Enerji - Energy

Enerji
Güneş yeryüzündeki ömrünün çoğunu enerjinin nihai kaynağıdır. Enerjisini esas olarak çekirdeğindeki nükleer füzyondan alır , protonlar helyum oluşturmak üzere bir araya geldiğinde kütleyi enerjiye dönüştürür. Bu enerji güneşin yüzeyine taşınır ve daha sonra esas olarak radyan (ışık) enerjisi şeklinde uzaya salınır .
Ortak semboller	E
SI birimi	joule
Diğer birimler	kW⋅h , BTU , kalori , eV , erg , foot-pound
İçinde temel SI birimleri	J = kg m 2 s -2
Kapsamlı mı?	Evet
korunmuş ?	Evet
Boyut	M L 2 T -2

Termodinamik
Klasik Carnot ısı motoru
Şubeler Klasik istatistiksel Kimyasal kuantum termodinamiği Denge  / Dışı Denge
kanunlar sıfır Öncelikle İkinci Üçüncü
Sistemler Kapalı sistem Yalıtılmış sistem Durum Devlet denklemi Ideal gaz gerçek gaz Maddenin durumu Aşama (madde) Denge Sesi kontrol et Enstrümanlar süreçler izobarik izokorik İzotermal adyabatik izotropik isentalpik yarı statik politropik Ücretsiz genişleme tersine çevrilebilirlik tersinmezlik onaylanabilirlik döngüler ısı motorları Isı pompaları Isıl verim
Sistem özellikleri Not: Eşlenik değişkenler de italik Özellik diyagramları Yoğun ve kapsamlı özellikler Proses fonksiyonları Çalışmak Sıcaklık Devletin işlevleri Sıcaklık  / Entropi  ( giriş ) Basınç  / Hacim Kimyasal potansiyel  / Partikül sayısı Buhar kalitesi azaltılmış özellikler
Malzeme özellikleri Mülk veritabanları Özgül ısı kapasitesi  ${\görüntüleme stili c=}$ ${\görüntüleme stili T}$ ${\görüntüleme stili \kısmi S}$ ${\görüntüleme stili N}$ ${\görüntüleme stili \kısmi T}$ Sıkıştırılabilme  ${\görüntüleme stili \beta =-}$ ${\görüntüleme stili 1}$ ${\görüntüleme stili \kısmi V}$ ${\görüntüleme stili V}$ ${\görüntüleme stili \kısmi p}$ Termal Genleşme  ${\görüntüleme stili \alfa =}$ ${\görüntüleme stili 1}$ ${\görüntüleme stili \kısmi V}$ ${\görüntüleme stili V}$ ${\görüntüleme stili \kısmi T}$
denklemler Carnot teoremi Clausius teoremi temel ilişki İdeal gaz yasası Maxwell ilişkileri Onsager karşılıklı ilişkiler Bridgman denklemleri Termodinamik denklemler tablosu
potansiyeller Bedava enerji serbest entropi
Tarih Kültür Tarih Genel Entropi Gaz yasaları "Sürekli hareket" makineleri Felsefe Entropi ve zaman Entropi ve yaşam Brownian cırcır Maxwell'in iblisi Isı ölüm paradoksu Loschmidt'in paradoksu sinerjik teoriler kalori teorisi Vis viva ("canlı güç") ısının mekanik eşdeğeri Motivasyon gücü Önemli yayınlar " ... Isı Konusunda Deneysel Bir Araştırma " " Heterojen Maddelerin Dengesi Üzerine " " Ateşin Güdüleyici Gücü Üzerine Düşünceler " zaman çizelgeleri Termodinamik ısı motorları Sanat Eğitim Maxwell'in termodinamik yüzeyi Enerji dağılımı olarak entropi
Bilim insanları Bernoulli Boltzmann karnot Klapeyron Clausius karateodor Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals sutaşı
Başka çekirdeklenme Kendi kendine montaj kendi kendine organizasyon Düzen ve düzensizlik
Kategori
v T e

Gelen fiziği , enerji olan nicel özellik olmalıdır aktarılan bir karşı vücudun veya fiziksel sistemin gerçekleştirmek için çalışmalarını gövdesi üzerinde, ya da ısıya bunu. Enerji korunan bir miktardır ; enerjinin korunumu yasası, enerjinin biçime dönüştürülebileceğini , ancak yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirtir . Ölçüm birimi Uluslararası Birim Sistemi enerji (SI) jul bir nesneye aktarıldı enerjidir, çalışma durumu Bir mesafe hareket metre bir karşı kuvvet biri newton .

Yaygın enerji biçimleri, hareketli bir nesnenin kinetik enerjisini , bir nesnenin bir kuvvet alanındaki konumu tarafından depolanan potansiyel enerjiyi ( yerçekimi , elektrik veya manyetik ), katı nesneleri gererek depolanan elastik enerjiyi , bir yakıt yandığında açığa çıkan kimyasal enerjiyi içerir. , ışık tarafından taşınan radyan enerji ve bir nesnenin sıcaklığından kaynaklanan termal enerji .

Kütle ve enerji yakından ilişkilidir. Bağlı kütle enerji denklemi , kütleye sahip herhangi bir nesne zaman sabit (denilen durum kütlesi ) ayrıca, form olarak adlandırılır eşdeğer enerji miktarda kalan enerji geri kalanında bulunan enerji üzerinde nesne tarafından alınan ve (herhangi bir formda), ek bir enerji cismin toplam enerjisini arttırdığı gibi toplam kütlesini de artıracaktır. Örneğin, bir nesneyi ısıttıktan sonra , enerjisindeki artış, prensipte, yeterince hassas bir ölçekle kütledeki küçük bir artış olarak ölçülebilir .

Canlı organizmalar , insanların yiyeceklerden ve oksijenden aldığı enerji gibi, hayatta kalmak için enerjiye ihtiyaç duyar . İnsan uygarlığı, fosil yakıtlar , nükleer yakıt veya yenilenebilir enerji gibi enerji kaynaklarından elde ettiği enerjiyi işlemeye ihtiyaç duyar . Dünyanın iklimi ve ekosisteminin süreçleri, Dünya'nın Güneş'ten aldığı radyant enerji ve dünyanın içerdiği jeotermal enerji tarafından yönlendirilir .

Formlar

Tipik olarak yıldırım vuruşla, 500 megajoules arasında elektrik potansiyel enerji diğer formları, çoğunlukla aynı miktarda enerji dönüştürülür ışık enerjisi , ses enerjisi ve ısı enerjisi .

Termal enerji hem içerebilir maddenin mikroskobik bileşenlerde en enerjidir kinetiği ve potansiyel enerji .

