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能量_物理学名词

   日期:2020-09-06     浏览:14    评论:0    
核心提示:能量(energy)简称能,质量的时空分布可能变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数
 

 

能量(energy)简称“能”,质量的时空分布可能变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。现代物理学已明确了质量与能量之间的数量关系,即爱因斯坦质能关系式:E=MC²。

能量的单位与功的单位相同,在国际单位制中是焦耳(J)。在原子物理学原子核物理学粒子物理学等领域中常用电子伏(eV)作为单位,1电子伏=1.602,18×10-19焦。物理领域,也用尔格(erg)作为能量单位,1尔格=10-7焦。

能量以多种不同的形式存在。按照物质的不同运动形式分类,能量可分为核能机械能化学能热能电能辐射能光能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应化学反应而相互转化 [1]  。各种也具有能量。

中文名  能量

外文名  Energy

别    称  能

提出者  托马斯·

提出时间  1801

应用学科  物理

形    式  机械能化学能热能

主单位  焦耳(J),尔格电子伏

物理定义  能量是物质运动转换的量度

目录

1 词源

2 物理定义

3 能量形式

动能

势能

化学能

热能

电能

辐射能

核能

4 相关定律

能量守恒定律

质能守恒定律

5 能量单位

6 相关概念

7 人体能量

 

能量的英文“energy”一字源于希腊语:ἐνέργεια,该字首次出现在公元前4世纪亚里士多德的作品中。伽利略时代已出现了“能量”的思想,但还没有“能”这一术语。能量概念出自于17世纪莱布尼茨的“活力”想法,定义于一个物体质量和其速度的平方的乘积,相当于今天的动能的两倍 [2]  。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象,莱布尼茨的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成,而这种想法和牛顿一致,虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。

能量(Energy)这个词是托马斯·杨1807年在伦敦国王学院讲自然哲学时引入的,针对当时的“活力”或“上升力”的观点,提出用“能量”这个词表述,并和物体所作的功相联系,但未引起重视,人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年法国学者科里奥利又引进了做功的概念,并且在“活力”前加了1/2系数,称为动能,通过积分给出了功与动能的联系。1853年出现了“势能”,1856年出现了“动能”这些术语。直到能量守恒定律被确认后 ,人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值

能量物理定义

 

能量是物质运动转换的量度,世界万物是不断运动的,在物质的一切属性中,运动是最基本的属性,其他属性都是运动的具体表现。能量是表征物理系统做功的本领的量度。

对应于物质的各种运动形式,能量也有各种不同的形式,它们可以通过一定的方式互相转换。

 

机械运动中表现为物体或体系整体的机械能,如动能势能声能等。在热现象中表现为系统内能,它是系统内各分子无规则运动的动能、分子间相互作用的势能、原子原子核内的能量的总和,但不包括系统整体运动的机械能。对于热运动能(热能),人们是通过它与机械能的相互转换而认识的(见热力学第一定律 [2]  。

空间属性是物质运动的广延性体现;时间属性是物质运动的持续性体现;引力属性是物质在运动过程由于质量分布不均所引起的相互作用的体现;电磁属性是带电粒子在运动和变化过程中的外部表现,等等。物质的运动形式多种多样,每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式。

宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;分子运动对应的能量形式是热能;原子运动对应的能量形式是化学能带电粒子定向运动对应的能量形式是电能光子运动对应的能量形式是光能,等等。除了这些,还有风能潮汐能等。当运动形式相同时,物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度加速度动量等物理量来描述;电流可以用电流强度电压功率等物理量来描述。但是,如果运动形式不相同,物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量,能量是一切运动着的物质的共同特性。

因此可以对能量作出定义:能量在古希腊语中意指“活动、操作”,是一个间接观察的物理量,被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。功被定义为力在物体沿力的方向发生位移的空间积累效应,并且等于力与在力的方向上通过的位移的乘积。一个物体所含的总能量奠基于其总质量,能量同质量一样既不会凭空产生,也不会凭空消灭。能量和质量一样都是标量。在国际单位制SI)中,能量的单位是焦耳,但有时使用其他单位如千瓦时千卡,这些也是功的单位。能量是用以衡量所有物质运动规模的统一量度。

