SI birimleri | joule |
---|---|
Diğer birimler | birçok |
Boyut | |
SI tabanı | N . m , kg . m, 2 . s -2 |
Doğa | Boyut skaler muhafazakar geniş |
Her zamanki sembol | |
Diğer boyutlara bağlantı | = |
Olarak fizik , enerji a, miktar bir kapasitesini ölçer sistemi bir değiştirme durumunu üretmek için, iş ile ilgili hareketi , elektromanyetik radyasyon veya ısı . Gelen Uluslararası Birim Sistemi (SI), enerji olarak ifade edilir joule ve taşımaktadır boyutta .
Fransızca kelime “enerji” gelen kaba Latince Energia , kendisinden türetilen antik Yunan ἐνέργεια / energeia . Bu orijinal Yunanca terim, " iktidardaki kuvvet" anlamına gelen δύναμις / dynamis'in aksine, "harekete geçen kuvvet" anlamına gelir ; Aristoteles bu terimi "mükemmel bir işlemin tam anlamıyla" , olası gerçekliğe karşı etkin gerçekliği belirtmek için kullandı.
1717'de enerji terimi , Jean Bernoulli tarafından çağdaş fiziksel anlama yönelik bir anlamda ilk kez kullanılmıştır . 1807'de Thomas Young , m · v 2 miktarını belirtmek için İngilizce enerji kelimesini tanıttı . Bu benimseme, ifade kesinliğinde önemli bir ilerleme oluşturmaktadır. Aslında, daha önce , çağdaş kuvvet , enerji ve güç kavramlarını kayıtsız bir şekilde belirtmek için kullanılan kuvvet kelimesiydi . Bu kullanım özellikle yayılmış Philosophiae naturalis principia mathematica arasında Isaac Newton dinamiklerinin denklem Formülasyondaki kelime kuvvetini kullanır. Süresi çalışmalarında tarafından 1829 yılında kendisine teklif edilecektir Gaspard-Gustave Coriolis , yardım ayrıca fizik kullanışlı farklı kavramları belirtmek için. Bununla birlikte, terimler ve kavramsal ayrımlarının yayılması hala zaman alacaktır. Yani yine 1847 yılında genelliğini ve önemini vurgularken enerjinin korunumu , Helmholtz başlıklı bir kitapta fikrini geliştirdi Kraft der Uber die Erhaltung (kuvvetin korunması Açık). 1850'de William Thomson , kuvvet yerine enerji terimini benimsemeyi açıkça önerdi . Bir diğer önemli gelişme, 1853'te William Rankine tarafından gerçekleştirilen mekanik enerjinin korunumunun modern terimlerle formüle edilmesidir. Bu önemli ilerlemeye rağmen , Fransız bilimsel literatüründe enerjinin ortaya çıkması 1875 yılına kadar değildi .
Aslında enerjinin birkaç tanımı var. Eşdeğer olarak kabul edilirler.
Genellikle enerji, günümüzde "bir cismin veya bir sistemin mekanik iş veya eşdeğerini üretme kapasitesi" olarak tanımlanmaktadır .
Daha resmi bir çerçevede, "kapalı bir fiziksel sistemin herhangi bir dönüşümü sırasında korunan fiziksel nicelik" olarak tanımlanır . Bu desteklendiğinde enerjinin korunumu prensibine . Kapalı veya yalıtılmış niteleyiciler , sürekli hareket olasılığını kredilendirecek bir yorumdan kaçınmak için belirtilir .
Heilbronn'da doktor ve doğa bilimci olan Robert Mayer , kapalı bir sistemde enerjinin korunumu ilkesini, zamanın fiziğinin armatürlerine başvurmadan doğru bir şekilde formüle eden ilk kişidir. İlkenin keşfedileceği beklentisi üzerine çıkan tartışmalar, depresyona giren ve intihar girişiminde bulunan Mayer'i etkiler. Bunun üstesinden gelir ve ödüller çok sonra gelir. Tübingen Üniversitesi'nden fahri doktora aldı .