Bir sistemin toplam enerjisi alt bölümlere ayrılabilir ve çeşitli şekillerde potansiyel enerji, kinetik enerji veya ikisinin kombinasyonları olarak sınıflandırılabilir. Kinetik enerji , bir nesnenin hareketi veya bir nesnenin bileşenlerinin bileşik hareketi ile belirlenir ve potansiyel enerji , bir nesnenin harekete sahip olma potansiyelini yansıtır ve genellikle bir nesnenin bir alan veya alan içindeki konumunun bir fonksiyonudur. alanın kendisinde saklanabilir.

Bu iki kategori tüm enerji formlarını tanımlamak için yeterli olsa da, potansiyel ve kinetik enerjinin belirli kombinasyonlarına kendi formu olarak atıfta bulunmak genellikle uygundur. Örneğin, bir sistem içindeki öteleme ve dönme kinetik ve potansiyel enerjisinin toplamı mekanik enerji olarak adlandırılırken , nükleer enerji , diğer örneklerin yanı sıra nükleer kuvvet veya zayıf kuvvetten gelen bir atom çekirdeğindeki birleşik potansiyelleri ifade eder .

Tarih

Thomas Young , "enerji" terimini modern anlamda kullanan ilk kişidir.

Kelime enerji türetilmiştir Antik Yunanca : ἐνέργεια , romanizasyonlarda :  energeia , yanıyor  4. yüzyılda Aristoteles'in eserinde muhtemelen ilk kez ortaya çıkan 'etkinlik, işlem' . Modern tanımın aksine, energeia, mutluluk ve zevk gibi fikirleri içerecek kadar geniş, nitel bir felsefi kavramdı.

17. yüzyılın sonlarında, Gottfried Leibniz Latince fikrini önerdi : vis viva veya bir nesnenin kütlesinin ve hızının karesinin çarpımı olarak tanımlanan canlı güç; toplam canlılığın korunduğuna inanıyordu . Sürtünmeden kaynaklanan yavaşlamayı açıklamak için Leibniz, termal enerjinin maddenin bileşenlerinin hareketlerinden oluştuğunu teorileştirdi, ancak bunun genel olarak kabul edilmesi bir yüzyıldan fazla sürecekti. Bu özelliğin modern benzeri olan kinetik enerji , canlıdan yalnızca iki kat farklıdır . 18. yüzyılın başlarında yazan Emilie du Chatelet kavramını önerdi enerjinin korunumu Newton'un onun Fransız dil tercüme haşiyeler içinde Principia Mathematica farklı oldu korunmuş ölçülebilir miktarda birinci formülasyonunu temsil ivme sonra olur ve hangi "enerji" olarak adlandırılabilir.

1807'de Thomas Young , modern anlamıyla vis viva yerine "enerji" terimini muhtemelen ilk kullanan kişiydi . Gustave-Gaspard Coriolis 1829'da " kinetik enerjiyi " modern anlamıyla tanımladı ve 1853'te William Rankine " potansiyel enerji " terimini ortaya attı . Enerjinin korunumu yasası da ilk olarak 19. yüzyılın başlarında kabul edildi ve herhangi bir izole sistem için geçerlidir . Birkaç yıl boyunca ısının kalori adı verilen fiziksel bir madde mi yoksa sadece momentum gibi fiziksel bir nicelik mi olduğu tartışıldı . 1845'te James Prescott Joule , mekanik çalışma ile ısı üretimi arasındaki bağlantıyı keşfetti.

Bu gelişmeler, büyük ölçüde William Thomson ( Lord Kelvin ) tarafından termodinamik alanı olarak formüle edilen enerjinin korunumu teorisine yol açtı . Termodinamik, Rudolf Clausius , Josiah Willard Gibbs ve Walther Nernst tarafından kimyasal süreçlerin açıklamalarının hızla gelişmesine yardımcı oldu . Ayrıca Clausius tarafından entropi kavramının matematiksel bir formülasyonuna ve Jožef Stefan tarafından radyant enerji yasalarının getirilmesine yol açtı . Noether teoremine göre , enerjinin korunumu, fizik yasalarının zamanla değişmemesinin bir sonucudur. Böylece, 1918'den beri teorisyenler , enerjinin korunumu yasasının, enerjiye eşlenik niceliğin , yani zamanın öteleme simetrisinin doğrudan matematiksel sonucu olduğunu anladılar .

Ölçü birimleri

Joule'nin ısının mekanik eşdeğerini ölçmek için aygıtı. Bir ipe bağlı alçalan bir ağırlık, suya batırılmış bir küreğin dönmesine neden olur.

1843'te James Prescott Joule, bir dizi deneyde bağımsız olarak mekanik eşdeğeri keşfetti. Bunların en ünlüsü "Joule aparatı" kullandı: bir ipe bağlı azalan bir ağırlık, suya batırılmış bir kürek dönüşüne neden oldu, pratik olarak ısı transferinden izole edildi. İnerken ağırlığın kaybettiği yerçekimi potansiyel enerjisinin , suyun kürekle sürtünme yoluyla kazandığı iç enerjiye eşit olduğunu gösterdi .

Gelen Uluslararası Birim Sistemi (SI), enerji birimi Joule adını joule vardır. Bu ise türetilmiş birim . Bir Newton'luk bir kuvvetin bir metrelik bir mesafeye uygulanmasında harcanan enerjiye (veya yapılan işe ) eşittir . Bununla birlikte enerji, SI birimlerinde ifade edildiğinde bir dönüşüm faktörü gerektiren ergs , kalori , İngiliz Termal Birimleri , kilowatt-saat ve kilokalori gibi SI'nın parçası olmayan diğer birçok birimde de ifade edilir.

Enerji oranı (birim zaman başına enerji) SI birimi watt , saniyede joule. Böylece, bir joule bir watt-saniyedir ve 3600 joule bir watt-saat'e eşittir. CGS enerji birimidir erg ve emperyal ve ABD alışılmış birimdir ayak kiloluk . Elektronvolt , gıda kalorisi veya termodinamik kcal (bir ısıtma işleminde suyun sıcaklık değişimine bağlı olarak) ve BTU gibi diğer enerji birimleri bilim ve ticaretin belirli alanlarında kullanılmaktadır.

Bilimsel kullanım

Klasik mekanik

Bir serinin parçası
Klasik mekanik
${\displaystyle {\textbf {F}}={\frac {d}{dt}}(m{\textbf {v}})}$ İkinci hareket yasası
Tarih Zaman çizelgesi ders kitapları
Şubeler
temel bilgiler
formülasyonlar
Temel konular
döndürme
Bilim insanları
fizik portalı  Kategori
v T e

Klasik mekanikte enerji, korunan bir miktar olduğu için kavramsal ve matematiksel olarak faydalı bir özelliktir . Temel bir kavram olarak enerji kullanılarak çeşitli mekanik formülasyonları geliştirilmiştir.