A系统可以借由简单的物质转移将能量传递B系统中(因为物质的质量等价于能量)。如果能量不是借由物质转移而传递能量,而是由其他方式传递,会使B系统产生变化,因为A系统对B系统作功。功的效果如同一个力以一定的距离作用在接收能量的系统中。例如,A系统可以经过电磁辐射到B系统,使吸收辐射能量的B系统内部的粒子产生热运动。一个系统也可以通过碰撞传递能量,在这种情况下被碰撞的物体会在一段距离内受力并获得运动的能量,称为动能。热能的传递则可以由以上两个方法产生:热可以由辐射能转移能量,或者直接由系统间粒子的碰撞而转移动能。

能量可以不用表现为物质、动能或是电磁能的方式而储存在一个系统中。当粒子在与其有相互作用的一个场中移动一段距离(需借由一个外力来移动),此粒子移动到这个场的新的位置所需的能量便被储存了。当然粒子必须借由外力才能保持在新位置上,否则其所处在的场会借由推或者是拉的方式让粒子回到原来的状态。这种借由粒子在力场中改变位置而储存的能量就称为位能势能)。一个简单的例子就是在重力场中往上提升一个物体到某一高度所需要做的功就是位能(势能)。

任何形式的能量可以转换成另一种形式。举例来说,当物体在力场中自由移动到不同的位置时,位能可以转化成动能。当能量是属于非热能的形式时,它转化成其他种类的能量的效率可以很高甚至是完美的转换,包括电力或者新的物质粒子的产生。然而如果是热能的话,则在转换成另一种形态时,就如同热力学第二定律所描述的,总会有转换效率的限制。在所有能量转换的过程中,总能量保持不变,原因在于总系统的能量是在各系统间做能量的转移,当从某个系统间损失能量,必定会有另一个系统得到这损失的能量,导致失去和获得达成平衡,所以总能量不改变。这个能量守恒定律,是在19世纪初提出,并应用于任何一个孤立系统。根据诺特定理能量守恒是由于物理定律不会随时间而改变所得到的自然结果。虽然一个系统的总能量,不会随时间改变,但其能量的值,可能会因为参考系而有所不同。例如一个坐在飞机里的乘客,相对于飞机其动能为零;但是相对于地球来说,动能却不为零,也不能以单独动量去与地球相比较。

能量是物理学的基本概念之一,从经典力学相对论量子力学宇宙学,能量总是一个核心概念。在一般常用语或科普读物中能量是指一个系统能够释放出来的、或者可以从中获得的、可以相当于做一定量的功。比如说1千克汽油12千瓦小时能量,是指假如将1千克的汽油中的化学能全部施放出来的话可以做12KWh的功。

能量是物理学中描写一个系统或一个过程的物理量。一个系统的能量可以被定义为从一个零能量的状态转换为该系统现状的的总和。一个系统有多少能量在物理中并不是一个确定的值,它随着对这个系统的描写而变换。人体在生命活动过程中,一切生命活动都需要能量,如物质代谢的合成反应、肌肉收缩、腺体分泌等等。而这些能量主要来源于食物。动、植物性食物中所含的营养素可分为五大类:碳水化合物脂类蛋白质矿物质维生素,加上水为六大类。其中,碳水化合物脂肪蛋白质经体内氧化可释放能量。三者统称为产能营养素”或“热源物质”。

能量守恒定律表明能量不会凭空产生,也不会凭空消失,只能从一种形式转化为另一种形式,而能的总量保持不变。能量是标量,不是矢量,没有方向。至于正物质与反物质并不是说质量有正负,而是原子核的电性相反,相遇后质量转化为能量。任何运动都需要能量。能量的形式有许多种,例如光能、声能、热能、电能,机械能、化学能、核能等。举一个例子,观察一个质量1Kg的固体的能量:

在经典力学中,其能量就是从静止加速到现有速度所作的功的总和。

在经典热学中,其能量就是从绝对零度加热现有温度所作的功的总和。

物理化学中,其能量就是合成这个固体时对原料加入的功的总和。

在原子物理中,其能量就是从原子能为零的状态对它做功达到现有状态的功的总和。

还可以用相反的方法来定义这个固体所含的能量。举两个例子:

该固体的内能是将它冷却到绝对零度所释放出来的功的总和。

该固体的原子能是将其结合能原子核裂变聚变反应中释放出来变成反应产物的动能。

能量虽然是一个常用和基本的物理概念,同时也是一个抽象的物理概念。事实上,物理学家一直到19世纪中才真正理解能量概念,在此之前常常与动量等概念混淆。

能量能量形式

能量势能

势能是指物体(或系统)由于位置或位形而具有的能。例如,举到髙处的打桩机重锤具有势能,故下落时能使它的动能增加并对外界做功,把桩打入土中;张开的弓具有势能,故在释放能时对箭做功,将它射向目标。

