Ist Energie die Fähigkeit zu arbeiten?

„Die Fähigkeit zur Arbeit „ist sicherlich eine miese Definition von Energie.

Ist es“ nur „eine miese Definition oder ist es tatsächlich eine falsche Definition? Ich denke, es könnte auch so sein, je nachdem, wie das Wort „Fähigkeit“ genau interpretiert wird. Aber wenn die Wörter so interpretiert werden, wie sie in der Alltagssprache und im Alltag vorkommen, würde ich sagen, dass dies eine falsche Definition ist.

UPDATE – Was ist eine Definition von Energie, die nicht mies ist?

Dies ist ein heikles Thema. Definieren einer Sache, die in der realen Welt existiert (wie Sie es in der Physik tun) ) unterscheidet sich erheblich von der Definition eines Konzepts in einem axiomatischen Rahmen (wie Sie es in der Mathematik tun).

Wie „definieren“ Sie beispielsweise den Mount Everest? Nun, Sie definieren ihn nicht genau es, Sie beschreiben es lediglich! Sie beschreiben, wo es ist, Sie beschreiben, wie es aussieht, Sie beschreiben, wie hoch es ist usw. Da es nur einen Berg gibt, der all diese Eigenschaften hat, erhalten Sie eine „Definition“.

Wenn ich anfange, Energie zu beschreiben (dh verschiedene Eigenschaften von Energie aufzulisten), werde ich schließlich eine Definition von Energie erhalten (weil nichts außer Energie all diese Eigenschaften hat ). Hier geht es weiter:

• Das Folgende sind Beispiele für Energie: Kinetische Energie, elektrische potentielle Energie, Gravitationspotentialenergie, …

• Die Grundgesetze der Physik sind zu jedem Zeitpunkt gleich – sie waren gestern die gleichen wie heute. Diese Tatsache impliziert nach Noethers Theorem, dass es in unserem Universum eine konservierte Größe gibt … Diese Größe ist Energie.

• Spezielle Relativitätstheorie bezieht Energie auf Masse / Trägheit.

• Allgemeine Relativitätstheorie bezieht Energie auf die Krümmung der Raumzeit.

• In der Quantenmechanik ist die Energie eines Systems sein Eigenwert in Bezug auf den Hamilton-Operator.

• Was auch immer ich sonst noch vergesse oder nicht gelernt habe …

Alle diese Eigenschaften hängen miteinander zusammen, und aus ihnen entsteht ein völlig präzises und eindeutiges Verständnis dessen, was Energie ist.

(Ich bin sicher, dass einige Leute behaupten werden, dass ein Aufzählungspunkt die grundlegende Definition von Energie ist Während die anderen Aufzählungspunkte „nur“ abgeleitete Konsequenzen sind. Aber Sie sollten wissen, dass dies eine etwas willkürliche Entscheidung ist. Dasselbe gilt auch für die Mathematik. Welche Aspekte der „differenzierbaren Mannigfaltigkeit“ sind Teil ihrer Definition und welche Aspekte sind bewiesen durch Sätze? Verschiedene Lehrbücher werden nicht übereinstimmen.)

Aber können Sie dieses Verständnis von Energie in eine „Definition“ mit einem Satz zusammenfassen, die technisch korrekt und leicht zu verstehen ist? Nun, ich kann es nicht und ich bezweifle, dass es irgendjemand auf der Erde kann.