Enerjinin bir fonksiyonu olan iş , kuvvet çarpı mesafedir.

${\displaystyle W=\int _{C}\mathbf {F} \cdot \mathrm {d} \mathbf {s} }$

Bu çalışma, (söylüyor ) eşittir hattı entegrali ait kuvvet F bir yol boyunca C ; ayrıntılar için mekanik çalışma makalesine bakın. İş ve dolayısıyla enerji çerçeveye bağlıdır . Örneğin, bir sopanın vurduğu bir top düşünün. Kütle merkezi referans çerçevesinde, sopa top üzerinde çalışmaz. Ancak sopayı savuran kişinin referans çerçevesinde top üzerinde hatırı sayılır bir iş yapılır. ${\görüntüleme stili W}$

Bir sistemin toplam enerjisine bazen William Rowan Hamilton'dan sonra Hamiltonyen denir . Klasik hareket denklemleri, oldukça karmaşık veya soyut sistemler için bile Hamiltonyen cinsinden yazılabilir. Bu klasik denklemler, göreceli olmayan kuantum mekaniğinde dikkate değer ölçüde doğrudan analoglara sahiptir.

Enerjiyle ilgili başka bir kavram, Joseph-Louis Lagrange'den sonra Lagrange olarak adlandırılır . Bu formalizm, Hamiltoniyen kadar temeldir ve her ikisi de hareket denklemlerini türetmek için kullanılabilir veya onlardan türetilebilir. Klasik mekanik bağlamında icat edildi , ancak genellikle modern fizikte kullanışlıdır. Lagrange kinetik enerji olarak tanımlanır eksi potansiyel enerji. Genellikle, Lagrange formalizmi, muhafazakar olmayan sistemler (sürtünmeli sistemler gibi) için Hamiltonyen'den matematiksel olarak daha uygundur.

Noether teoremi (1918), fiziksel bir sistemin eyleminin herhangi bir türevlenebilir simetrisinin karşılık gelen bir koruma yasasına sahip olduğunu belirtir. Noether teoremi, modern teorik fiziğin ve varyasyon hesabının temel bir aracı haline geldi. Lagrange ve Hamilton mekaniğinde (sırasıyla 1788 ve 1833) hareket sabitleri üzerine yeni ufuklar açan formülasyonların bir genellemesi, bir Lagrange ile modellenemeyen sistemler için geçerli değildir; örneğin, sürekli simetrileri olan enerji tüketen sistemlerin karşılık gelen bir korunum yasasına sahip olması gerekmez.

Kimya

Bağlamında kimya , enerji atomik molekül veya toplu yapısının bir sonucu olarak, bir maddenin bir niteliğidir. Kimyasal dönüşüme bu tür yapıların bir veya daha fazlasında bir değişiklik eşlik ettiğinden, genellikle ilgili maddelerin toplam enerjisinde bir azalma ve bazen bir artış eşlik eder. Bir miktar enerji, çevre ile reaktanlar arasında ısı veya ışık şeklinde transfer edilebilir; bu nedenle bir reaksiyonun ürünleri, reaktanlardan bazen daha fazla, ancak genellikle daha az enerjiye sahiptir. Son durum enerji ölçeğinde başlangıç ​​durumundan daha düşükse, bir reaksiyonun ekzotermik veya ekzergonik olduğu söylenir ; Daha az yaygın olan endotermik reaksiyonlarda durum tam tersidir. Reaktanlar aktivasyon enerjisi olarak bilinen bir enerji bariyerini aşmadıkça kimyasal reaksiyonlar genellikle mümkün değildir . Hız (belirli bir sıcaklıkta bir kimyasal reaksiyonun  T ) aktivasyon enerjisi ile ilgilidir  E Boltzmann nüfus faktörü e ^{- e / kT} ; yani, belirli bir T sıcaklığında  bir molekülün E'ye eşit veya daha büyük enerjiye sahip olma olasılığı  . Bir reaksiyon hızının sıcaklığa bu üstel bağımlılığı, Arrhenius denklemi olarak bilinir . Bir kimyasal reaksiyon için gerekli aktivasyon enerjisi, termal enerji şeklinde sağlanabilir.

Biyoloji

Enerji ve insan yaşamına temel bakış .

In biyoloji , enerji küçük canlı organizmanın biyosferden tüm biyolojik sistemlerin bir özelliğidir. Bir organizma içinde, biyolojik bir organizmanın biyolojik bir hücresinin veya organelinin büyümesinden ve gelişmesinden sorumludur . Kullanılan enerji solunum daha çok molekül saklanır oksijen ve bu gibi maddelerin moleküller ile reaksiyona kilidi olabilir karbonhidratlar (şekerler dahil), lipitler ve proteinler tarafından saklanan hücreler . İnsan terimleriyle, insan eşdeğeri (He) (İnsan enerji dönüşümü), belirli bir enerji harcaması miktarı için , standart olarak günde 12.500 kJ'lik bir ortalama insan enerji harcaması kullanarak, insan metabolizması için ihtiyaç duyulan nispi enerji miktarını gösterir ve 80 watt'lık bir bazal metabolizma hızı . Örneğin vücudumuz (ortalama olarak) 80 watt'ta çalışıyorsa, 100 watt'ta çalışan bir ampul 1,25 insan eşdeğerinde (100 ÷ 80) yani 1,25 He'de çalışıyor. Sadece birkaç saniyelik zor bir görev için, bir kişi binlerce watt'ı, birçok kez 746 watt'ı bir resmi beygir gücünde söndürebilir. Birkaç dakika süren işler için fit bir insan belki 1.000 watt üretebilir. Bir saat sürdürülmesi gereken bir aktivite için çıktı 300'e düşer; Bütün gün sürdürülen bir aktivite için 150 watt maksimum değerdir. İnsan eşdeğeri, enerji birimlerini insan terimleriyle ifade ederek fiziksel ve biyolojik sistemlerdeki enerji akışlarının anlaşılmasına yardımcı olur: belirli bir miktarda enerjinin kullanımı için bir "his" sağlar.

Gün ışığı radyan enerji aynı zamanda şu şekilde bitki tarafından yakalanır kimyasal potansiyel enerji olarak fotosentez , karbon dioksit ve su (iki düşük enerjili bileşikler) karbonhidrat, lipidler, protein ve oksijen ve ATP gibi yüksek enerjili bileşiklere dönüştürülür. Karbonhidratlar, lipidler ve proteinler, canlı organizmalar tarafından elektron alıcısı olarak kullanılan oksijen enerjisini serbest bırakabilir . Fotosentez sırasında ısı veya ışık olarak depolanan enerjinin açığa çıkması, bir orman yangınında bir kıvılcım ile aniden tetiklenebilir veya organik moleküller yutulduğunda hayvan veya insan metabolizması için daha yavaş kullanılabilir hale getirilebilir ve katabolizma enzim tarafından tetiklenir. eylem.

