SI-enheter | joule |
---|---|
Andre enheter | Mange |
Dimensjon | |
SI-base | N . m , kg . m 2 . s -2 |
Natur | Størrelse skalar konservativ omfattende |
Vanlig symbol | |
Lenke til andre størrelser | = |
I fysikk er energi en mengde som måler kapasiteten til et system for å modifisere en tilstand , for å produsere arbeid som involverer bevegelse , elektromagnetisk stråling eller varme . I det internasjonale systemet for enheter (SI) uttrykkes energi i joule og er av dimensjon .
Det franske ordet "energi" kommer fra det vulgære latinske energia , selv avledet av den antikke greske ἐνέργεια / enérgeia . Dette opprinnelige greske uttrykket betyr "kraft i aksjon", i motsetning til δύναμις / dýnamis som betyr "kraft i kraft"; Aristoteles brukte dette begrepet "i streng forstand av en perfekt operasjon" , for å betegne den effektive virkeligheten i opposisjon til den mulige virkeligheten.
Det er i 1717 at begrepet energi brukes for første gang av Jean Bernoulli i en forstand som er orientert mot den moderne fysiske betydningen. I 1807 introduserte Thomas Young ordet energi på engelsk for å betegne mengden m · v 2 . Denne adopsjonen utgjør et betydelig fremskritt i uttrykksfull presisjon. Faktisk, tidligere er det ordet kraft som brukes til å betegne likegyldig de moderne begrepene kraft , energi og kraft . Denne bruken hadde spredt seg spesielt med Philosophiae naturalis principia mathematica av Isaac Newton, som bruker ordet kraft i formuleringen av dynamikkens ligninger. Begrepet av arbeidet vil bli foreslått til ham i 1829 av Gaspard-Gustave Coriolis , bidrar til ytterligere å spesifisere forskjellige konsepter nyttig for fysikk. Imidlertid vil vilkårene og deres konseptuelle skiller fortsatt ta tid å spre seg. Så igjen i 1847, mens Helmholtz understreket allmennheten og betydningen av energibesparelsen , utviklet han ideen i en bok med tittelen Űber die Erhaltung der Kraft (On the Conservation of Force). I 1850 foreslo William Thomson eksplisitt å vedta begrepet energi i stedet for kraft . Et annet viktig fremskritt er formuleringen i moderne form av bevaring av mekanisk energi utført av William Rankine i 1853. Til tross for denne betydelige fremgangen var det ikke før i 1875 å se energi dukke opp i fransk vitenskapelig litteratur.
Det er faktisk flere definisjoner av energi. De regnes som likeverdige.
Vanligvis er energi i dag definert som "kapasiteten til et legeme eller et system til å produsere mekanisk arbeid eller dets tilsvarende" .
I et mer formelt rammeverk er det definert som "den fysiske størrelsen som er bevart under enhver transformasjon av et lukket fysisk system" . Det understøttes av prinsippet om bevaring av energi . Kvalifikatorene lukket eller isolert er spesifisert for å unngå en tolkning som vil kreditere muligheten for evig bevegelse .
Robert Mayer , lege og naturforsker i Heilbronn , er den første som korrekt formulerer prinsippet om bevaring av energi i et lukket system uten å referere til datidens fysikkarmaturer. De påfølgende kranglene om forventningen om oppdagelsen av prinsippet påvirker Mayer, som synker ned i depresjon, og gjør et selvmordsforsøk. Han kommer over det, og utmerkelsen ender med å ankomme lenge etter. Han mottok en æresdoktorgrad fra Universitetet i Tübingen .
Richard Feynman , i fysikkundervisningen , fikk for eksempel fra denne definisjonen uttrykket for gravitasjonspotensialenergi , ved hjelp av betraktninger på forskjellige enheter som består av spaker , remskiver og andre mekanismer.
Resultatet av denne formelle definisjonen, ifølge Jean-Marc Jancovici , er at energi griper inn i enhver transformasjon: “så snart verden rundt oss [...] endrer seg, energi kommer inn i bildet, og [mengden] energimålinger graden av transformasjon mellom før og etter ” . Dette forklarer viktigheten av energi i økonomien og industrien.
Energi er et konsept skapt for å kvantifisere samspillet mellom veldig forskjellige fenomener; det er litt av en felles utvekslingsvaluta mellom fysiske fenomener . Disse utvekslingene styres av lovene og prinsippene for termodynamikk . Enhetsenheten definert av International Bureau of Weights and Measures (BIPM) i International System (SI) er joule .