物体(或系统)的势能,只能对选定的初始位形来计算。物体在某特定位形的势能在数量上等于将物体从初始位形没有加速度地改变到此位形时,外界克服物体抗力所作的功,也就是物体抗力在此过程中所作的功取负值。设物体受到力F的作用,则行微位移dr的元功为F·dr。如取0点为零势能位置,则物体在M点时所具有的势能

 

任何两个物体之间的万有引力也有引力势能,例如质量为m1和m2的两个可视为质点的星体的引力势能为

 

 

k是弹簧刚度(图3)。弹性力也是保守力。如取弹簧未变形时的自然状态作为零势能位形,则由式(6)算出它变形时的势能为:

 

能量化学能

化学能是物质发生化学变化(化学反应)时释放或吸收的能量。如干电池蓄电池放电是化学能转变成电能;给电池充电则是电能转变成化学能 [1]  。其本质是原子的外层电子变动,导致电子结合能改变而放出的能量。正负电子对湮没成光子,就是电子的静能转换成光子的能量 [2]  。

能量热能

物质内部原子分子热运动的动能,温度愈高的物质所包含的热能愈大。热机膨胀水蒸气把它的热能变成了热机的动能 [1]  。

能量电能

正负电荷之间由于电力作用所具有的电势能,可以用电场强度表达出来。真空中的电能密度(单位体积内的电能)即电场能量密度w=E2/2;介质中的电能密度w=E·D/2,式中D是电位移矢量,E是电场强度。

电能的提取就是将电势能变成带电粒子的动能,如导体中的电流或加速器中的荷电粒子束。磁能是指磁场能,磁能密度w=H·B/2,式中H是磁场强度B是磁感应强度。电能密度与磁能密度之和为电磁能密度(电磁场能量密度)w=(E·D+H·B)/2 [1]  。

能量辐射能

电磁波的能量(光子的能量) [1]  。

能量核能

原子核核子结合能,它可以在原子核裂变聚变反应中释放出来变成反应产物的动能 [1]  。根据狭义相对论,物体的质量m和能量E之间存在着质能关系E=mс2(с为真空中的光速)。因此,当物体静止时也具有能量。物质的能量、质量这二者是密切相关的。原子核的质量比组成它的核子的总质量小,即自由核子结合成原子核时有能量释放出来,这能量称为原子核的结合能。比结合能(原子核中平均每核子的结合能)低的重核裂变成比结合能高的较轻核,或几个比结合能低的轻核聚合成一个比结合能高的较重核,所释放的能量就是原子能 [2]  。

能量相关定律

编辑

爱因斯坦狭义相对论中,能量是四维动量中的一个分量。在任意封闭系统,在任意惯性系观测时,这个向量的每一个分量(其中一个是能量,另外三个是动量)都会守恒,不随时间改变,此向量的长度也会守恒(闵可夫斯基模长),向量长度为单一质点的静止质量,也是由多质量粒子组成系统的不变质量(即不变能量)。

单一质量粒子的相对论能量包括其静止质量及其动能。若一质量粒子动能为零(或在相对静止参考系中),或是一个有动能的系统在动量中心系中,其总能量(包括系统内部的动能)和其静止质量或不变质量有关,其关系式即为著名的E=mc2。

因此只要观测者的参考系没有改变,狭义相对论中能量对时间的守恒性仍然成立,整个系统的能量仍然不变,位在不同参考系下的观测者会量测的能量大小不同,但各观测者量到的能量数值都不会随时间改变。不变质量由能量-动量关系式所定义,是所有观测者可以观测到的系统质量和能量的最小值,不变质量也会守恒,而且各观测者量测到的数值均相同。

量子力学中,量子系统的能量由一个称为哈密顿算符的自伴算符来描述,此算符作用在系统的希尔伯特空间(或是波函数空间)中。若哈密顿算符是非时变的算符,随着系统变化,其出现概率的测量不随时间而变化,因此能量的期望值也不会随时间而变化。量子场论下局域性的能量守恒可以用能量-动量张量运算子配合诺特定理求得。由于在在量子理论中没有全域性的时间算子,时间和能量之间的不确定关系只会在一些特定条件下成立,与位置动量之间的不确定关系作为量子力学基础的本质有所不同(见不确定性原理)。在每个固定时间下的能量都可以准确的量测,不会受时间和能量之间的不确定关系影响,因此即使在量子力学中,能量守恒也是一个有清楚定义的概念。