Herhangi bir canlı organizma, büyümek ve üremek için harici bir enerji kaynağına - yeşil bitkiler söz konusu olduğunda Güneş'ten gelen radyan enerjiye, hayvanlar söz konusu olduğunda bir tür kimyasal enerjiye - ihtiyaç duyar. Yetişkin bir insan için önerilen günlük 1500-2000  Kalori (6-8 MJ), oksijen ve gıda moleküllerinin bir kombinasyonu olarak alınır, ikincisi çoğunlukla karbonhidratlar ve yağlar, bunlardan glikoz (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) ve stearin (C ₅₇ , H ₁₁₀ O ₆ ) uygun bir örnektir. Gıda molekülleri oksitlendiği , karbon dioksit ve su içinde mitokondri

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}}}$

${\ Displaystyle {\ce {C57H110O6 + 81.5O2 -> 57CO2 + 55H2O}}}$

ve enerjinin bir kısmını dönüştürmek için kullanılan ADP içine ATP :

ADP + HPO ₄ ²⁻ → ATP + H ₂ O

Kimyasal enerjinin geri kalan O dönüştürülür ₂ ve karbonhidrat veya yağ ısıya dönüştürülür ATP "enerji birimi" bir tür olarak kullanılır, ve içerdiği kimyasal enerjinin bir başka için kullanılan metabolizma zaman ATP reaksiyona girdiği OH grupları ile ve sonunda ADP ve fosfata bölünür ( metabolik yolun her aşamasında, bir miktar kimyasal enerji ısıya dönüştürülür). Yalnızca orijinal kimyasal enerjinin küçük bir kısmı için kullanılan çalışması :

100 m'lik bir yarış sırasında bir sprinterin kinetik enerjisindeki kazanç: 4 kJ

2 metre boyunca kaldırılan 150 kg'lık bir ağırlığın yerçekimi potansiyel enerjisinde kazanç: 3 kJ

Normal bir yetişkinin günlük besin alımı: 6-8 MJ

Görünen o ki, canlı organizmalar aldıkları enerjiyi (kimyasal ya da ışıma enerjisi) kullanımlarında ( fiziksel anlamda) oldukça verimsizler ; çoğu makine daha yüksek verimliliği yönetir. Büyüyen organizmalarda ısıya dönüştürülen enerji hayati bir amaca hizmet eder, çünkü organizma dokusunun inşa edildiği moleküllere göre oldukça düzenli olmasını sağlar. Termodinamik ikinci kanunu enerji (ve madde) daha eşit hale evrenin yayılmış eğiliminde olduğunu devletler: Belirli bir yerde konsantre enerji (veya madde) için, o (ısı olarak) enerjisinin daha büyük miktarda yaymak için gereklidir evrenin geri kalanı boyunca ("çevre"). Daha basit organizmalar, daha karmaşık olanlardan daha yüksek enerji verimliliği sağlayabilir, ancak karmaşık organizmalar, daha basit kardeşleri için mevcut olmayan ekolojik nişleri işgal edebilir . Bir metabolik yoldaki her adımda kimyasal enerjinin bir kısmının ısıya dönüştürülmesi, ekolojide gözlemlenen biyokütle piramidinin arkasındaki fiziksel nedendir . Bir örnek olarak, sadece ilk adımı gıda zincirinin : yaklaşık 124.7 pg / olan bir karbon sabit göre fotosentez , 64.3 Sf / a (52%) yeşil bitki metabolizması için kullanılmaktadır, yani, içine dönüştürülür karbondioksit ve ısı.

Yer Bilimleri

In jeoloji , kıtasal sürüklenme , dağ , volkanlar ve depremler sırasında Dünya'nın iç enerji dönüşümleri açısından açıklanabilir fenomenler olan meteorolojik rüzgar, yağmur gibi fenomenler dolu , kar, şimşek, hortum ve kasırgalar hepsi bir sonucudur Güneş enerjisinin atmosferimizde meydana getirdiği enerji dönüşümleri .

Güneş ışığı, sıcaklık ve iklim istikrarını hesaba katan Dünya'nın enerji bütçesinin ana girdisidir . Güneş ışığı, Dünya'ya çarptıktan sonra (örneğin) su okyanuslardan buharlaştığında ve dağlarda biriktiğinde (bir hidroelektrik barajında ​​serbest bırakıldıktan sonra türbinleri veya jeneratörleri harekete geçirmek için kullanılabilirken) yerçekimi potansiyel enerjisi olarak depolanabilir. elektrik üretir). Güneş ışığı ayrıca çoğu hava olayını yönlendirir, örneğin volkanik olaylar tarafından oluşturulanlar gibi birkaç istisna dışında. Güneş aracılı bir hava olayının bir örneği, aylarca ısıtılan, ılık okyanusun geniş dengesiz bölgelerinin, birkaç günlük şiddetli hava hareketine güç sağlamak için aniden termal enerjilerinin bir kısmından vazgeçmesiyle meydana gelen bir kasırgadır.

Daha yavaş bir süreçte, Dünya'nın çekirdeğindeki atomların radyoaktif bozunması ısı yayar. Bu termal enerji levha tektoniğini harekete geçirir ve orojenez yoluyla dağları kaldırabilir . Bu yavaş kaldırma, bir tetikleyici olaydan sonra heyelanlar sırasında daha sonra aktif kinetik enerjiye dönüştürülebilen termal enerjinin bir tür yerçekimi potansiyel enerji depolamasını temsil eder. Depremler ayrıca, sonuçta aynı radyoaktif ısı kaynaklarından üretilmiş bir depo olan kayalarda depolanmış elastik potansiyel enerjiyi de serbest bırakır. Bu nedenle, mevcut anlayışa göre, heyelanlar ve depremler gibi tanıdık olaylar, Dünya'nın yerçekimi alanında potansiyel enerji veya kayalarda elastik gerilme (mekanik potansiyel enerji) olarak depolanan enerjiyi serbest bırakır. Bundan önce, uzun süredir yok olan süpernova yıldızlarının (bu atomları yaratan) çöküşünden bu yana ağır atomlarda depolanan enerjinin salınımını temsil ederler.

kozmoloji

Gelen kozmoloji ve astronomi fenomeni yıldızlı , nova , süpernova , kuasarlar ve gama ışını patlamaları maddenin evrenin en yüksek çıkış enerji dönüşümleri vardır. Tüm yıldız fenomenleri (güneş aktivitesi dahil) çeşitli enerji dönüşümleri tarafından yönlendirilir. Bu tür dönüşümlerdeki enerji, ya maddenin (genellikle moleküler hidrojen) çeşitli astronomik nesne sınıflarına (yıldızlar, kara delikler, vb.) Nükleer füzyon güneş hidrojen da zamanında oluşturulan potansiyel enerji bir mağaza serbest Büyük Patlama . O zaman, teoriye göre, uzay genişledi ve evren, hidrojenin tamamen daha ağır elementlere dönüşmesi için çok hızlı soğudu. Bu, hidrojenin füzyonla serbest bırakılabilen bir potansiyel enerji deposunu temsil ettiği anlamına geliyordu. Böyle bir füzyon süreci, yıldızları üretirken hidrojen bulutlarının kütleçekimsel çöküşünden kaynaklanan ısı ve basınç tarafından tetiklenir ve füzyon enerjisinin bir kısmı daha sonra güneş ışığına dönüştürülür.

