Is energie het vermogen om werk te doen?

“Het vermogen om werk te doen “is zeker een slechte definitie van energie.

Is het” slechts “een slechte definitie, of is het eigenlijk een onjuiste definitie? Ik denk dat het beide zou kunnen zijn, afhankelijk van hoe het woord bekwaamheid precies wordt geïnterpreteerd. Maar als de woorden worden geïnterpreteerd zoals ze zouden zijn in het dagelijkse spraakgebruik en het dagelijks leven, zou ik zeggen dat het “een onjuiste definitie is.

UPDATE – Wat is een definitie van energie die niet slecht is?

Dit is een lastige kwestie. Een ding definiëren dat bestaat in de echte wereld (zoals je doet in de natuurkunde ) is heel anders dan het definiëren van een concept binnen een axiomatisch raamwerk (zoals je doet in wiskunde).

Bijvoorbeeld, hoe definieer je Mount Everest? Nou, je definieert niet precies het, u beschrijft het alleen! Je beschrijft waar het is, je beschrijft hoe het eruitziet, je beschrijft hoe hoog het is, etc. Aangezien er maar één berg is die al deze eigenschappen heeft, krijg je een “definitie”.

Evenzo, als ik energie begin beschrijven (dwz verschillende eigenschappen van energie opsommen), zal ik uiteindelijk eindigen met een definitie van energie (omdat niets behalve energie al deze eigenschappen heeft ). Hier gaat het:

• Hieronder volgen voorbeelden van energie: kinetische energie, elektrische potentiële energie, gravitatie potentiële energie, …

• De fundamentele natuurwetten zijn op elk moment hetzelfde – ze waren gisteren hetzelfde als nu. Dit feit impliceert, volgens de stelling van Noether, dat er een geconserveerde hoeveelheid in ons universum is … Deze hoeveelheid is energie.

• De speciale relativiteitstheorie heeft betrekking op energie met massa / traagheid.

• Algemene relativiteitstheorie relateert energie aan de kromming van ruimtetijd.

• In de kwantummechanica is de energie van een systeem zijn eigenwaarde met betrekking tot de Hamiltoniaanse operator.

• Welke andere dingen ik ook vergeet of niet heb geleerd …

Al deze eigenschappen zijn met elkaar verbonden, en daaruit ontstaat een volledig nauwkeurig en ondubbelzinnig begrip van wat energie is.

(Ik weet zeker dat sommige mensen zullen beweren dat één punt de fundamentele definitie van energie is. , terwijl de andere punten slechts afgeleide consequenties zijn. Maar u moet weten dat dit een ietwat willekeurige beslissing is. Hetzelfde geldt zelfs voor de wiskunde. Welke aspecten van differentieerbaar veelvoud maken deel uit van de definitie, en welke aspecten zijn bewezen door stellingen? Verschillende leerboeken zullen het daar niet mee eens zijn.)

Maar kun je dat begrip van energie samenvatten in één zin “definitie” die technisch correct en gemakkelijk te begrijpen is? Nou, ik kan het niet, en ik betwijfel of iemand op aarde dat kan.

Opmerkingen

• Oh, nu begrijp ik dat het slechts een misleidende definitie is, dus wat is dan een goede definitie van energie?
• In feite zou ik zeggen dat beide energie de hoeveelheid is die wordt behouden door tijdvertalingsinvariantie en Noether ‘ s Stelling, of het is de ‘ gravitatielading ‘ in GR.
• Wel, waarom proberen ze het te doen in middelbare school dan.Het doet me denken aan de beschrijving van energie uit Feynmanns Lectures on Physics, het is een abstract iets dat bepaalde eigenschappen heeft die het nuttig maken voor wetenschappers.
• Als een vraag waarom moeten leraren op de middelbare school energie definiëren in één zin kan dat verwarring veroorzaken?
• @KabeloMoiloa – Je ‘ vraagt ” waarom zeggen natuurkundeleraren op middelbare scholen en natuurkundeboeken af en toe dingen die niet kloppen? ” Ik ben niet in een goede positie om daarop te antwoorden. Er zijn waarschijnlijk veel factoren bij betrokken. Het onderwijssysteem begrijpen is naar mijn mening nog moeilijker dan het begrijpen van energie !! 😛

1. De 2e wet, herschikt (zoals jij deed) in termen van Carnot-efficiëntie, zegt het slechts dat het ideale scenario is dat alle energie wordt omgezet in werk terwijl er in werkelijkheid een verlies is door enige verwarming. Het is dus niet “in tegenspraak met energie als het vermogen om werk te doen.

