Енергія

Динамо перетворює механічну енергію в електричну енергію

Вогонь перетворює хімічну енергію в теплову

У фізиці енергія зазвичай позначається латинською літерою E. У Міжнародній системі одиниць (SI) енергія вимірюється в джоулях. У системі СГС — у ергах. Крім цих основних одиниць вимірювання на практиці використовується дуже багато інших зручних при конкретному застосуванні одиниць. В атомній і ядерній фізиках а також у фізиці елементарних частинок енергію вимірюють електрон-вольтами, в хімії калоріями, у фізиці твердого тіла градусами Кельвіна, у спектроскопії оберненими сантиметрами, у квантовій хімії Гартрі.

Відповідно до різних форм руху матерії, розрізняють кілька типів енергії: механічна, електрична, хімічна, атомна, теплова та ін. Цей поділ є досить умовним. Так, хімічна енергія складається з кінетичної енергії руху електронів, їхньої взаємодії та взаємодії з атомами.

Крім того, розрізняють енергію внутрішню і енергію у полі зовнішніх сил. Внутрішня енергія дорівнює сумі кінетичної енергії руху молекул і потенціальної енергії взаємодії молекул між собою. Внутрішня енергія ізольованої системи є постійною.

У різноманітних фізичних процесах різні види енергії можуть перетворюватися один у інший. Наприклад, атомна енергія в атомних електростанціях перетворюється спочатку у внутрішню теплову енергію пари, яка обертає турбіни (механічна енергія), що в свою чергу індукують електричний струм в генераторах (електрична енергія), який використовується для освітлення (енергія електромагнітного поля) тощо.

Енергія системи однозначно залежить від параметрів, що характеризують її стан. У випадку неперервного середовища вводять поняття густини енергії — енергія в одиниці об'єму, і густини потоку енергії, що дорівнює добутку густини енергії на швидкість її переміщення.

Томас Юнг. Першим застосував термін енергія.

Герман фон Гельмгольц, німецький фізик, фізіолог та психолог

Енергія в різних галузях:

• У механіці — сума потенціальної та кінетичної енергії.
• У термодинаміці — внутрішня енергія або збільшення термодинамічної енергії, що є сумою теплоти та роботи, наданих системі.
• Для фотона E= hν, де h — стала Планка, ν — частота випромінення.
• У релятивістичній фізиці E= mc², де m маса, c — швидкість світла.

Поняття енергії складалося у фізиці протягом багатьох століть. Його розуміння весь час змінювалося. Уперше термін "енергія" у сучасному фізичному розумінні застосував у 1808 році Томас Юнг. До того вживався термін жива сила (лат. vis viva), який ще в 17-му столітті ввів у обіг Готфрід Вільгельм Лейбніц, визначивши його як добуток маси на квадрат швидкості.
В 1829 році Гаспар-Гюстав Коріоліс вперше застосував термін кінетична енергія в сучасному сенсі, а термін потенціальна енергія був запроваджений Вільямом Ренкіном в 1853 році. На той час отримані в дослідженнях у різних областях науки дані почали складатися в загальну картину. Завдяки дослідам Джоуля, Маєра, Гельмгольца прояснилося питання перетворення механічної енергії в теплову. В одній з перших робіт «Про збереження сили» (1847) Гельмгольц, дотримуючись ідеї єдності природи, математично обґрунтував закон збереження енергії і положення про те, що живий організм є фізико-хімічним середовищем, у якому зазначений закон точно виконується. Гельмгольц сформулював «принцип збереження сили» і неможливість Perpetuum Mobile. Ці відкриття дозволили сформулювати перший закон термодинаміки або закон збереження енергії. Поняття енергії стало центральним у розумінні фізичних процесів. Незабаром природним чином у поняття енергії вписалася термодинаміка хімічних реакцій і теорія електричних і електромагнітних явищ.

З побудовою теорії відносності до поняття енергії додалося нове розуміння. Якщо раніше потенціальна енергія визначалася з точністю до довільної сталої, то спеціальна теорія відносності встановила зв'язок енергії з масою.

Квантова механіка збагатила поняття енергії квантуванням — для певних фізичних систем енергія може приймати лише дискретні значення. Крім того, принцип невизначеності встановив границі точності вимірювання енергії і її взаємозв'язок із часом. Теорема Нетер продемонструвала, що закон збереження енергії випливає з принципу однорідності часу, за яким фізичні процеси в однакових системах протікають однаково, навіть якщо вони починаються в різні моменти часу.