Kuantum mekaniği

Olarak kuantum mekaniği , enerji açısından tanımlanır enerji operatörünün bir zaman türevi (Hamilton) dalga fonksiyonunun . Schrödinger denklemi bir partikül ya da bir sistemin tam enerji, enerji operatör eşittir. Sonuçları, kuantum mekaniğinde enerji ölçümünün bir tanımı olarak düşünülebilir. Schrödinger denklemi , kuantum sistemlerinin yavaş değişen (rölativistik olmayan) dalga fonksiyonunun uzaya ve zamana bağımlılığını tanımlar . Bir bağlı sistem için bu denklemin çözümü ayrıdır (her biri bir enerji seviyesi ile karakterize edilen bir dizi izin verilen durum ), bu da kuanta kavramıyla sonuçlanır . Herhangi bir osilatör (vibratör) ve bir vakum içinde elektromanyetik dalgalar için Schrödinger eşitliğinin çözeltisi, elde edilen enerji durumları ile frekansa ilgili Planck ilişkisi : (burada olduğu Planck sabitesi ve frekansı). Elektromanyetik dalga durumunda bu enerji durumlarına ışık kuantumları veya fotonlar denir . ${\görüntüleme stili E=h\nu }$${\görüntüleme stili h}$${\görüntüleme stili \nu }$

görelilik

Einstein , Newton mekaniği yerine Lorentz dönüşümlerini kullanarak kinetik enerjiyi ( büyük bir cismi sıfır hızdan sonlu bir hıza hızlandırmak için çalışın ) göreli olarak hesaplarken, bu hesaplamaların beklenmedik bir yan ürününün sıfırda kaybolmayan bir enerji terimi olduğunu keşfetti. hız. Buna dinlenme enerjisi adını verdi : her büyük cismin dinlenme halindeyken bile sahip olması gereken enerji. Enerji miktarı vücudun kütlesi ile doğru orantılıdır:

${\displaystyle E_{0}=m_{0}c^{2}}$,

nerede

m, ₀ olan geri kalan kütle , gövdenin

c olan ışık hızı , vakumla

${\ Displaystyle E_{0}}$ dinlenme enerjisidir.

Örneğin, bu iki ayrı parçacığın dinlenme enerjisinin (durgun kütlelerine eşdeğer) işlemde üretilen fotonların ışıma enerjisine dönüştürüldüğü elektron – pozitron yok edilmesini düşünün . Bu sistemde madde ve antimadde (elektronlar ve pozitronlar) yok edilir ve madde olmayana (fotonlar) dönüşür. Ancak bu etkileşim sırasında toplam kütle ve toplam enerji değişmez. Fotonların her birinin durgun kütlesi yoktur, ancak yine de iki orijinal parçacıkla aynı ataleti sergileyen radyan enerjiye sahiptir. Bu, geriye kalan parçacık kütlesinin iki (veya daha fazla) yok edici fotonun ışıma enerjisinden yaratıldığı tersine çevrilebilir bir işlemdir - ters işleme çift ​​oluşturma denir -.

Genel görelilikte, gerilim-enerji tensörü , kütlenin göreli olmayan Newton yaklaşımında kaynak terim olarak hizmet etme biçimine kabaca benzer şekilde, yerçekimi alanı için kaynak terim olarak hizmet eder.

Enerji ve kütle, bir sistemin bir ve aynı temel fiziksel özelliğinin tezahürleridir. Bu özellik, sistemin yerçekimi etkileşiminin ataletinden ve gücünden ("kitlesel tezahürler") sorumludur ve ayrıca, sistemin sınırlamalarına tabi olarak, sistemin iş veya ısıtma ("enerji tezahürleri") gerçekleştirme potansiyelinden sorumludur. diğer fiziksel yasalar.

In klasik fizikte , enerji skaler miktar olduğu kanonik eşlenik zaman. Olarak özel görelilik enerji skaler (olmasa da bir de Lorentz skaler ancak bir saat bileşeni enerji ivme 4-vektör ). Başka bir deyişle, enerji uzayın dönüşlerine göre değişmez, ancak uzay-zamanın dönüşlerine göre değişmez değildir (= artışlar ).

dönüşüm

Bir turbo jeneratör , basınçlı buharın enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür

Enerji , çeşitli verimliliklerde farklı biçimler arasında dönüştürülebilir . Bu formlar arasında dönüşen öğelere dönüştürücüler denir . Transdüser örnek olarak bir pil ile ilgili, kimyasal enerji için elektrik enerjisi ; Bir baraj: çekim potansiyel enerji için kinetik enerji su hareketli (ve bıçakları türbin sonuçta kadar) ve elektrik enerjisi , bir içinden elektrik jeneratörü veya ısı motoru (işe ısı).

Enerji dönüşümü örnekleri, bir buhar türbini aracılığıyla ısı enerjisinden elektrik enerjisi üretmeyi veya bir vinç motorunu çalıştıran elektrik enerjisi kullanarak bir nesneyi yerçekimine karşı kaldırmayı içerir. Yerçekimine karşı kaldırma, nesne üzerinde mekanik iş yapar ve nesnede yerçekimi potansiyel enerjisini depolar. Nesne yere düşerse, yerçekimi alanındaki potansiyel enerjiyi, yere çarptığında ısı olarak salınan kinetik enerjiye dönüştüren nesne üzerinde yerçekimi mekanik iş yapar. Güneşimiz nükleer potansiyel enerjiyi diğer enerji biçimlerine dönüştürür ; toplam kütlesi bundan dolayı azalmaz (çünkü farklı formlarda bile aynı toplam enerjiyi içerir), ancak enerji büyük ölçüde radyan enerji olarak çevresine kaçtığında kütlesi azalır .

