1 00 2.34 0 9,80665 ·10 7
1 кал IT 00 4,1868 00 1,163 ·10 −6 00 2,611 ·10 19 00 0,427 00 1 0 4,1868 ·10 7
1 г·см 2 / с 2 00 10 −7 0 2,778 ·10 -14 0 6,242 ·10 11 0 1.02 ·10 −8 0 2.39 ·10 −8 00 1

Порядки величины

Энергия - это величина, значение которой может меняться на много порядков даже в повседневной жизни . Примеры:

1 Дж = 1 Втс = 1 Нм
Потенциальная энергия, которая накапливается в плитке шоколада (около 100 г) на расстоянии 1 метра, когда она поднимается.
3,6 · 10 6 Дж = 3600 кДж = 3600 кВт · ч = 1 кВт · ч
Единица учета электроэнергии (электричество), газа и т. Д. Европейскому частному домохозяйству требуется около 2000–4000 кВтч электроэнергии в год.
2,9 · 10 7 Дж = 8,141 кВтч = 1 кг SKE
Одна единица каменного угля соответствует количеству энергии, которое преобразуется при сжигании 1 кг каменного угля. Это обычная мера при указании количества первичной энергии . (В 1998 году мировой оборот первичной энергии составил 14,1 Гт SCE = 390 · 10 18 Дж)
1 эВ = 1,602 176 565 (35) · 10 −19 Дж
Единица электрон-вольт используется, среди прочего, в физике твердого тела , ядерной физике и физике элементарных частиц . Фотон фиолетового света имеет энергию ки. 3 эВ, один из красных ок. 1,75 эВ.
Масса 1 кг ≙ 8,99 · 10 16 Дж
(89,875,517,873,681,764 Дж) согласно соотношению Эйнштейна : E = mc 2 .

Формулы

где жесткость пружины и отклонение пружины от положения покоя.
где масса , ускорение силы тяжести и высота , на которой находится тело.
.
где момент инерции вокруг соответствующей оси вращения и с угловой скоростью .
где электрическое напряжение , ток через линию и продолжительность времени.
где заряд , емкость и электрическое напряжение.
где индуктивность и электрический ток.
где скорость света .
где находится постоянная Планка и частота .
Тонны тротила ,
где величина по шкале Рихтера .
  • Работа, проделанная в системе во временном интервале, также может быть определена через производительность :

Смотри тоже

Портал: Энергия  - Обзор содержания Википедии по теме энергетики

литература

  • Дженнифер Куперсмит: Энергия - тонкое понятие. Oxford University Press, 2010, ISBN 0-19-954650-9 .
  • Макс Джаммер : Энергия. В: Дональд М. Борхерт (Ред.): Энциклопедия философии. Том 3. Томсон Гейл, 2005, стр. 225-234.
  • Марк Ланге : Энергия (Приложение). В: Дональд М. Борхерт (Ред.): Энциклопедия философии. Том 3. Томсон Гейл, 2005, стр. 234-237.
  • Иегуда Элкана : открытие сохранения энергии. Издательство Гарвардского университета 1974 г. (предисловие И. Бернарда Коэна ).
  • Иштван Сабо : История механических принципов. Биркхойзер 1979.
  • Мартин Бухгольц : Энергия. Как вы тратите то, чего не можете получить меньше? Шпрингер , Гейдельберг / Берлин, ISBN 978-3662497418 .

веб ссылки

Викисловарь: Энергия  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. Рудольф Эйслер: Словарь философских терминов (1904) [1]
  2. Лейбниц: Brevis демонстрации ошибок памятных вещей Cartesii. Acta Eruditorum, 1686.
  3. а б Макс Планк: Принцип сохранения энергии. Б.Г. Тойбнер, Лейпциг 1887 г.
  4. По материалам Max Jammer, Energy, Encyclopedia of Philosophy.
  5. Бернулли: Examen Principiorum Mechanicae. Comm. Акад. Петрополь. 1726, стр. 126. См. Сабо: История механических принципов. Биркхойзер, 1979, с. 71.
  6. Макс Джаммер: Энергия, Философская энциклопедия. С. 228.
  7. Томас Янг: Курс лекций по натурфилософии и механическому искусству . Johnson, 1807, стр. 44. «Та же идея несколько более кратко выражена термином энергия, который указывает на тенденцию тела подниматься или проникать на определенное расстояние в противовес тормозящей силе».
  8. Макс Джаммер: Статья Energy, Энциклопедия философии.
  9. См. Сабо: История механических принципов. С. 78, за игнорирование брошюры Эйлера Иммануила Канта от 1749 г. об истинной оценке живых сил.
  10. Макс Джаммер: Статья Energy, Энциклопедия философии.
  11. Essai sur les machines en general. 1783 г., 2-е издание 1803 г. как Principes fondamentaux de l´equilibre et du mouvement.
  12. Александр Моатти: Гаспар-Гюстав де Кориолис (1792-1843): un mathématicien, théoricien de la mécanique appliquée. Диссертация в Парижском университете, 2011 г. (PDF; 6,4 МБ; французский)
  13. Ханс Иоахим Штериг : Маленькая всемирная история науки. Том 2. Фишер Ташенбух, Гамбург, 1982, ISBN 3-596-26399-9 , стр. 89-91, 1280.
  14. Вальтер Герлах: Успехи естествознания в XIX веке. В кн . : Пропилеи всемирная история. Том 8 (19 век), 1960.
  15. Фридхельм Кайперс: Физика для инженеров и естествоиспытателей: Том 1 - Механика и термодинамика . John Wiley & Sons, 4 октября 2012 г., ISBN 978-3-527-66957-8 , стр. 248– (по состоянию на 13 июня 2013 г.).
  16. См. Также: Мартин Бухгольц: Энергия - Как вы тратите то, что не может быть уменьшено? В: Science Slam Finale 2011. 19 ноября 2011 года, доступ к 30 апреля 2020 года . или Мартин Бухгольц: Энергия - Как вы тратите то, что невозможно уменьшить? 1-е издание. Springer, Berlin Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-49741-8 , стр. 27 ff .
  17. Питер Курцвейл: Сборник физических формул. 2008, с. 15.