Понятие энергии. 2

Оглавление

Введение 1

1. Понятие энергии 1

2. История  понятия  Энергия 3

2.1. Формирование представления об  «энергии» 3

2.2.Закон сохранения энергии 3

2.3. Энергетизм как философское направление 4

2.4. Теория относительности 5

3. Энергия-  фундаментальное  понятие  науки 6

3.1. Энергия как интеграл движения 7

3.2. Энергия - основание Вселенной 7

4. Виды энергии 8

4.1. Энергия диссипации 8

4.2. Механическая энергия 8

4.2.1. Кинетическая энергия 8

4.2.2. Потенциальная энергия 8

4.3. Тепловая энергия 9

4.4. Электрическая энергия 9

4.5. Химическая энергия 9

4.6. Магнитная энергия 9

4.7. Гравитационная энергия 10

4.8. Ядерная энергия 10

4.9. Внешняя и внутренняя энергия 10

5. Понятие психической энергии 11

6. Значение энергии 12

Заключение 13

Список использованной литературы 15

Приложение 1. Дерево энергетических ресурсов 16

Введение

        Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни.

       История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.

      Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV веку средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, – оно возросло в 30 раз и достигло в 1998 г. 13.7 Гигатонн условного топлива в год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек.

     В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Под энергетикой при этом понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.

1. Понятие энергии

Энергия… Понятие это многозначно, как многогранна область применения энергии. Человечеству известны солнечная, тепловая, электрическая, механическая, ядерная энергия, энергия воды. Наряду с физической изучается биологическая и психическая энергия.

     Эне́ргия (др.-греч. ἐνέργεια — «действие, деятельность, сила, мощь») — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Термин «энергия» происходит от слова energeia, которое впервые появилось в трактате «Физика» Аристотеля и обозначал собой деятельность.

     Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется во времени. Это утверждение носит название закона сохранения энергии. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, она только может переходить из одной формы в другую.

     Понятие энергии связывает воедино все явления природы. Не следует понимать движение примитивно. Движение – это изменение во времени состояния того, о движении чего идет речь: увядание цветка, капание капли и изменение всего остального во Вселенной.

     Что такое энергия, дает разъяснение современная физика. Здесь наиболее четко оформилась концепция «энергии».

Из физического определения  энергии  вытекает:

• энергия — это нечто, что проявляется лишь при изменении  состояния (положения) различных объектов окружающего нас мира;

• энергия — это нечто, способное переходить из одной формы  в другую ;

• энергия характеризуется  способностью производить полезную для человека работу;

• энергия — это нечто, что можно объективно определить, количественно измерить.

      В работе С.А. Гайворонского "Закон сохранения информации" в главе "Энергия организованной материи" находим весьма интересное понимание термина энергия : "Энергия, с моей точки зрения, - это свойства объекта, которые при определенных условиях позволяют произвести изменения свойств соседних объектов".

      В свободной энциклопедии "Wikipedia" находим, что энергия определяется как характеристика движения и взаимодействия тел, их способность совершать изменения во внешнем мире. Делаем выводы: понятие энергии неразрывно связанно с такими понятиями как: объект, как ее обладатель (если так можно выразиться); движение (изменение) в объекте или системе, относительно которой рассматривается объект; наличие пары субъект-объект влияния.

      В "Эзотерическом словаре" находим еще одно определение энергии, как основы всего проявленного во вселенной, которая вибрирует на различных частотах, на всех планах мироздания и частота которой определяет характер ее проявления, например, в виде мысли, света, или твердой материи.

      Можно уверенно утверждать, что слово «энергия» – наиболее часто употребляемое и широко используемое из всех научных понятий.

      Ученые классифицировали «энергию», выделив ее всевозможные разновидности. «Энергию» приравняли к различным видам элементарных частиц (электромагнитным излучениям), выделяющихся из состава химических элементов при радиоактивном распаде, соударениях или трении.