Carnot teoremi ve termodinamiğin ikinci yasası ile açıklandığı gibi, örneğin bir ısı motorunda, döngüsel bir süreçte ısının işe ne kadar verimli bir şekilde dönüştürülebileceği konusunda katı sınırlar vardır . Bununla birlikte, bazı enerji dönüşümleri oldukça verimli olabilir. Enerjideki dönüşümlerin yönü (hangi tür enerjinin başka türe dönüştürüldüğü) genellikle entropi (mevcut tüm serbestlik dereceleri arasında eşit enerji dağılımı ) değerlendirmeleriyle belirlenir. Pratikte tüm enerji dönüşümlerine küçük ölçekte izin verilir, ancak bazı daha büyük dönüşümlere izin verilmez çünkü enerji veya maddenin rastgele daha yoğun biçimlere veya daha küçük alanlara hareket etmesi istatistiksel olarak olası değildir.

Zaman içinde evrendeki enerji dönüşümleri, Büyük Patlama'dan bu yana mevcut olan çeşitli potansiyel enerji türlerinin daha sonra "serbest bırakılması" (kinetik veya radyan enerji gibi daha aktif enerji türlerine dönüştürülmesi) ile karakterize edilir. Bu işlemlerin arasında iyi bilinen içerir nükleosentez , sonuçta serbest çekim potansiyel enerji kullanan bir işlem gravitasyonal arasında süpernovaların "depo" (örneğin, ağır izotoplar oluşturulmasında enerjisine uranyum ve toryumun ) ve nükleer bozunma , bir yöntem olup, Güneş sistemine ve Dünya'ya dahil edilmeden önce bu ağır elementlerde orijinal olarak depolanmış olan enerji açığa çıkar. Bu enerji, nükleer fisyon bombalarında veya sivil nükleer enerji üretiminde tetiklenir ve serbest bırakılır . Benzer şekilde, bir durumunda , kimyasal patlama , kimyasal potansiyel enerji dönüştürülür kinetik ve termal enerji , çok kısa bir süre içinde. Başka bir örnek sarkaç örneğidir . En yüksek noktalarında kinetik enerji sıfırdır ve yerçekimi potansiyel enerjisi maksimumdadır. En düşük noktasında kinetik enerji maksimumdadır ve potansiyel enerjideki azalmaya eşittir . Eğer biri (gerçekçi olmayan bir şekilde) sürtünme veya başka kayıplar olmadığını varsayarsa, bu süreçler arasındaki enerji dönüşümü mükemmel olur ve sarkaç sonsuza kadar sallanmaya devam eder.

Enerji ayrıca potansiyel enerjiden ( ) kinetik enerjiye ( ) ve daha sonra sürekli olarak potansiyel enerjiye aktarılır . Buna enerjinin korunumu denir. Bu izole sistemde enerji yaratılamaz veya yok edilemez; bu nedenle, ilk enerji ve son enerji birbirine eşit olacaktır. Bu, aşağıdakilerle gösterilebilir: ${\displaystyle E_{p}}$${\displaystyle E_{k}}$

${\displaystyle E_{pi}+E_{ki}=E_{pF}+E_{kF}}$

( 4 )

Denklem daha sonra (kütle çarpı yerçekimine bağlı ivme çarpı yükseklik) ve (yarım kütle çarpı hızın karesi) olduğundan daha da basitleştirilebilir . Daha sonra toplam enerji miktarı eklenerek bulunabilir . ${\displaystyle E_{p}=mgh}$${\displaystyle E_{k}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$${\displaystyle E_{p}+E_{k}=E_{toplam}}$

Dönüşümde enerji ve kütlenin korunumu

Enerji, tartılabileceği sıfır momentumlu bir sistemde sıkışıp kaldığında ağırlığa neden olur. Aynı zamanda kütleye eşdeğerdir ve bu kütle her zaman onunla ilişkilidir. Kütle de belirli bir miktarda enerjiye eşdeğerdir ve aynı şekilde kütle-enerji denkliğinde tanımlandığı gibi her zaman onunla ilişkili görünür . Albert Einstein (1905) tarafından türetilen E  =  mc ² formülü , özel görelilik kavramı içinde göreli kütle ve enerji arasındaki ilişkiyi nicelleştirir . Farklı teorik çerçevelerde, benzer formüller JJ Thomson (1881), Henri Poincare (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) ve diğerleri tarafından türetilmiştir ( daha fazla bilgi için Kütle-enerji denkliği#Tarih'e bakınız ).

Maddenin durgun enerjisinin ( dinlenme kütlesine eşdeğer) bir kısmı (hala kütle sergileyen) diğer enerji biçimlerine dönüştürülebilir, ancak ne enerji ne de kütle yok edilemez; daha ziyade, her ikisi de herhangi bir işlem sırasında sabit kalır. Bununla birlikte, sıradan insan ölçeklerine göre son derece büyük olduğu için, günlük bir dinlenme kütlesi miktarının (örneğin, 1 kg) dinlenme enerjisinden diğer enerji biçimlerine (kinetik enerji, termal enerji veya taşınan radyan enerji gibi) dönüşümü. ışık ve diğer radyasyonla) nükleer reaktörlerde ve nükleer silahlarda görülebileceği gibi, muazzam miktarda enerji (~ joule = 21 megaton TNT) serbest bırakabilir . Tersine, günlük bir enerji miktarının kütle eşdeğeri çok küçüktür, bu nedenle çoğu sistemdeki bir enerji kaybının (kütle kaybının), enerji kaybı çok büyük olmadıkça tartı ölçeğinde ölçülmesi zordur. Durgun enerji (maddenin) ile diğer enerji biçimleri (örneğin, kinetik enerjinin durgun kütleli parçacıklara dönüşmesi) arasındaki büyük dönüşümlerin örnekleri nükleer fizik ve parçacık fiziğinde bulunur . Bununla birlikte, çoğu zaman, kütlenin enerjiye dönüştürülmesi, korunum yasaları tarafından yasaklanmıştır . ${\görüntüleme stili c^{2}}$${\görüntüleme stili 9\kez 10^{16}}$

Tersinir ve geri döndürülemez dönüşümler

Termodinamik, enerji dönüşümünü iki türe ayırır: tersinir işlemler ve tersinmez işlemler . Geri dönüşü olmayan bir süreç, enerjinin bir hacimde mevcut olan boş enerji durumlarına dağıldığı (yayıldığı), daha fazla enerjinin bozulması olmadan daha yoğun formlara (daha az kuantum durumu) geri kazanılamadığı süreçtir. Tersinir bir süreç, bu tür bir dağılmanın olmadığı bir süreçtir. Örneğin, bir tür potansiyel alandan diğerine enerjinin dönüşümü, yukarıda açıklanan sarkaç sisteminde olduğu gibi tersine çevrilebilir. Isının üretildiği süreçlerde, atomlar arasındaki alanlarda olası uyarılar olarak mevcut olan daha düşük enerjili kuantum halleri, enerjinin geri kazanılamayan bir kısmı için, %100 verimlilikle diğerlerine dönüştürülmek üzere bir rezervuar görevi görür. enerji formları. Bu durumda, enerji kısmen termal enerji olarak kalmalıdır ve evrendeki kuantum durumlarındaki (örneğin maddenin genişlemesi veya bir kristalde bir rastgelelik).