Richard Feynman , fizik derslerinde , örneğin, bu tanımdan, kaldıraç , kasnak ve diğer mekanizmalardan oluşan çeşitli cihazlar üzerindeki düşüncelerin yardımıyla yerçekimi potansiyel enerjisinin ifadesini elde etti .
Jean-Marc Jancovici'ye göre bu resmi tanımın doğal sonucu , enerjinin herhangi bir dönüşüme müdahale etmesidir : "Çevremizdeki dünya değişir değişmez, enerji devreye girer ve enerji [miktarı] ölçülür. öncesi ve sonrası arasındaki dönüşüm derecesi” . Bu da enerjinin ekonomi ve sanayideki önemini açıklıyor.
Enerji, çok farklı fenomenler arasındaki etkileşimleri ölçmek için yaratılmış bir kavramdır; fiziksel fenomenler arasındaki değiş tokuşun biraz ortak para birimidir . Bu değişimler termodinamiğin yasaları ve ilkeleri tarafından kontrol edilir . Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu (BIPM) tarafından Uluslararası Sistemde (SI) tanımlanan enerji birimi joule'dür .
Bir fenomen başka bir fenomene neden olduğunda, ikincisinin yoğunluğu birincisine bağlıdır. Örneğin, bir bisikletçinin kaslarındaki kimyasal reaksiyonlar , bisikletin hareket etmesine neden olur. (Hız demek ki) bu hareketin şiddeti ölçülebilir bisikletçi kasların, kimyasal reaksiyonların yoğunluğuna bağlı (şeker miktarını tarafından "yanmış" nefes , metabolizma kas).
Başka bir örnek alalım. Bir içten yanmalı motor , bir silindirin içinde gerçekleşen kimyasal bir reaksiyon, yanma yoluyla çalışır . Yakıtın (benzin, ısı motoru durumunda yakıt olarak da adlandırılır ) oksitleyici (havadaki oksijen ) ile reaksiyonu, ısı ve ışık emisyonu ile gaz üretir, bu da sıcaklıkta ve basınçta bir artışa neden olur. silindir. Bu gaz ile pistonun diğer tarafındaki atmosfer arasındaki basınç farkı, ikincisini hareket ettirir, bu da mekanik bir şanzımandan geçerek tekerlekleri döndürmek ve bir araç durumunda çeşitli bileşenleri tahrik eder. Geçerken, ısınma ve aşınmaya neden olacak mekanik sürtünme olacaktır.
Bu nedenle , momentumlarında bir artışa neden olan, gazın sıcaklığında bir artışa ve dolayısıyla basıncında bir artışa neden olan moleküllerin yeniden düzenlenmesi (yırtılma ve kimyasal bağların yeniden oluşturulması ) vardır . İkincisi, bir şanzıman sistemini tahrik edecek ve böylece bir yandan örneğin bir arabanın tekerleklerine veya bir alternatöre bağlanabilen bir ekseni döndürebilecek bir katının (piston) hareketine neden olur. Bu alternatörün hareketli parçasının tahriki, bir bobin içinde indüksiyon yoluyla elektronların yer değiştirmesine (elektrik akımı) neden olacak bir mıknatısı döndürecektir.
Enerji kavramı, ilk olgunun yoğunluğuna (üretilen gaz ve ısı miktarı) göre çeşitli olayların yoğunluğunu (örneğin arabanın hızı ve alternatör tarafından üretilen elektrik miktarı) hesaplamayı mümkün kılacaktır. yanmanın kimyasal reaksiyonu ile).
Uyarılar
Enerji kavramı , sanayi devriminin temeli olan dönüşüm ( kimya ve metalurji gibi ) ve mekanik aktarım fenomenlerinin incelenmesi için esastır . Enerjinin fiziksel kavramı bu nedenle mantıksal olarak anlattı XIX inci yüzyılın.
1652'de Huygens , m · v 2 miktarının tüm elastik şok durumlarında korunan miktar olduğunu gösterir .
1686'dan itibaren Leibniz bu niceliğe "kuvvet" , "canlı kuvvet" onun kinetik kısmı ve "ölü kuvvet" olarak adlandırılan potansiyel enerji adını vermiş , daha sonra " dinamik " adı altında ilk enerji teorisini geliştirmiştir, burada m · V 2 ' dir. maddedeki aktif ilke, onun birincil gerçekliği.