      А потом количество существующих «энергий» стало расти как грибы после дождя. «Ядерная энергия» – это различные виды излучений, испускаемых радиоактивными элементами. «Электромагнитная энергия» – это свет, и всевозможные типы фотонов.

     Физики ХХ века, во главе с А. Эйнштейном, вообще постулировали взаимообмен массы и энергии.

     Понятие «энергия» «удачно» перешло в химию и прочно там обосновалось, породив еще множество разновидностей «энергии», теперь уже имеющих химический смысловой оттенок. Например – «энергия связи» и «энергия ионизации».

      Биологи также ассимилировали этот термин и ведут речь об энергии живых организмов – о биоэнергии. В 1962 г. Нобелевский лауреат Питер Митчел высказал предположение, что энергия, освобождающаяся при дыхании и фотосинтезе, сначала запасается в виде электричества и разности концентрации протонов между двумя отсеками, разделенными мембраной, чтобы затем использоваться для синтеза АТФ (аденозин-трифосфат). Гипотеза была подтверждена. Так биоэнергетика вплотную подошла к исследованию энергии. В новой парадигме медицины болезнь рассматривается как результат изменения структур энергии, предлагается терапевтическая методика для влияния на энергетическую систему тела. Исцеляющие силы, присущие каждому организму, могут действовать в направлении возвращения организма в свое прежнее нормальное состояние и в направлении, приводящем к новому состоянию равновесия.

2. История  понятия  Энергия

2.1. Формирование представления об  «энергии»

Понятие энергии складывалось в физике в течение многих веков. Его понимание все время менялось.

      В рамках естественнонаучной картины мира представления об энергии сформировались в механике, а сам термин «энергия» в современном физическом смысле впервые был употреблен только в 1807 г. Томасом Юнгом, под энергией он понимал величину пропорциональную механической работе. Параллельно использовался термин «жизненная сила» (лат. vis viva ), который еще в 17-м веке ввел в обращение Лейбниц, определив его как произведение массы на квадрат скорости.

      Введенное Гельмгольцем представление о потенциальной энергии было поименовано им как «сила напряжения». Гаспар-Гюстав Кориолис впервые использовал термин «кинетическая энергия» в 1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввёл понятие «потенциальная энергия».

     В то время полученные в исследованиях в различных областях науки данные начали складываться в общую картину.  

     Благодаря опытам Джоуля, Майера, Гельмгольца прояснилось вопросы преобразования механической энергии в тепловую. Д.Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Также Джоуль обнаружил, что связи, между выделением или поглощением тепла, в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а также биологическими объектами, носят характер «превращения». Он же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии эта величина стала известна как «энергия».

     Эти открытия позволили сформулировать первый закон термодинамики или закон сохранения энергии.

  2.2.Закон сохранения энергии    

    В одной из первых работ «О сохранении силы" (1847) Гельмгольц, следуя идее единства природы, математически обосновал закон сохранения энергии и положение о том, что живой организм является физико-химическим средой, в которой указанный закон точно выполняется. Гельмгольц сформулировал "принцип сохранения силы" и невозможность Perpetuum Mobile. Закон сохранения энергии - "один из наиболее фундаментальных законов природы, согласно которому наиважнейшая физическая величина - энергия сохраняется в изолированной системе. В изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но ее общее количество остается постоянным" Важно признать не только количественную, но и качественную неуничтожимость материи и движения. В 1918 году было доказано, что закон сохранения энергии есть математическое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопряжённой энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики не отличают разные моменты времени .

     В 1920-х годах появилось понятие  «термодинамика» — наука о преобразовании энергии.     Наука об энергии разделилась на множество различных областей, таких как биологическая термодинамика и термоэкономика (англ. thermoeconomics). Параллельно развивались связанные понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность, поток энергии за единицу времени, и так далее.

     Понятие энергии стало центральным в понимании физических процессов. Вскоре естественным образом в понятие энергии вписалась термодинамика химических реакций и теория электрических и электромагнитных явлений.