Kommentare

• Oh, jetzt verstehe ich, dass es nur eine irreführende Definition ist. Was ist also eine gute Definition von Energie?
• Tatsächlich würde ich sagen, dass jede Energie die Menge ist, die durch die Zeitübersetzungsinvarianz und den Satz von Noether ‚ erhalten wird. oder es ist die ‚ Gravitationsladung ‚ in GR.
• Nun, warum versuchen sie es in High School dann.Es erinnert mich an die Beschreibung von Energie aus Feynmanns Vorlesungen über Physik. Es ist eine abstrakte Sache, die bestimmte Eigenschaften hat, die sie für Wissenschaftler nützlich machen.
• Als Frage, warum Lehrer an der High School Energie definieren müssen In einer Ein-Satz-Form kann dies zu Verwirrung führen?
• @KabeloMoiloa – Sie ‚ fragen “ Warum Sagen Physiklehrer und Physiklehrbücher gelegentlich Dinge, die falsch sind? “ Ich bin nicht in der Lage, darauf zu antworten. Wahrscheinlich sind viele Faktoren beteiligt. Das Bildungssystem zu verstehen ist meiner Meinung nach noch schwieriger als Energie zu verstehen !! 😛

1. Das 2. Gesetz, neu formuliert (wie Sie) In Bezug auf die Carnot-Effizienz heißt es nur, dass das ideale Szenario darin besteht, dass die gesamte Energie in Arbeit umgewandelt wird, während in der Realität durch eine gewisse Erwärmung ein Verlust entsteht. Es widerspricht also nicht der Energie, die Fähigkeit zur Arbeit zu haben.

2. Ihr Ausdruck „Energie ist die Fähigkeit zur Arbeit“ ist gerechtfertigt durch die Arbeitsenergiesatz, dh $ W = \ Dreieck KE $. Wenn Sie nicht mit kinetischer Energie begonnen haben, verwenden Sie zuerst das Energieerhaltungsgesetz.

Kommentare

• Oh, Sie meinen also, Energie ist die Fähigkeit, dann zu arbeiten?
• Was ist, wenn die zu erledigende Arbeit rein thermisch ist? Sagen wir, ein Gas ausdehnen …
• Moiloa: Schlagen Sie diesen Satz / dieses Prinzip nach. @Menon: Es kann thermisch oder elektrisch oder was auch immer Sie wollen neu formuliert werden.
• Auch im Idealfall gibt es immer einen Verlust – eine Wärmekraftmaschine (vorausgesetzt zyklisch) kann niemals ihre gesamte Eingangsenergie umwandeln Arbeit.
• Diese Aussage des Arbeitsenergiesatzes ist nur gültig, wenn ein Teilchen oder der Schwerpunkt eines Mehrteilchensystems übersetzt wird. Innerhalb eines Systems kann es zu Energieübertragungen kommen, die ‚ nicht zu einer Nettoübersetzung führen. Wenn ich auf dem Boden stehe und mit meiner Hand gegen eine Wand drücke und meinen Körper als System betrachte, wird mit Sicherheit keine Arbeit an mir geleistet (weil ‚ eine vernachlässigbare Verschiebung bei darstellt Der Angriffspunkt der Kraft der Wand ‚ auf mich), aber Energie wird verbraucht, weil ich müde werde.

Ich habe Feynmans Definition von Energie, wie sie in den Feynman-Vorlesungen formuliert ist, immer gemocht und verwendet (ich habe nicht die spezifische Referenz vor mir, aber es “ s in Band eins im Kapitel über Energieeinsparung). Feynman definiert Energie als eine Zahl, die sich nicht ändert, wenn die Natur ihre Prozesse durchläuft. Natürlich gibt es einige solcher Zahlen, aber dennoch ist Energie eine dieser Zahlen. Vielleicht finden Sie auch das Buch Energie, das subtile Konzept: Die Entdeckung von Feynmans Blöcken von Leibniz nach Einstein durch Jennifer Coopersmith eine nützliche Referenz.

Ihre Aussage zum zweiten Gesetz ist falsch. Ihre Version sollte lauten: „Es gibt keine Wärmekraftmaschine, die die gesamte Energie, die durch Wärme auf sie übertragen wurde, aufnehmen und in einem zyklischen Prozess an einem Objekt arbeiten kann.“ (Meine hinzugefügten Wörter sind kursiv gedruckt.)

Es ist sicher richtig, dass in einem nichtzyklischen Prozess die gesamte Wärme in Arbeit umgewandelt werden kann. Stellen Sie sich die Ausdehnung eines Gases in einer Flasche mit einem beweglichen Kolben vor, der ein Gewicht erhöht.

