Понятие энергии в физике.Энергетические системы

Энергия не возникает из ничего и никуда не исчезает, она может только переходить из одного вида в другой (закон сохранения энергии ). Понятие энергии связывает все явления природы в одно целое, является общей характеристикой состояния физических тел и физических полей . Вследствие существования закона сохранения энергии понятия «энергия» связывает все явления природы . В физике понятие энергия обычно обозначается латинской буквой Е. В системе СИ энергия измеряется в джоулях . Кроме этих основных единиц измерения на практике используется очень много других удобных при конкретном использовании единиц. В атомной и ядерной физики а также в физике элементарных частиц понятие энергию измеряют электрон-вольтами , в химии калориями , в физике твердого тела градусами Кельвина , в оптике обращенными сантиметрами , в квантовой химии в самосогласованного .

Согласно различных форм движения материи, различают несколько типов энергии: механическая , электромагнитная , химическая , ядерная ,тепловая , гравитационная и др. Это деление достаточно условно. Так химическая энергия состоит из кинетической энергии движения электронов , их взаимодействия и взаимодействия с атомами . Кроме того,по понятию различают энергию внутреннюю и энергию в поле внешних сил. Внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой. Внутренняя энергия изолированной системы является постоянной. В ризномантнитних физических процессах различные виды энергии могут превращаться друг в другой. Например, ядерная энергия в атомных электростанциях превращается сначала во внутреннюю тепловую энергию пара , вращающего турбины (механическая энергия), что в свою очередь индуцируют электрический ток в генераторах (электрическая энергия), который используется для освещения (энергия электромагнитного поля ) и т.д . Энергия системы однозначно зависит от параметров, характеризующих ее состояние. В случае непрерывного среды вводят понятие плотности.

Понятие энергии состояло в физике на протяжении многих веков. Его понимание все время менялось. Впервые термин энергия в современном физическом смысле применил в 1808 году Томас Янг. К тому употреблялся термин «жизненная сила» (лат. vis viva), который еще в 17-м веке ввел в обращение Лейбниц , определив его как произведение массы на квадрат скорости . В 1829 году Кориолиса впервые применил термин кинетическая энергия в современном смысле, а срок потенциальная энергия был введен Уильямом Рэнкин в 1853 году. К тому времени получены в исследованиях в различных областях науки данные начали складываться в общую картину. Благодаря опытам Джоуля , Майера , Гельмгольца прояснилось вопросы преобразования механической энергии в тепловую. 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 . Эти открытия позволили сформулировать первый закон термодинамики или понятие сохранения энергии . Понятие энергии стало центральным в понимании физических процессов. Вскоре естественным образом в понятие энергии вписалась термодинамика химических реакций и теория электрических и электромагнитных явлений. С построением теории относительности к понятию энергии добалося новое понимание. Если раньше потенциальная энергия определялась с точностью до произвольной постоянной, то теория Эйнштейна установила связь энергии с массой .

Квантовая механика обогатила понятие энергии квантованием — для определенных физических систем энергия может принимать лишь дискретные значения. Кроме того принцип неопределенности установил границы точности измерения энергии и ее взаимосвязь с тем . Теорема Нетер продемонстрировала, что закон сохранения энергии следует из принципа однородности времени, по которому физические процессы в одинаковых системах протекают одинаково, даже если они начинаются в разные моменты времени.

Энергия тела зависит от системы отсчета , т.е. неодинакова для разных наблюдателей . Если тело движется со скоростью v относительно какого наблюдателя, то для другого наблюдателя, движущегося с той же скоростью, оно покажется неподвижным. Соответственно, для первого кинетическая энергия тела будет равна (исходя из законов классической механики) т v2/2′ где m — масса тела, а для другого — нулю. Эта зависимость энергии от системы отсчета сохраняется также в теории относительности . Для определения преобразований, происходящих с энергией при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой используется сложная математическая конструкция — тензор энергии-импульса . Энергия тела зависит от скорости уже не так как в ньютоновской физике, а иначе: квантовая механика Тогда, как в классической физике понятие энергия любой системы меняется непервно и может принимать произвольных значений, Квантовая теория утверждает, что энергия микрочастиц, привязанных силой взаимодействия с другими микрочастицами в ограниченных областей пространства, может приобретать только определенных дискретных значений. Так, атомы излучают энергию в виде дискретных порций — световых квантов , или фотонов . Оператором энергии в квантовой механике является гамильтониан . В стационарных состояниях квантовых систем энергия может иметь только те значения, которые соответствуют собственным значением гамильтониана. Для локализованных состояний энергия может иметь только определенные дискретные.