Er energi evnen til at udføre arbejde?

“Evnen til at udføre arbejde “er bestemt en elendig definition af energi.

Er det” blot “en elendig definition, eller er det faktisk en forkert definition? Jeg tror, det kunne være enten, afhængigt af præcist hvordan ordet “evne” fortolkes. Men hvis ordene fortolkes som de ville være i daglig tale og hverdag, ville jeg sige, at det er en forkert definition.

UPDATE – Hvad er en definition af energi, der ikke er elendig?

Dette er et vanskeligt problem. Definere en ting, der findes i den virkelige verden (som du gør i fysik ) er helt anderledes end at definere et koncept inden for en aksiomatisk ramme (som du gør i matematik).

For eksempel “hvordan definerer du” Mount Everest? Nå, du don t nøjagtigt definer det, du bare beskriver det! Du beskriver, hvor det er, du beskriver, hvordan det ser ud, du beskriver, hvor høj det er osv. Da der kun er et bjerg, der har alle disse egenskaber, ender du med en “definition”.

Ligeledes, hvis jeg begynder at beskrive energi (dvs. at nævne forskellige egenskaber for energi), vil jeg til sidst afslutte med en definition af energi (fordi intet undtagen energi har alle disse egenskaber ). Her går:

• Følgende er eksempler på energi: Kinetisk energi, elektrisk potentiel energi, tyngdepotentialenergi, …

• De fysiske love i fysikken er de samme i hvert øjeblik – de var de samme i går som de er i dag. Denne kendsgerning antyder, ved Noethers sætning, at der er en bevaret mængde i vores univers … Denne mængde er energi.

• Særlig relativitet relaterer energi til masse / inerti.

• Generel relativitet relaterer energi til krumning af rumtid.

• I kvantemekanik er energien i et system dets egenværdi med hensyn til den Hamilton-operatør.

• Uanset hvilke andre ting jeg har glemt eller ikke har lært …

Alle disse egenskaber er indbyrdes forbundne, og ud af dem bobler der en fuldstændig præcis og utvetydig forståelse af, hvad energi er.

(Jeg er sikker på, at nogle mennesker vil hævde, at et punkt er den grundlæggende definition af energi , mens de andre punkter er “blot” afledte konsekvenser. Men du skal vide, at dette er en noget vilkårlig beslutning. Det samme gælder selv i matematik. Hvilke aspekter af “differentierbar manifold” er en del af dens definition, og hvilke aspekter er bevist af sætninger? Forskellige lærebøger er uenige.)

Men kan du koge den forståelse af energi ned i en “sætning” definition, der er teknisk korrekt og let at forstå? Nå, det kan jeg ikke, og jeg tvivler på, at nogen på jorden kan.

Kommentarer

• Åh, nu forstår jeg, at det kun er en vildledende definition, så hvad er en god definition af energi så?
• Faktisk vil jeg sige, at enten energi er den mængde, der er bevaret af tidsoversættelses invarians og Noether ‘ s sætning, eller det er ‘ gravitationsladningen ‘ i GR.
• Nå, hvorfor prøver de at gøre det i gymnasiet dengang.Det minder mig om beskrivelsen af energi fra Feynmanns forelæsninger om fysik, det er en abstrakt ting, der har visse egenskaber, der gør det nyttigt for forskere.
• Som et spørgsmål, hvorfor er lærere i gymnasiet forpligtet til at definere energi i en sætningsform, der kan forårsage forvirring?
• @KabeloMoiloa – Du ‘ spørger ” Hvorfor siger fysiklærere og fysikbøger i gymnasiet lejlighedsvis ting, der er forkerte? ” Jeg er ikke i en god position til at svare på det. Der er sandsynligvis mange faktorer involveret. At forstå uddannelsessystemet er efter min mening endnu sværere end at forstå energi !! 😛

1. 2. lov, omarbejdet (som du gjorde) med hensyn til effektivitet af Carnot siger bare ideal scenariet er, at al energi omdannes til arbejde, mens i virkeligheden der er et tab gennem noget opvarmning. Så det modsiger ikke, at energi er evnen til at udføre arbejde.

2. Din sætning “energi er evnen til at udføre arbejde” er berettiget af Work-Energy-sætning, dvs. $ W = \ trekant KE $. Hvis du ikke startede med kinetisk energi, skal du først bruge Conservation of Energy Law.