Was die Definition von Energie betrifft, scheint die Definition als Arbeitsfähigkeit eine so gute Definition wie möglich zu sein leicht zu bekommen.

Meiner Ansicht nach ist es eine gute Definition, Energie als die Fähigkeit zur Ausführung von Arbeit zu definieren, sollte es aber gut verstanden werden. Ich werde versuchen, in drei Schritten zu erklären, warum.

1. Da wir sagen, dass Energie eine Fähigkeit darstellt, muss sie nicht unbedingt aktualisiert werden , dh tatsächlich etwas arbeiten. Dies ist besonders wichtig, wenn man über potentielle Energie nachdenkt.

Ein Gas mit hoher Temperatur hat innere Energie, aber um in Arbeit umgewandelt zu werden, muss es sich ausdehnen oder an eine Kühle angeschlossen werden Reservoir durch eine Wärmekraftmaschine.

2. Es ist wichtig zu beachten, dass sich diese Definition implizit auf positive Arbeit bezieht. Dies ist klar, wenn wir eine elastische Frontalkollision zwischen einer Masse m mit der Geschwindigkeit v und einer identischen Masse m in Ruhe betrachten.
   Die kinetische Energie des sich bewegenden Balls wird in Arbeit und folglich in kinetische Energie umgewandelt des zweiten Balls. In dieser Situation haben wir: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

Die Arbeit, die die erste Masse in der zweiten leistet, wird durch $ W_ {1,2} = \ angegeben frac {mv ^ 2} {2} $ .

Die negative Arbeit, die der ruhende Ball auf den ersten Ball ausübt, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ ist im Wesentlichen auf das Aktions-Reaktionskraft-Paar zurückzuführen.

In der Tat kann die Kinect-Energie des ersten Balls in diesem Beispiel mit der am zweiten Ball ausgeführten Arbeit genau identifiziert werden. Für verschiedene Massen wird die kinetische Energie in der Arbeit nicht vollständig umgewandelt, spielt jedoch gemäß Punkt 1 keine Rolle.

3. Eine solche Definition von Energie sollte nicht auf makroskopische Arbeit beschränkt sein ( im Fall von Gasen auch als nützliche Arbeit oder Expansionsarbeit bekannt). Dies kann durch den Vergleich zwischen “ 1 Mol Gas bei $ 300 K $ und 1 Mol Gas bei $ 500k $ “ versus “ 2 Mol Gas bei $ 400K $ „.

Man könnte nützliche Arbeit aus dem ersten System durch eine Wärmemaschine und extrahieren nicht vom anderen. Beide haben jedoch die gleiche innere Energie. Man könnte hier einen offensichtlichen Widerspruch beobachten.

Viele andere Beispiele können formuliert werden, um einen offensichtlichen Widerspruch zwischen einer solchen Definition von Energie wie der Fähigkeit zur Ausführung von Arbeiten und dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu erzeugen.

Die Lösung für solche Beispiele besteht darin, dass, wenn etwas Wärme an die Umgebung abgegeben wird, die Partikel in der Umgebung ihre durchschnittliche kinetische Energie erhöhen und daher tatsächlich einige Arbeiten am Mikroskop durchgeführt wurden level .

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Meiner Ansicht nach ist die Fähigkeit zur Ausführung von Arbeiten in der Tat eine gute Definition der Menge Wir bezeichnen als „Energie“.

In den Feynman-Vorlesungen wird Energie als eine Größe definiert, die in einem isolierten System erhalten bleibt. Das ist absolut richtig. Ich persönlich bin jedoch der Meinung, dass dies zu mathematisch abstrakt ist und vermeidet die tatsächliche Erklärung der “ Bedeutung “ einer solchen Menge, die durch konserviert wird alle physikalischen Prozesse.

Abschließend möchte ich auch die Lektüre des kurzen Papiers durch JW vorschlagen Warren (1982) für das European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308