1788'de Lagrange , daha sonra “ kinetik enerji ” ve “ potansiyel enerji ” olarak adlandırılacak olan iki miktarın toplamının değişmezliğini gösterir .
In XIX inci yüzyılda bulguları veya vurgulamak için bir dizi deneyler ile elde edilir yasaları :
Bu nedenle, enerji sayesinde, farklı olarak gözlemler relate hareketi , rotasyon , sıcaklık , renk bir gövde ya da bir bir ışık , tüketim ve şeker veya odun kömürü , aşınma ve yıpranma. , Vs.
Ayrıca, eğer enerji korunur ve dönüştürülürse, bazı dönüşümler kolay veya tersine çevrilebilir, bazıları ise değildir.
Örneğin, düşme yüksekliğini ısıtmaya dönüştürmek kolaydır, bunu tamamen yapabiliriz, diğer yandan tersi zordur (karmaşık cihazlar gereklidir) ve "enerjinin" bir kısmının dağılması ve bu nedenle kaybolması gerekir. . Bu gözlem, entropi fikrinin temeli olacaktır .
Enerjinin (miktar olarak) korunumu kavramından, bu yasayı açıkça ihlal eden karmaşık sistemlere (özellikle biyolojik ve kimyasal ) farklı bir perspektiften bakabileceğiz ve yeni bilimsel ilerleme ile sonsuza kadar başaracağız. enerjinin korunumu varsayımını veya ilkesini doğrulayın.
Enerji önemli bir kavramdır fiziği dan devletler, XIX inci yüzyıl.
Enerji kavramını fiziğin tüm dallarında buluruz :
Gelen Uluslararası Birim Sistemi , enerji cinsinden ifade bir miktar jul ( ).
Gelen fiziksel bilim , enerji değişimi fenomeni yoğunluğunu ifade etmenin bir yoludur; aslında ölçülebilir miktar, ve hangi dönüşüm göre farklı bir şekilde ifade edildiğini bir sistem uğrar ( kimyasal reaksiyon , şok, hareket, nükleer reaksiyon , vb ). Enerji, fenomenlere bağlı olarak farklı tanımlandığından, aslında çeşitli “enerji formları” tanımlayabiliriz (aşağıya bakınız).
Üstelik makroskopik ölçekte her olgunun bir nedeni vardır; fenomen-etkinin yoğunluğundaki değişime neden olan fenomen-nedenin yoğunluğundaki değişikliktir. Sebep ve sonuç fenomenlerinin yoğunlukları bir enerji şeklinde ifade edilirse, enerjinin korunduğunu görürüz (aşağıya bakınız).
Uluslararası Enerji Ölçüm Sisteminin birimi joule'dür ( J ).
Bazı faaliyetler diğer birimleri kullanır, özellikle elektron-volt ( 1 eV = 1.602 × 10 −19 J ), kilovat saat (1 kWh = 3.6 MJ ), ton yağ eşdeğeri ( 1 toe = 41.868 GJ ), kalori ( 1 cal = 4.18 J ), kilogram başına ve göreli fizikte büyük kalori (diyet: 1 Cal = 1 kcal = 4182 J ) .
Termodinamik kapsayan enerji dönüşümleri inceleyen disiplindir termal enerjiyi . Birinci prensip enerji muhafaza edilir, bunun için, ikinci prensibi , mekanik, elektriksel ya da diğer enerji içine ısı enerjisi dönüşüm verimliliğine yüklemektedir sınırlamaları.
Çalışma a arasındaki enerji düzenli bir transferi sistemi ve dış çevre.
Isı bir dağınık transferi enerji sistemi ile dış ortam arasında.
Isı, termal ajitasyonun bir transferidir. Parçacıkların çalkalanması, şoklara göre her yöne düzensiz bir şekilde yayılır. Bu nedenle, termal enerji asla tamamen işe dönüştürülemezken , tersi mümkündür (örneğin: bir elektrikli radyatörde Joule etkisi ile ısıya dönüştürülen elektrik işi). Ayrıca sıcaklıktaki artışın enerjinin bozulmasına tekabül ettiği söylenir.