Når et fenomen forårsaker et annet fenomen, avhenger intensiteten av det andre av det første. For eksempel kjemiske reaksjoner i en syklists muskler gjør at han får sykkelen til å bevege seg. Intensiteten til denne bevegelsen (det vil si hastigheten) avhenger av intensiteten til de kjemiske reaksjonene til syklistens muskler, som kan kvantifiseres (mengden sukker "brent" ved å puste , metabolismen i muskelen).
La oss ta et annet eksempel. En intern forbrenningsmotor arbeider gjennom en kjemisk reaksjon, forbrenning , som finner sted inne i en sylinder . Reaksjonen av drivstoffet (bensin, også kalt drivstoff i tilfelle en varmemotor ) med oksidasjonsmidlet (oksygenet i luften) produserer gass med utslipp av varme og lys, noe som resulterer i en økning i temperatur og trykk i sylinder. Trykkforskjellen mellom denne gassen og atmosfæren på den andre siden av stempelet beveger sistnevnte, som går gjennom en mekanisk girkasse for å vri hjulene og kjøre forskjellige komponenter i tilfelle av et kjøretøy. I forbifarten vil det være mekanisk friksjon som vil gi oppvarming og slitasje.
Det er derfor en omorganisering av molekylene (brudd og gjensetting av kjemiske bindinger ) som forårsaker en økning i momentum , noe som resulterer i en økning i temperaturen på gassen og dermed en økning i trykket. Sistnevnte forårsaker bevegelse av et solid (stemplet), som vil drive et overføringssystem, og dermed være i stand til å dreie en akse, som for eksempel kan kobles til hjulene på en bil eller til en generator. Driven til den bevegelige delen av denne generatoren vil dreie en magnet som ved induksjon i en spole vil føre til forskyvning av elektroner (elektrisk strøm).
Konseptet med energi vil gjøre det mulig å beregne intensiteten til de forskjellige fenomenene (for eksempel bilens hastighet og mengden elektrisitet produsert av generatoren) i henhold til intensiteten til det opprinnelige fenomenet (mengden produsert gass og varme ved kjemisk reaksjon av forbrenning).
Merknader
Begrepet energi er grunnleggende for studiet av fenomenene transformasjon (som kjemi og metallurgi ) og mekanisk overføring , som er grunnlaget for den industrielle revolusjonen . Den fysiske begrepet energi derfor logisk fortalte XIX th århundre.
I 1652 viser Huygens at mengden m · v 2 er den som er bevart i alle tilfeller av elastisk støt .
Fra 1686 kalte Leibniz denne mengden "kraft" , "levende kraft" sin kinetiske del og "død kraft" det som kalles potensiell energi , og deretter utviklet under navnet " dynamisk " den første energiteorien, der m · V 2 er aktivt prinsipp i materie, dets primære virkelighet.
I 1788 viser Lagrange invariansen av summen av to størrelser, som senere vil bli kalt " kinetisk energi " og " potensiell energi ".
I XIX th århundre, oppnås ved en rekke eksperimenter for å markere funn eller lover :
Dermed, takket være energi, kan vi relatere observasjoner så forskjellige som bevegelse , rotasjon , temperatur , fargen på et legeme eller et lys , forbruk av sukker eller kull , slitasje , etc.
Det ser også ut til at hvis energien er konservert og transformert, er noen transformasjoner enkle eller reversible, og andre ikke.
For eksempel er det enkelt å forvandle fallhøyden til oppvarming, vi kan gjøre det helt, på den annen side er det omvendt vanskelig (det er behov for komplekse innretninger) og en del av "energien" må diffunderes og derfor tapt . Denne observasjonen vil være grunnlaget for ideen om entropi .
Fra konseptet med bevaring av energi (i mengde), vil vi være i stand til å se fra et annet perspektiv på de komplekse systemene (spesielt biologiske og kjemiske ) som tilsynelatende bryter denne loven, og vi vil oppnå med ny vitenskapelig fremgang for alltid validere postulatet eller prinsippet om energibesparelse.
Energi er et viktig begrep i fysikk , som sier er fra XIX th århundre.
Vi finner begrepet energi i alle grener av fysikken :
I det internasjonale systemet for enheter er energi en mengde uttrykt i joule ( ).