能量能量守恒定律

能量必须遵守能量守恒定律。根据这个定律,能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。能量守恒是时间的平移对称性(平移不变性)得出的数学结论(见诺特定理)。

根据能量守恒定律,流入的能量等于流出的能量加上内能变化。

此定律是物理学中相当基本的判据。依照时间的平移对称性(平移不变性),物理定律(定理)在任何时间都成立。

能量守恒定律是许多物理定律的特征。以数学的观点来看,能量守恒是诺特定理的结果。如果物理系统在时间平移时满足连续对称,则其能量(时间的共轭物理量)守恒。相反的,若物理系统在时间平移时无对称性,则其能量不守恒,但若考虑此系统和另一个系统交换能量,而合成的较大系统不随时间改变,这个较大系统的能量就会守恒。由于任何时变系统都可以放在一个较大的非时变系统中,因此可以借由适当的重新定义能量来达到能量的守恒。对于平坦时空下的物理理论,由于量子力学允许短时间内的不守恒(例如正-反粒子对),所以在量子力学中并不遵守能量守恒,而在狭义相对论中能量守恒定律会转换为质能守恒定律。

人们根据大量实验确认了能量守恒定律,即不同形式能量之间相互转换时,其量值守恒。焦耳热功当量实验是早期确认能量守恒定律的有名实验,而后在宏观领域内建立了能量转换与守恒的热力学第一定律康普顿效应确认能量守恒定律在微观世界仍然正确,后又逐步认识到能量守恒定律是由时间平移不变性决定的,从而使它成为物理学中的普遍定律(见对称性和守恒律)。在一个封闭的力学系统中,如果没有机械能与其他形式能量之间相互转换时,则机械能守恒机械能守恒定律是能量守恒定律的一个特例。

应当注意,能量这一概念有其应用范围,根据广义相对论,在一定条件下就不再能使用能量这种量度。
  在
原子物理学原子核物理学粒子物理学等领域中常用电子伏eV)作为单位。理论物理领域,也有用尔格erg)作为能量单位的 [2] 

狭义相对论中的相对论性力学要比牛顿力学更精确地描写了物质力学运动规律。质能关系E=mc2)把惯性质量与能量联系起来;因此,相应于静质量动质量、相对论质量(总质量)有静能量(固有能量)、动能、总能量。物质的总能量写成:

E=(m02c4+p2c2)1/2=mc2=m0c2/(1-v2/c2)1/2

式中m0是物体的静质量,m是相对论质量,c是真空光速v是物体在惯性系中的运动速度的大小(绝对值),p=mv是物体动量的绝对值。物体的动能T等于总能量E减去静能量(E0=m0c2):

T=E-E0=m0c2(1/(1-v2/c2)1/2-1),约等于m0v2/2。

低速近似下(非相对论)的动能成为牛顿力学中的形式。由于质能关系,质量守恒包含在能量守恒之中。

机械能、化学能、热能、电(磁)能、辐射能核能等不同类型的能量之间相互转化的方式多种多样。例如,最常见的电能(交流电电池)可以由多种其他形式的能量转变而来,如机械能–电能的转变(水力发电)、核能–热能–机械能–电能的转变(核能发电)、化学能–电能的转变(电池)等。不同类型能量之间可以相互转化 [1] 

能量质能守恒定律

质能守恒定律是指在一个孤立系统内,所有粒子的相对论动能与静能之和在相互作用过程中保持不变。质能守恒定律是能量守恒定律的特殊形式。

狭义相对论中,质能公式E=mc2描述了质量与能量对应关系。在经典力学中,质量和能量之间是相互独立的,但在相对论力学中,能量和质量是物体力学性质的两个方面的同一表征。在相对论中质量被扩展为质量-能量。原来在经典力学中独立的质量守恒能量守恒结合成为统一的质能守恒定律,充分反映了物质和运动的统一性。

能量能量单位

编辑

能量是物质运动的一般量度。物质运动有多种形式,表现各异,但可互相转换,表明这些运动具有共性,有内在的统一的量度。能量以机械能内能、电能、化学能等各种形式出现在不同的运动中,并通过作功、传热等方式进行转换。能量的单位有焦耳尔格千瓦时电子伏(特)等。

能量在物理中的符号一般是E,其国际单位是焦耳,符号J,量纲

 

 
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