     В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лауреат, Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии: «Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми явлениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. Название его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует определённая величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и весьма отвлечено. Это по существу математический принцип, утверждающий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяется ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма явления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним».

     Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей, и стала популярной благодаря закону сохранения энергии. Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов, и не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать эти факты каждый по отдельности.

2.3. Энергетизм как философское направление

     Идею, что энергия является основой всего, предложил Вильгельм Фридрих Оствальд (1853–1932). Идея такова: все объекты во Вселенной состоят чисто из энергии, (+ свойств); энергия – это полноценное, материеподобное основание.

     Развитие физики на рубеже XIX–XX в. привело к открытию новых видов движения, в которых оставалось невыясненным, что именно движется. Используя это обстоятельство, некоторые ученые пытались доказать, что движение возможно без материального носителя. Поскольку природа электрона еще не была в достаточной степени исследована, электрон был провозглашен некоей «нематериальной силой», чистым движением без материального носителя. На этом основывался и базировался энергетизм как философское направление. Основной тезис энергетизма состоял в замене понятия материи комплексом известных энергий. Материя отождествлялась с веществом. Под энергией же в большинстве случаев подразумевалось материальное движение. Энергия трактовалась как неуничтожимая субстанция, способная к многообразным превращениями, но не как атрибут материи. Под энергией в большинстве случаев подразумевалась способность материальных тел совершать работу при изменении своего состояния. Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.

     Истоки энергетизма относят к середине XIX в., к периоду становления в физике закона сохранения и превращения энергии. Наиболее крупной фигурой этого направления был немецкий химик В. Оствальд, к нему примыкали также Ю. Майер, английский физик М. Ранкин, немецкий ученый Г. Хельм.

     Концепция В. Оствальда была подвергнута критике за путаность и непоследовательность. Провозглашая энергетизм как новое философское направление, он стремился устранить препятствия к слиянию материи и духа и положить «конец материалистическому веку».

    Философское учение, выросшее на основе идеи Оствальда (энергетизм), в современном состоянии не противоречит тому, чтобы сутью полей являлись искривления пространства-времени, но полагает, что сутью и причиной искривлений пространства-времени является как раз энергия: из энергии состоит и само пространство, энергия создает и течение времени, энергия и искривляет их.

2.4. Теория относительности

     С формулировкой теории относительности в понятие энергии прибавилось новое понимание. Если раньше потенциальная энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, то теория Эйнштейна установила связь энергии с массой. Философский принцип неразрывности материи и движения на уровне физического познания конкретизируется в формах закона взаимосвязи массы и энергии Е = mc2. Согласно этому закону, всякий объект, обладающий массой, будет с необходимостью обладать и энергией, и наоборот, всякий объект, обладающий энергией, будет иметь массу. Классическое вещество есть не что иное, как область большой концентрации энергии, а классическое «поле» – область малой концентрации энергии. Различные виды реальности оказываются лишь разными проявлениями энергии. Массу следует понимать как меру определенного типа устойчивости, а энергию – как меру определенного типа изменчивости. Масса является мерой гравитационных и инерциальных свойств физических объектов. Энергия есть мера движения и взаимодействия физических объектов.

           Понятия,  которые раньше считались философскими, мистическими, не имеющими отношения  к реальной жизни, вдруг приобрели  силу физических законов. Все  в мире взаимосвязано, масса  может непосредственно переходить  в энергию, и в небольшой  массе содержится колоссальная  энергия.  
В ХХ веке это было экспериментально доказано на примере атомной бомбы.  
Но если возможен прямой переход массы в энергию, значит, можно рассуждать и о переходе энергии в массу. То есть о возникновении вещества из энергии физического вакуума.

      В последние два века использование слова энергия в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.