I fysikk er en utveksling av energi en måte å uttrykke fenomenens intensitet på; det er faktisk en målbar størrelse, og som uttrykkes på en annen måte i henhold til transformasjonene som et system gjennomgår ( kjemisk reaksjon , sjokk, bevegelse, atomreaksjon , etc. ). Ettersom energi defineres forskjellig avhengig av fenomenene, kan vi faktisk definere ulike “energiformer” (se nedenfor).
Videre, i makroskopisk skala, har hvert fenomen en årsak; det er variasjonen i intensiteten til fenomenet-årsaken som forårsaker variasjonen i intensiteten til fenomen-effekten. Hvis intensitetene til årsak og virkning fenomener uttrykkes i form av en energi, så ser vi at energien er konservert (se nedenfor).
Enheten til det internasjonale systemet for måling av energi er joule ( J ).
Noen aktiviteter bruker andre enheter, spesielt elektronvolt ( 1 eV = 1,602 × 10 −19 J ), kilowatt-timen (1 kWh = 3,6 MJ ), tonn oljeekvivalent ( 1 tå = 41,868 GJ ), kalorien ( 1 cal = 4,18 J ), den store kalorien (diett: 1 Cal = 1 kcal = 4182 J ) per kilo og i relativistisk fysikk .
De termodynamikk er den disiplin som studerer energitransformasjoner innbefattende termisk energi . Det første prinsippet sier at energi er konservert, det andre prinsippet pålegger effektiviteten av transformasjonen av termisk energi til mekanisk, elektrisk eller annen energi.
Den Arbeidet er en ordnet overføring av energi mellom et system og det ytre miljø.
Den varme er en rotete overføring av energi mellom systemet og det ytre miljø.
Varme er en overføring av termisk omrøring. Opprøringen av partiklene forplanter seg i henhold til sjokkene i alle retninger, på en uordnet måte. Det er av denne grunn at man aldri kan transformere termisk energi til arbeid, mens det motsatte er mulig (f.eks. Elektrisk arbeid transformert til varme ved Joule-effekt i en elektrisk radiator). Det sies også at økningen i temperatur tilsvarer en nedbrytning av energi.
Denne termiske overføringen , kalt varme, finner sted fra det varmeste systemet til det kaldeste, det vil si den hvis partikler er statistisk mest opphisset, vil overføre sin termiske omrøring etter valg av mer eller mindre energiske støt., I det ytre miljø eller i det statistisk mindre opphissede systemet, det vil si det kaldeste. Denne intuitive observasjonen er formalisert av termodynamikkens andre prinsipp .
EiendommerArbeid og varme er ikke tilstandsfunksjoner . Mengden deres, tatt i spill under en transformasjon , avhenger av måten man går frem på.
Omdannelsen av energi fra en form til en annen er vanligvis ikke fullført: en del av energien som er tilstede i starten blir nedbrutt i form av uordnet kinetisk energi (det sies noen ganger å bli transformert til varme). Vi kaller effektivitet kvotienten til energien oppnådd i ønsket form av den som tilføres omformerens inngang.
Ta eksemplet med en varmemotor . Det som interesserer brukeren er den mekaniske bevegelsen som produseres. Resten av energien betraktes i beste fall som tapt (den delen som ekstraheres i form av varme i eksosgassene), i verste fall skadelig (den delen som tilsvarer fysisk eller kjemisk slitasje på motoren).
En ideell elektrisk motor , som ville konvertere all energien til den elektriske strømmen til mekanisk bevegelse, ville ha en effektivitet på 1 (eller 100%). I virkeligheten, hvis det er nær 95% for de kraftigste maskinene, er det i gjennomsnitt rundt 80-85% bare for en vekselstrømsmotor på noen få kilowatt, og litt lavere fortsatt for motorer med likestrøm , pga. blant annet til friksjon av børstene på rotoren og en mindre god fordeling av magnetfeltet i maskinen.
Den virkelige effektiviteten til en omformer er derfor alltid mindre enn 1, bortsett fra i tilfelle omformere hvis rolle er å produsere termisk energi som den er enhetlig for ( elektrisk oppvarming ).
I noen tilfeller kan det være et tilsynelatende "utbytte" større enn 1:
Energi kan verken skapes eller ødelegges, men bare transformere fra en form til en annen eller byttes fra ett system til et annet ( Carnots prinsipp ). Dette er prinsippet om energibesparelse : energi er en mengde som kan konserveres . Denne mengden er sammensatt av forskjellige komponenter ( kinetisk energi , varmeenergi , potensiell energi , masseenergi , etc. ), som handles i et nullsumsspill .