Енергія тіла залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю ${\displaystyle v}$ відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, який рухається з тією ж швидкістю, воно здаватиметься нерухомим. Відповідно, для першого спостерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки) ${\displaystyle mv^{2}/2}$, де m — маса тіла, а для іншого — нулю.

Ця залежність енергії від системи відліку зберігається також у теорії відносності. Для визначення перетворень, які відбуваються з енергією при переході від одної інерційної системи відліку до іншої використовується складніша математична конструкція — тензор енергії-імпульсу.

Енергія тіла залежить від швидкості вже не так, як у Ньютонівській фізиці, а формулою Ейнштейна:

${\displaystyle E={\frac {mc^{2}}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}=mc^{2}+{\frac {mv^{2}}{2}}+O\left(\left({\frac {v}{c}}\right)^{4}\right)}$,

де ${\displaystyle m}$ — інваріантна маса. У системі відліку, зв'язаній з тілом, його швидкість дорівнює нулю, а енергія, яку називають енергією спокою:

${\displaystyle E_{0}=mc^{2}}$.

Це мінімальна енергія, яку може мати масивне тіло. Значення формули Ейнштейна також у тому, що до неї енергія визначалася з точністю до довільної сталої, а формула Ейнштейна знаходить абсолютне значення цієї сталої.

Тоді, як у класичній фізиці енергія будь-якої системи змінюється неперервно і може набувати довільних значень, Квантова теорія стверджує, що енергія мікрочастинок, прив'язаних силою взаємодії із іншими мікрочастинками до обмежених областей простору, може набувати лише певних дискретних значень. Так, атоми випромінюють енергію в вигляді дискретних порцій — світлових квантів, або фотонів, величина яких залежить від частоти:

${\displaystyle E=\hbar \omega }$,

де ${\displaystyle \hbar }$ — стала Планка, а ${\displaystyle \omega }$ — циклічна частота.

Оператором енергії в квантовій механіці є гамільтоніан. В стаціонарних станах квантових систем енергія може мати лише ті значення, які відповідають власним значенням гамільтоніана. Для локалізованих станів енергія може мати лише певні дискретні значення.

Енергія є фізичною величиною, канонічно спряженою з часом. Принцип невизначеності Гейзенберга для енергії записується у вигляді

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

де ${\displaystyle \Delta E}$ — похибка у визначенні енергії, ${\displaystyle \Delta t}$ — похибка у визначенні часу, ${\displaystyle \hbar }$ — зведена стала Планка.

Ця умова означає, що для абсолютно точного визначення енергії фізичної системи за нею потрібно спостерігати нескінченно довго. Якщо ж система існує в певному стані скінченний час, то похибка у визначенні її енергії визначається цим часом.

Зважаючи на мале значення сталої Планка, похибка у визначенні енергії макроскопічних систем незначна, й у більшості випадків нею можна знехтувати. Однак, при розгляді мікроскопічних станів із дуже малим часом життя, вона може бути суттєвою.

• Кінетична енергія
• Потенціальна енергія
• Робота (фізика)
• Пластова енергія
• Поверхнева енергія
• Тензор енергії-імпульсу
• Енергія вакууму
• Світове споживання енергії
• Електрична енергія
• Альтернативні джерела енергії
• Емергія
• Потік енергії

• Федорченко А.М. (1975). Теоретична механіка. Київ: Вища школа., 516 с.
• Федорченко А.М. (1993). Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т.2. Київ: Вища школа., 415 с.
• Feynman Richard The Feynman Lectures on Physics; Volume 1. — U.S.A: Addison Wesley. — ISBN 0-201-02115-3.
• Smith, Crosbie (1998). The Science of Energy — a Cultural History of Energy Physics in Victorian Britain. The University of Chicago Press. ISBN 0-226-76420-6.

• Джерела енергії : підручник / В. І. Шкляр, В. В. Дубровська. – К. : КПІ ім. І. Сікорського : Політехніка, 2018. – 336 с. – ISBN 966-622-870-6.

• Енерґетизм // Українська мала енциклопедія : 16 кн. : у 8 т. / проф. Є. Онацький. — Накладом Адміністратури УАПЦ в Аргентині. — Буенос-Айрес, 1958. — Т. 2 : Д — Є, кн. 3. — С. 412-414. — 1000 екз.
• Енерґія // Українська мала енциклопедія : 16 кн. : у 8 т. / проф. Є. Онацький. — Накладом Адміністратури УАПЦ в Аргентині. — Буенос-Айрес, 1958. — Т. 2 : Д — Є, кн. 3. — С. 414. — 1000 екз.