Isı adı verilen bu termal transfer , en sıcak sistemden en soğuğa yani parçacıkları istatistiksel olarak en çok çalkantılı olana doğru gerçekleşir, termal çalkalanmasını az ya da çok enerjik şoklar seçeneğinde iletir. ortamda veya istatistiksel olarak daha az çalkalanan sistemde, yani en soğuk sistemde. Bu sezgisel gözlem, termodinamiğin ikinci ilkesi tarafından resmileştirilmiştir .
Özellikleriİş ve ısı devletin işlevleri değildir . Bir dönüşüm sırasında devreye giren miktarları, kişinin ilerleme biçimine bağlıdır.
Enerjinin bir biçimden diğerine dönüşümü genellikle tamamlanmaz: başlangıçta mevcut olan enerjinin bir kısmı düzensiz kinetik enerji biçiminde bozulur (bazen ısıya dönüştürüldüğü söylenir). Dönüştürücünün girişine verilen enerjinin istenilen formda elde ettiği enerjinin oranına verimlilik diyoruz .
Bir ısı motoru örneğini alın . Kullanıcısını ilgilendiren, üretilen mekanik harekettir . Enerjinin geri kalanı en iyi ihtimalle kayıp (egzoz gazlarında ısı şeklinde çekilen kısım), en kötü ihtimalle zararlı (motorun fiziksel veya kimyasal aşınma ve yıpranmasına karşılık gelen kısım) olarak kabul edilir.
Bir yere elektrik motoru mekanik harekete elektrik akımının tüm enerji dönüştürme olur, bir olurdu etkinliği 1 (ya da% 100). Yakın en güçlü makineleri için% 95'e ise Gerçekte, bu 80-85% sadece bir ortalama boyu açık alternatif akım motoru birkaç kilowatt ve biraz ile motorlar için hala düşük Doğru akım , nedeniyle diğer şeylerin yanı sıra, rotor üzerindeki fırçaların sürtünmesi ve makinedeki manyetik alanın daha az iyi dağılması.
Bu nedenle, rolü üniter olduğu termal enerjiyi üretmek olan dönüştürücüler ( elektrikli ısıtma ) dışında, bir dönüştürücünün gerçek verimliliği her zaman 1'den azdır .
Bazı durumlarda, 1'den büyük görünen bir "verim" olabilir:
Enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir, sadece bir biçimden diğerine dönüşebilir veya bir sistemden diğerine değiş tokuş edilebilir ( Carnot ilkesi ). Bu, enerjinin korunumu ilkesidir : enerji, korunabilen bir miktardır . Bu miktar, çeşitli bileşenlerin (oluşmaktadır kinetik enerji , ısı enerjisi , potansiyel enerji , kütle enerjisi , vb bir işlem gören), sonuçsuz bir oyun .
Bu ampirik ilke, keşfinden çok sonra, 1915'te Noether teoremi tarafından doğrulandı . Enerjinin korunumu yasası, fizik yasalarının zamanla değişmezliğinden kaynaklanır.
Bu ilke fizikte o kadar güçlüdür ki, doğrulanmadığı her seferinde önemli keşiflere yol açmıştır. Ne zaman enerji korunmuyor gibi görünse, aslında onu yeni bir forma dönüştürüyordu. Örneğin, radyoaktivite bir zamanlar dışarıdan alınan bir şeyin yeniden yayımı olarak yorumlandı ve açıklama kütle-enerji denkliğinden geldi.
Pratikte, genellikle farklı enerji "biçimlerini" ayırt ederiz. Bununla birlikte, enerji bir olgunun yoğunluğunu ölçmek için kullanılır, bu bölme sadece enerjinin ölçtüğü olguya karşılık gelmesini sağlamanın bir yoludur. Üstelik bu ayrım mutlak değildir, sadece gözlemcinin konumuna bağlıdır: görelilik ilkesi enerji için de geçerlidir, böylece aynı fenomen "kinetik", "elektromanyetik" veya "potansiyel" terimleriyle analiz edilebilir. enerji...