Kommentarer

• Åh, så mener du, at energi er evnen til at udføre arbejde så?
• hvad hvis det arbejde, der skal udføres, er rent termisk? Sig, udvid en gas …
• Moiloa: Slå sætningen / princippet op. @Menon: Det kan omarbejdes med hensyn til termisk eller elektrisk eller hvad du vil.
• Selv ideelt set er der dog altid noget tab – en varmemotor (forudsat cyklisk) kan aldrig konvertere al sin inputenergi til arbejde.
• Denne erklæring om arbejdsenergisætningen er kun gyldig, hvis en partikel eller massepunktet i et multipartikelsystem oversættes. Der kan være energioverførsler inden for et system, der ikke ‘ ikke giver anledning til nettooversættelse. Hvis jeg står på gulvet og skubber mod en væg med min hånd og tager min krop til at være systemet, er der bestemt ikke gjort noget arbejde på mig (fordi der ‘ er ubetydelig forskydning ved anvendelsespunktet for væggen ‘ s kraft på mig) men energi bliver brugt, fordi jeg bliver træt.

Jeg har altid ønsket og brugt Feynmans definition af energi som formuleret i The Feynman Lectures (har ikke den specifikke reference foran mig, men det ” s i bind 1 i kapitlet om energibesparelse). Feynman definerer energi som et tal, der ikke ændrer sig, når naturen gennemgår sine processer. Der er selvfølgelig ganske mange sådanne tal, men alligevel er energi et af disse tal. Du kan også finde bogen Energy, the Subtle Concept: The opdagelse af Feynmans blokke fra Leibniz til Einstein af Jennifer Coopersmith en nyttig reference.

Din erklæring om den anden lov er forkert. Din version skal være “der er ingen varmemotor, der kan tage al den energi, der blev overført til den med varme og arbejde på et eller andet objekt i en cyklisk proces .” (Mine tilføjede ord er i kursiv.)

Det er bestemt sandt, at al varmen i en ikke-cyklisk proces kan konverteres til arbejde. Tænk på udvidelsen af en gas i en cylinder med et bevægeligt stempel, der hæver en vægt.

Hvad angår definitionen af energi, synes det at være en så god definition som defineret at definere den som kapacitet til at udføre arbejde. let få.

Efter min mening er det en god definition at definere energi som kapacitet til at udføre arbejde, men det skal være godt forstået. Jeg vil forsøge at forklare hvorfor i tre trin.

1. Da vi siger, at energi repræsenterer en kapacitet, behøver det ikke nødvendigvis at blive aktualiseret , dvs. faktisk gør noget arbejde. Dette er især vigtigt, når man overvejer potentiel energi.

En gas ved høj temperatur har intern energi, men for at blive konverteret til arbejde, skal den udvides eller forbindes til en kølig reservoir af en varmemotor.

2. Det er vigtigt at bemærke, at denne definition implicit henviser til positivt arbejde. Dette er klart, når vi overvejer en elastisk frontkollision mellem en masse m, med hastighed v og en identisk masse m i hvile.
   Den bevægelige kugles kinetiske energi omdannes til arbejde og følgelig i kinetisk energi af den anden bold. I denne situation har vi: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

Det arbejde, som den første masse udfører i det andet, gives af $ W_ {1,2} = \ frac {mv ^ 2} {2} $ .

Det negative arbejde, som kuglen i hvile anvender på den første kugle, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ , skyldes grundlæggende handlings-reaktionskraftparret.

Faktisk kan kinekt-energi fra den første kugle identificeres nøjagtigt i dette eksempel med det arbejde, der udføres på den anden kugle. For forskellige masser omdannes den kinetiske energi ikke fuldt ud i arbejde, men det betyder ikke noget i henhold til punkt 1.

3. En sådan definition af energi bør ikke begrænses til makroskopisk arbejde ( også kendt som nyttigt arbejde eller ekspansionsarbejde, i tilfælde af gasser). Dette kan bekræftes ved sammenligningen mellem ” 1 mol gas ved $ 300 K $ og 1 mol gas ved $ 500k $ ” versus ” 2 mol gas ved $ 400K $ “.

Man kan udtrække nyttigt arbejde fra det første system af en varmemaskine og ikke fra den anden. Begge har dog den samme interne energi. Man kan observere en tilsyneladende modsætning her.

Mange andre eksempler kan formuleres for at skabe en tilsyneladende modsætning mellem en sådan definition af energi som evnen til at udføre arbejde og den anden lov om termodynamik.

Løsningen på sådanne eksempler er, at når noget varme frigøres til miljøet, øger partiklerne i omgivelserne deres gennemsnitlige kinetiske energi, og derfor blev noget faktisk udført ved mikroskopisk niveau .

–

Når det er sagt, er evnen til at udføre arbejde efter min mening faktisk en god definition af mængden vi kalder “energi”.

I Feynman-forelæsningerne defineres energi som en størrelse, der er konserveret i et isoleret system. Dette er helt korrekt. Imidlertid føler jeg personligt, at dette er for matematisk abstrakt og undgår den faktiske forklaring af “, der betyder ” af en sådan størrelse, der er konserveret gennem alle fysiske processer.

Endelig vil jeg også foreslå læsning af JWs korte artikel Warren (1982) for European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308