      Понятие энергии настолько вошло в наш обыденный лексикон, что мы, не задумываясь, применяем этот термин. Нам кажется, что это существует в реальности как отдельная вещь или субстанция, как например, воздух или вода. В обыденной жизни часто жалуемся на то, что не хватает энергии, чтобы поднять что-либо или копать землю в саду, или если в доме нет света, говорим, что нет электрической энергии. Наши машины используют силу давления сгорающей углеводородной смеси в двигателях внутреннего сгорания или напора струи высокоскоростного истечения газа в реактивных двигателях. Для кипячения воды на газовой плите применяем тепловую энергию, выделяющуюся при химических реакциях горения. Также часто используем термины атомная энергия, ветровая энергия, энергия падающей воды и др.

          3. Энергия- фундаментальное понятие науки

     В 1881 году Уильям Томсон заявил перед слушателями: «Само слово энергия, хотя и было впервые употреблено в современном смысле доктором Томасом Юнгом приблизительно в начале этого века, только сейчас входит в употребление практически после того, как теория, которая дала определение энергии, … развилась от просто формулы математической динамики до принципа, пронизывающего всю природу и направляющего исследователя в области науки».

      Энергия рассматривается как одно из фундаментальных понятий науки. Изучением основных видов энергии занимается физика. Эта фундаментальная наука пытается детально исследовать элементарную энергетическую систему и дать ей объяснение. Например, исследуя поведение твердого тела, фундаментальная наука изучает процессы, имеющие место в элементарном атоме. Только после этого она переходит к изучению более сложных образований, например, молекул и потом возвращается к проблеме твердого тела.

      Энергия является мерой способности физической системы тел, находящихся в данных условиях, совершить определённое количество работы, поэтому количественно энергия и работа выражаются в одних единицах. Механическая работа численно равна изменению механической энергии.

      Энергия системы может оцениваться по весьма различным признакам. Например, энергия парового котла зависит от количества пара, скопленного в котле, и от упругости этого пара, а энергия электрического тока зависит от количества протекшего электричества и разности потенциалов концов цепи. Чаще всего приходится мерить энергию механическую.

3.1. Энергия как интеграл движения

    С фундаментальной точки зрения энергия представляет собой интеграл движения (то есть сохраняющуюся при движении величину), связанный, согласно теореме Нетер, с однородностью времени. Таким образом, введение понятия энергии как физической величины целесообразно только в том случае, если рассматриваемая физическая система однородна во времени.

    Движение создает энергию. Движение, следовательно – основание, а энергия – только свойство.

     Таким образом, движение – это истинное и единственное основание всего сущего во Вселенной. Все объекты во Вселенной состоят чисто из движений (+ свойств). А единой мерой различных форм движения служит физическая величина, называемая энергией. Движение является неотъемлемым свойством материи. Поэтому всякое, тело обладает энергией или, как часто говорят, запасом энергии, являющейся мерой его движения.

3.2. Энергия - основание Вселенной

      Энергия– подлинное, единственное основание всего сущего. Энергия – есть основание всех объектов во Вселенной. Вселенная – это энергия, – вечная, неуничтожимая, и бесконечная. Надо сказать, что понятие энергии, как основы всего, что существует во Вселенной, довольно не просто и требует понимания всех ее видов, от квантово-волновой, до форм, представленных в виде вещества: частиц, атомов, молекул, в контексте механизмов перехода ее из одних форм в другие. Без отнесения к определенной форме движения энергия полностью лишена смысла и, никто не способен придать ей какой-либо смысл.

      В то же время из этой формулы следует, что просто для поддержания формы тела требуется огромная энергия. Поэтому можно говорить об Энергии Формы и о влиянии этой энергии на окружающее пространство. В этом принципе заложены основы понимания влияния пирамид, куполов и других геометрических форм.  
Согласно классической физике, энергия любой системы меняется непрерывно и может принимать любые значения. Согласно квантовой теории, энергия микрочастиц, например электронов в атомах, принимает дискретный ряд значений. Атомы излучают электромагнитную энергию в виде дискретных порций —световых квантов, или фотонов. С биофизической точки зрения энергия систем и органов определяется уровнем обеспечения митохондрий свободными электронами, т.е. характером электронного транспорта. Способность митохондрий производить АТФ определяет возможность совершения работы с точки зрения процессов физиологической активности. Но возможность совершения работы и называется энергией.  
          