Klasik olarak kabul edilen enerji biçimleri şunlardır:
Gelen görelilik teorisi , Albert Einstein enerjinin sadece iki formlarının varlığını kurar:
Olarak termodinamik , ölümcül enerji kaçınılmaz olarak mevcut ya da bazen ve kısmen kolayca elde edilebilir ve kullanılabilir bir işlem veya bir ürünün, sıkışıp enerjidir; örneğin, geri dönüşümün uygulanmasındaki gecikmelerin ardından, 2000'lerde Fransa yılda 25 milyon tondan fazla evsel atık üretti ve bunların %40'ı hala yakılarak işlendi . Bu atığın kalorifik değeri, ölümcül bir enerji şeklidir. Muhtemelen kojenerasyon veya trijenerasyon ile geri kazanım ( ısı , metan , hidrojen ve/veya elektrik vb. geri kazanımı) olmadan , bu enerji çevrede (çöplüklerde) kaybolur veya atmosfere salınır.Atıkların yanması buhar üretebilir. seralar, fabrika veya sağlayabilmektedir bina ısıtma ağ metan gazı ve organik atık metan önemli miktarda üretebilir ve kullanılabilir gübre tarımda.
Bir fenomen yaratmak için harcanan enerji, nihai fenomenin büyüklüğünü ölçer. Bu enerji, "motor fenomeni" adı verilen başka bir fenomen tarafından sağlanır.
Bazı motor fenomenler işi daha hızlı, diğerleri daha yavaş yapacaktır; örneğin, zayıf bir işleyicinin beton blokları iskelenin tepesine tek tek monte etmesi uzun zaman alırken, kaslı bir işleyici aynı anda birkaç tane taşıyacak ve daha hızlı olacaktır (diğer yandan, nihai sonuç tam olarak olacaktır. aynı).
Belirli bir zamanda çok fazla enerjiyi harekete geçirme yeteneğine motor fenomeninin gücü denir:
güç, bir fenomen tarafından sağlanan enerjinin fenomenin süresine oranıdır, P = d E / d t .Güç watt cinsinden ölçülür (1 W = 1 J/s ).
Isı transferi denilen termodinamiğin bir alanın parçası olan geri dönüşü olmayan termodinamik fenomen geri dönmek olamayacağını, basitlik için, demek ki,.
Aktarılan enerji esasen sıcak bölgeden soğuk bölgeye kendiliğinden geçen ısı biçimindedir (Termodinamiğin ikinci ilkesi ). Bu ısı transferine kütle transferi eşlik edebilir. Bu fenomen üç farklı biçimde ortaya çıkar:
Bu üç modun her biri tercih edilen evrende baskındır: katılarda iletim, hareketli akışkanlarda (sıvılar, gazlar) konveksiyon, vakumda radyasyon (mümkün olan tek moddur).
İletimTermal iletim, bir ortamın sıcaklığının homojen hale geldiği olgudur. Moleküller arasındaki termal ajitasyonun iletilmesine karşılık gelir ve katı, sıvı veya gaz halinde meydana gelir. Örnek: Bir ucundan ısıtılan bir çubuğun sıcaklığı, termal iletim yoluyla homojen hale gelme eğilimindedir.
KonveksiyonKonveksiyon, bir akışkan içindeki parçacıkların hareketinin neden olduğu ısı transferidir. Hareket eden bir sıvıda oluşur. Örnek: sıcak, daha az yoğun hava yükselir, ısıyı aşağıdan yukarıya taşır.
RadyasyonRadyasyon, elektromanyetik dalgaların yayılması veya radyoaktif bozunma yoluyla ısı transferidir. Vakum dahil tüm ayarlarda oluşabilir. Örnek: Dünya güneşten gelen radyasyonla ısıtılır.
“Enerji yaratılamaz veya yok edilemez ve yaygın olarak yaptığımız gibi enerjinin 'üretimi' veya 'tüketimi'nden bahsetmek uygun değildir. Her durumda, bir biçim değişikliği veya bir sistemden diğerine geçiş sorunu ”
.