Evren zamanla evrimleştikçe, enerjisinin gitgide daha fazlası geri döndürülemez hallerde (yani ısı veya düzensizlikteki diğer artışlar gibi) hapsolur. Bu, evrenin kaçınılmaz termodinamik ısı ölümü olarak anılır . Bu ısı ölümünde evrenin enerjisi değişmez, ancak bir ısı makinesi aracılığıyla iş yapmaya veya diğer kullanılabilir enerji biçimlerine (ısı makinelerine bağlı jeneratörlerin kullanılması yoluyla) dönüştürülebilen enerjinin kesri , azalmaya devam ediyor.

Enerjinin korunumu

Enerjinin yaratılamayacağı ve yok edilemediği gerçeğine enerjinin korunumu yasası denir . Termodinamiğin birinci yasası biçiminde , bu, kapalı bir sistemin enerjisinin, enerji iş veya ısı olarak içeri veya dışarı aktarılmadığı sürece sabit olduğunu ve aktarımda hiçbir enerjinin kaybolmadığını belirtir. Bir sisteme giren toplam enerji, sistemden çıkan toplam enerji akışına ve sistem içinde bulunan enerjideki değişime eşit olmalıdır. Etkileşimleri açıkça zamana bağlı olmayan bir parçacık sisteminin toplam enerjisi ölçüldüğünde (veya hesaplandığında), sistemin toplam enerjisinin her zaman sabit kaldığı bulunur.

Isı her zaman tam olarak pratik ilgi döngüsel işlemleri için ideal bir gaz geri dönüşümlü izotermal genişleme çalışmaları dönüştürülebilir ederken ısı motorları termodinamik ikinci kuralını devletler her zaman işi sistemi gibi bazı enerji kaybeder atık ısının . Bu, döngüsel bir süreçte iş yapabilen ısı enerjisi miktarı için bir limit yaratır, bu limit kullanılabilir enerji olarak adlandırılır . Mekanik ve diğer enerji biçimleri, bu tür sınırlamalar olmaksızın diğer yönde termal enerjiye dönüştürülebilir . Bir sistemin toplam enerjisi, sistemdeki tüm enerji biçimleri toplanarak hesaplanabilir.

Richard Feynman , 1961'deki bir konferansta şunları söyledi:

Bugüne kadar bilinen tüm doğa olaylarını yöneten bir gerçek ya da isterseniz bir yasa vardır. Bu yasanın bilinen bir istisnası yoktur - bildiğimiz kadarıyla kesindir. Yasaya enerjinin korunumu denir . Doğanın maruz kaldığı çeşitli değişikliklerde değişmeyen, enerji dediğimiz belirli bir miktar olduğunu belirtir. Bu çok soyut bir fikirdir, çünkü matematiksel bir ilkedir; bir şey olduğunda değişmeyen sayısal bir miktar olduğunu söylüyor. Bir mekanizmanın ya da somut bir şeyin tanımı değildir; Bir sayıyı hesaplayabiliyor olmamız garip bir gerçektir ve doğanın hilelerini gözden geçirip sayıyı tekrar hesaplamayı izlemeyi bitirdiğimizde, durum aynıdır.

—  Fizik Üzerine Feynman Dersleri

Çoğu enerji türü (yerçekimi enerjisi dikkate değer bir istisna olmakla birlikte) katı yerel koruma yasalarına da tabidir. Bu durumda, enerji yalnızca uzayın bitişik bölgeleri arasında değiş tokuş edilebilir ve tüm gözlemciler herhangi bir uzaydaki hacimsel enerji yoğunluğu konusunda hemfikirdir. Ayrıca, evrenin toplam enerjisinin değişemeyeceğini belirten küresel bir enerji korunumu yasası vardır; bu, yerel yasanın bir sonucudur, ancak tersi değildir.

Bu yasa, fiziğin temel bir ilkesidir. Noether teoremi tarafından titizlikle gösterildiği gibi , enerjinin korunumu, zamanın öteleme simetrisinin matematiksel bir sonucudur , kozmik ölçeğin altındaki çoğu fenomenin onları zaman koordinatındaki konumlarından bağımsız kılan bir özelliğidir. Başka bir deyişle, dün, bugün ve yarın fiziksel olarak ayırt edilemez. Bunun nedeni, enerjinin zamana kanonik konjuge olan miktar olmasıdır . Enerji ve zamanın bu matematiksel dolaşıklığı aynı zamanda belirsizlik ilkesiyle sonuçlanır - herhangi bir belirli zaman aralığında kesin enerji miktarını tanımlamak imkansızdır. Belirsizlik ilkesi, enerji korunumu ile karıştırılmamalıdır - bunun yerine, enerjinin ilke olarak tanımlanıp ölçülebileceği matematiksel sınırlar sağlar.

Doğanın temel kuvvetlerinin her biri, farklı bir potansiyel enerji türü ile ilişkilidir ve tüm potansiyel enerji türleri (diğer tüm enerji türleri gibi) , mevcut olduklarında sistem kütlesi olarak görünür . Örneğin, sıkıştırılmış bir yay, sıkıştırılmadan öncekinden biraz daha büyük olacaktır. Benzer şekilde, sistemler arasında herhangi bir mekanizma ile enerji aktarıldığında, onunla ilişkili bir kütle de aktarılır.

Olarak kuantum mekaniği enerji kullanılarak ifade edilir Hamilton operatör . Herhangi bir zaman ölçeğinde, enerjideki belirsizlik,

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {\hbar }{2}}}$

ki bu Heisenberg Belirsizlik İlkesi'ne benzerdir (ancak H ve t ne klasik ne de kuantum mekaniğinde dinamik olarak eşlenik değişkenler olmadığından , buna gerçekten matematiksel olarak eşdeğer değildir).

Gelen parçacık fiziği , bu eşitsizlik niteliksel bir anlayış izin sanal parçacıklar taşıyan, ivme . Sanal parçacıkların gerçek parçacıklarla değişimi, bilinen tüm temel kuvvetlerin (daha doğrusu temel etkileşimler olarak bilinir) yaratılmasından sorumludur . Sanal fotonlar ayrıca elektrik yükleri arasındaki elektrostatik etkileşimden ( Coulomb yasası ile sonuçlanır ), uyarılmış atomik ve nükleer durumların kendiliğinden ışınımsal bozunmasından, Casimir kuvvetinden , Van der Waals kuvveti ve diğer bazı gözlemlenebilir olaylardan sorumludur.