4. Виды энергии

    Для количественной характеристики качественно различающихся форм движения и соответствующих им взаимодействий вводят различные виды энергии: механическую, внутреннюю, химическую,  тепловую и т.д.

     Энергией обладают все виды полей. По этому признаку различают: электромагнитную (разделяемую иногда на электрическую и магнитную энергии), гравитационную и ядерную энергии (также может быть разделена на энергию слабого и сильного взаимодействий), энергию диссипации.

4.1. Энергия диссипации

     Энергия диссипации  (лат. dissipatio,  рассеяние) – переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т.п.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счете – в теплоту. Системы, в которых энергия упорядоченного движения с течением времени убывает за счет диссипации, переходя в другие виды энергии, например в теплоту или излучение, называются диссипативными.

    4.2. Механическая энергия

Механическая энергия  — проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, cжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и технологических.  Механическая энергия характеризует способность тела совершать работу, характеризует движение и взаимодействие тел, является физической величиной определяемая состоянием системы тел – взаимным расположением и их скоростями. Изменение энергии при переходе из одного состояния в другое равна работе внешних сил. Полная механическая энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергий.

4.2.1. Кинетическая энергия

 Кинетической энергией называют энергию, которой тело обладает вследствие своего движения. Она равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.  Кинетической энергией обладают все движущиеся тела. Например, текущая вода, ветер, вращающееся колесо, движущийся электрон и т.д. Физический смысл кинетической энергии заключается в том, что эта энергия равна работе, которую надо совершить.

4.2.2. Потенциальная энергия

 Потенциальной энергией называют энергию, которая определяет взаимным расположением тел или частей одного тела, находящихся в относительном покое. Такой энергией обладают, например, поднятый камень на какую-нибудь высоту над Землей, сжатая или растянутая пружина и др.

      Что же отличает потенциальную энергию от энергии кинетической? Оказывается, лишь то, что кинетическая энергия создается движением видимым, ну а потенциальная энергия создается движением невидимым; в общем, это – единственное отличие. Причина обоих энергий едина: движение.

4.3. Тепловая энергия

Тепловая энергия —  энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул  веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных  видов топлива, широко применяется  для отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегон­ки и т. д.).

4.4. Электрическая энергия

Электрическая энергия —  энергия движущихся по электрической  цепи электронов (электрического тока). Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: дробления, измельчения, перемешивания; для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэррозионная обработка).

4.5. Химическая энергия

Химическая энергия —  это энергия, "запасенная" в  атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется  в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах. Эти  источники энергии характеризуются  высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

В химии рассматриваются такие  величины как энергия связи и  энтальпия, имеющие размерность  энергии, отнесенной к количеству вещества (химический потенциал).

4.6. Магнитная энергия

Магнитная энергия — энергия  постоянных магнитов, обладающих большим  запасом энергии, но "отдающих" ее весь­ма неохотно. Однако электрический  ток создает вокруг себя протяженные, сильные магнитные поля, поэтому  чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная  энергии тесно взаимосвязаны  друг с другом, каждую из них можно  рассматривать как "оборотную" сторону другой.

Электромагнитная энергия  — это энергия электромагнитных волн, т. е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, электромагнитная энергия — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

4.7. Гравитационная энергия

Гравитационная энергия  — потенциальная энергия системы  тел (частиц), обусловленная их взаимным тяготением. Гравитационно-связанная  система — система, в которой гравитационная энергия больше суммы всех остальных видов энергий (помимо энергии покоя). Общепринята шкала, согласно которой для любой системы тел, находящихся на конечных расстояниях, гравитационная энергия отрицательна, а для бесконечно удалённых, то есть для гравитационно не взаимодействующих тел, гравитационную энергия равна нулю. Полная энергия системы, равная сумме гравитационной и кинетической энергии постоянна, для изолированной системы гравитационная энергия является энергией связи. Системы с положительной полной энергией не могут быть стационарными.