Dette empiriske prinsippet ble validert i 1915, lenge etter oppdagelsen, av Noeters teorem . Loven om bevaring av energi stammer fra fysikklovens uforanderlige tid.
Dette prinsippet er så sterkt i fysikken at hver gang det så ut til å bli ubekreftet, førte det til viktige funn. Hver gang det virket som om energien ikke ble bevart, forvandlet den faktisk den til en ny form. For eksempel ble radioaktivitet en gang tolket som gjenutslipp av noe som ble mottatt fra utsiden, og forklaringen kom fra masse-energi-ekvivalensen.
I praksis skiller vi ofte forskjellige "former" av energi. Imidlertid brukes energi til å måle intensiteten til et fenomen, denne inndelingen er bare en måte å få energien til å svare til fenomenet den måler. Videre er dette skillet ikke absolutt, men avhenger bare av observatørens posisjon: relativitetsprinsippet gjelder også energi, slik at det samme fenomenet kan analyseres i form av "kinetisk", "elektromagnetisk" eller "potensiell" energi ...
Formene for energi som klassisk vurderes er:
I relativitetsteorien , Albert Einstein etablerer eksistensen av bare to former for energi:
I termodynamikk er dødelig energi energien som uunngåelig er tilstede eller fanget i en prosess eller et produkt, som noen ganger og delvis lett kan gjenvinnes og brukes; For eksempel, etter forsinkelser i gjennomføringen av gjenvinning , produserte Frankrike på 2000-tallet mer enn 25 millioner tonn husholdningsavfall per år , hvorav 40% fortsatt ble behandlet av forbrenning . Brennverdien av dette avfallet er en dødelig form for energi. Uten utvinning (utvinning av varme , metan , hydrogen og / eller elektrisitet osv. , Muligens med kraftvarmeproduksjon eller trigenerasjon , vil denne energien gå tapt i miljøet (på deponier) eller slippes ut i atmosfæren. Forbrenningen av avfall kan produsere damp som kan levere drivhus, fabrikker eller et urbant varmenettet Den metanise av organisk avfall kan produsere betydelige mengder av metan, og kompost som kan brukes i landbruket.
Energien brukt til å skape et fenomen måler størrelsen på det endelige fenomenet. Denne energien tilføres et annet fenomen, kalt "motorfenomen".
Noen motoriske fenomener vil gjøre jobben raskt, andre saktere; for eksempel vil en svak fører ta lang tid å montere betongblokker en etter en på toppen av stillaset, mens en muskuløs fører vil bære flere om gangen og være raskere (på den annen side vil sluttresultatet være nøyaktig det samme).
Denne evnen til å mobilisere mye energi i en gitt tid kalles kraften til motorfenomenet:
kraften er forholdet mellom energien som tilføres av et fenomen etter fenomenets varighet, P = d E / d t .Effekten måles i watt (1 W = 1 J / s ).
De varme overføringer er en del av et felt av termodynamikk kalt irreversible termodynamikk , som er å si, for enkelhet, at fenomenet ikke kan gå tilbake.
Den overførte energien er i hovedsak i form av varme som går spontant fra en varm sone til en kald sone ( Andre prinsipp for termodynamikk ). Denne varmeoverføringen kan ledsages av masseoverføring. Dette fenomenet forekommer i tre forskjellige former:
Hver av disse tre modiene er overvektige i sitt foretrukne univers: ledning i faste stoffer, konveksjon i bevegelige væsker (væsker, gasser), stråling i vakuum (hvor det er den eneste mulige modusen).
LedningVarmeledning er fenomenet hvor temperaturen til et medium blir homogen. Det tilsvarer overføring av termisk omrøring mellom molekyler og skjer i et fast stoff, væske eller gass. Eksempel: temperaturen på en stang som er oppvarmet i den ene enden, har en tendens til å bli jevn ved termisk ledning.
KonveksjonKonveksjon er overføring av varme forårsaket av bevegelse av partikler i en væske. Det forekommer i en flytende væske. Eksempel: varm, mindre tett luft stiger, transporterer varme fra bunnen til toppen.
StrålingStråling er overføring av varme ved forplantning av elektromagnetiske bølger eller ved radioaktivt forfall. Det kan forekomme i alle innstillinger, inkludert vakuum. Eksempel: Jorden varmes opp av solstråling.
“Energi kan ikke skapes eller ødelegges, og det er upassende å snakke som vi ofte gjør om" produksjon "eller" forbruk "av energi. I alle tilfeller er det et spørsmål om formendring, eller om overføring fra ett system til et annet ”
.