Enerji transferi

Kapalı sistemler

Madde transferine kapalı sistemlerin özel durumu için enerji transferi düşünülebilir . Bir mesafe boyunca korunumlu kuvvetler tarafından aktarılan enerji kısmı , kaynak sistemin alıcı sistem üzerinde yaptığı iş olarak ölçülür . Enerjinin aktarım sırasında iş yapmayan kısmına ısı denir . Enerji, sistemler arasında çeşitli şekillerde aktarılabilir. Örnekler, elektromanyetik enerjinin fotonlar yoluyla iletimini, kinetik enerjiyi aktaran fiziksel çarpışmaları ve termal enerjinin iletken aktarımını içerir .

Enerji kesinlikle korunur ve ayrıca tanımlanabilecek her yerde yerel olarak korunur. Termodinamikte, kapalı sistemler için enerji transferi süreci birinci yasa ile tanımlanır :

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q}$

( 1 )

aktarılan enerji miktarı nerede ,   sistem üzerinde veya sistem tarafından yapılan işi temsil eder ve sisteme giren veya sistemden çıkan ısı akışını temsil eder. Bir basitleştirme olarak, ısı terimi, özellikle zayıf ısı iletkenleri olan gazları içeren hızlı işlemler için veya transferin termal verimi yüksek olduğunda bazen göz ardı edilebilir . Bu tür adyabatik süreçler için , ${\görüntüleme stili E}$${\görüntüleme stili W}$${\ ekran stili Q}$${\ ekran stili Q}$

${\ Displaystyle \ Delta {}E=W}$

( 2 )

Bu basitleştirilmiş denklem, örneğin joule'yi tanımlamak için kullanılan denklemdir .

Açık sistemler

Kapalı sistemlerin kısıtlamalarının ötesinde, açık sistemler madde transferi ile bağlantılı olarak enerji kazanabilir veya kaybedebilir (bu süreçlerin her ikisi de iş veya ısı eklemeden enerji kazanan bir sistem olan bir otomobilin yakıtı ile gösterilmektedir). Bu enerjiyi şu şekilde ifade ederek yazılabilir: ${\displaystyle E_{madde}}$

${\displaystyle \Delta {}E=W+Q+E_{madde}.}$

( 3 )

Termodinamik

İçsel enerji

İç enerji , bir sistemin tüm mikroskobik enerji biçimlerinin toplamıdır. Sistemi oluşturmak için gereken enerjidir. Moleküler yapı, kristal yapı ve diğer geometrik yönler gibi potansiyel enerjiyle ve ayrıca parçacıkların kinetik enerji biçimindeki hareketiyle ilgilidir. Termodinamik, yalnızca termodinamik ile belirlenmesi imkansız olan mutlak değeriyle değil, esas olarak iç enerjideki değişikliklerle ilgilidir.

termodinamiğin birinci yasası

Termodinamiğin birinci kanunu sistemi ve (mutlaka değil çevre toplam enerji iddia termodinamik serbest enerji ) her zaman muhafaza edilmiş olan ve bu ısı akışı, enerji transferi şeklidir. İyi tanımlanmış bir sıcaklık ve basınca sahip homojen sistemler için, birinci yasanın yaygın olarak kullanılan bir sonucu, kimyasal değişiklikler olmaksızın yalnızca basınç kuvvetlerine ve ısı transferine (örneğin, gazla dolu bir silindir) maruz kalan bir sistem için , Sistemin iç enerjisindeki diferansiyel değişim ( pozitif bir miktar ile gösterilen enerjide bir kazanç ile ) şu şekilde verilir:

${\displaystyle \mathrm {d} E=T\mathrm {d} SP\mathrm {d} V\,}$,

burada sağdaki ilk terim sisteme aktarılan ısıdır, sıcaklık T ve entropi S ( sistem ısıtıldığında entropinin arttığı ve d S değişiminin pozitif olduğu) cinsinden ifade edilir ve sağdaki son terim el tarafı, sistem üzerinde yapılan iş olarak tanımlanır, burada basınç P ve hacim V (sistemin sıkıştırılması üzerinde iş yapılmasını gerektirdiğinden negatif işaret oluşur ve bu nedenle iş yapıldığında hacim değişimi, d V , negatiftir) sistem üzerinde).

Bu denklem, tüm kimyasal, elektriksel, nükleer ve yerçekimi kuvvetlerini, ısı ve pV-iş dışında herhangi bir enerji türünün adveksiyonu gibi etkileri göz ardı ederek oldukça spesifiktir . Birinci yasanın genel formülasyonu (yani enerjinin korunumu), sistemin homojen olmadığı durumlarda bile geçerlidir. Bu durumlar için kapalı bir sistemin iç enerjisindeki değişim genel bir biçimde şu şekilde ifade edilir:

${\displaystyle \mathrm {d} E=\delta Q+\delta W}$

sisteme verilen ısı nerede ve sisteme uygulanan iştir. ${\görüntüleme stili \delta Q}$${\görüntüleme stili \delta W}$

enerjinin denk dağılımı

Mekanik harmonik osilatörün enerjisi ( yay üzerindeki bir kütle) dönüşümlü olarak kinetik ve potansiyel enerjidir . Salınım döngüsünün iki noktasında tamamen kinetik ve iki noktada tamamen potansiyeldir. Tüm bir döngü boyunca veya birçok döngü boyunca, ortalama enerji kinetik ve potansiyel arasında eşit olarak bölünür. Bu, eş bölme ilkesine bir örnektir : Birçok serbestlik derecesine sahip bir sistemin toplam enerjisi, mevcut tüm serbestlik dereceleri arasında eşit olarak bölünür.

Bu ilke, entropi adı verilen enerjiyle yakından ilgili bir niceliğin davranışını anlamak için hayati derecede önemlidir . Entropi, bir sistemin parçaları arasındaki enerji dağılımının düzgünlüğünün bir ölçüsüdür . Yalıtılmış bir sisteme daha fazla serbestlik derecesi verildiğinde (yani, mevcut durumlarla aynı olan yeni kullanılabilir enerji durumları verildiğinde), toplam enerji, "yeni" ve "eski" dereceler arasında ayrım yapılmaksızın mevcut tüm derecelere eşit olarak yayılır. Bu matematiksel sonuca termodinamiğin ikinci yasası denir . Termodinamiğin ikinci yasası sadece yakın veya denge durumunda olan sistemler için geçerlidir . Dengesiz sistemler için, sistemlerin davranışını yöneten yasalar hala tartışmalıdır. Bu sistemler için yol gösterici ilkelerden biri maksimum entropi üretimi ilkesidir . Dengesiz sistemlerin entropi üretimlerini en üst düzeye çıkaracak şekilde davrandığını belirtir.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

daha fazla okuma

dergiler

• Enerji Tarihi Dergisi / Revue d'histoire de l'énergie (JEHRHE), 2018–

Dış bağlantılar

• Enerji at Curlie
• Isı ve Termal Enerji Arasındaki Farklar – BioCab