2. Je uitdrukking ” energie is het vermogen om werk te doen “ wordt gerechtvaardigd door de Work-Energy-stelling, dat wil zeggen $ W = \ driehoek KE $. Als je niet “begon met kinetische energie, gebruik dan eerst de Conservation of Energy Law.

Opmerkingen

• Oh, dus je bedoelt dat energie dan het vermogen is om werk te doen?
• wat als het werk dat gedaan moet worden puur thermisch is? Stel, een gas uitbreiden …
• Moiloa: Zoek die stelling / principe op. @Menon: het kan opnieuw worden geroosterd in termen van thermisch of elektrisch of wat je maar wilt.
• Maar idealiter is er altijd enig verlies – een warmtemotor (ervan uitgaande dat het cyclisch is) kan nooit al zijn inputenergie omzetten in werk.
• Deze verklaring van de werk-energiestelling is alleen geldig als een deeltje, of het massamiddelpunt van een systeem met meerdere deeltjes, vertaalt. Er kunnen energieoverdrachten plaatsvinden binnen een systeem die geen ‘ aanleiding geven tot netto vertaling. Als ik op de grond sta en met mijn hand tegen een muur duw en mijn lichaam als het systeem neem, wordt er zeker geen werk aan mij gedaan (omdat er ‘ een verwaarloosbare verplaatsing is bij het punt van toepassing van de muur ‘ s kracht op mij) maar er wordt energie verbruikt omdat ik moe word.

Ik heb de definitie van energie van Feynman altijd leuk gevonden en gebruikt, zoals verwoord in The Feynman Lectures (heb de specifieke referentie niet voor me, maar het is ” s in deel één in het hoofdstuk over energiebesparing). Feynman definieert energie als een getal dat niet verandert als de natuur haar processen ondergaat. Natuurlijk zijn er nogal wat van dergelijke getallen, maar toch is energie een van die getallen. Je kunt ook het boek Energy, the Subtle Concept: The ontdekking van Feynmans blokken van Leibniz naar Einstein door Jennifer Coopersmith een nuttige referentie.

Uw verklaring van de tweede wet is onjuist. Uw versie zou moeten zijn “er is geen warmtemotor die alle energie kan opnemen die er door warmte aan is overgedragen en die kan werken aan een object in een cyclisch proces .” (Mijn toegevoegde woorden zijn cursief gedrukt.)

Het is zeker waar dat in een niet-cyclisch proces alle warmte kan worden omgezet in arbeid. Denk aan de uitzetting van een gas in een cilinder met een beweegbare zuiger die een gewicht opheft.

Wat betreft de definitie van energie, het definiëren als het vermogen om werk te doen lijkt een zo goed mogelijke definitie te zijn. gemakkelijk te krijgen.

Naar mijn mening is het definiëren van energie als het vermogen om werk uit te voeren een goede definitie, maar het zou goed begrepen worden. Ik zal proberen uit te leggen waarom in drie stappen.

1. Aangezien we zeggen dat energie een mogelijkheid vertegenwoordigt, hoeft het niet noodzakelijkerwijs te worden geactualiseerd , dwz eigenlijk bezig zijn met wat werk. Dit is vooral belangrijk wanneer men potentiële energie overweegt.

Een gas op hoge temperatuur heeft interne energie, maar om in arbeid te worden omgezet, moet het uitzetten of worden aangesloten op een koel reservoir door een of andere warmtemotor.

2. Het is belangrijk op te merken dat deze definitie impliciet verwijst naar positief werk. Dit wordt duidelijk wanneer we kijken naar een elastische frontale botsing tussen een massa m, met snelheid v, en een identieke massa m in rust.
   De kinetische energie van de bewegende bal wordt omgezet in arbeid, en dus in kinetische energie van de tweede bal. In deze situatie hebben we: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

Het werk dat de eerste massa doet in de tweede wordt gegeven door $ W_ {1,2} = \ frac {mv ^ 2} {2} $ .

Het negatieve werk dat de bal in rust toepast op de eerste bal, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ , is in feite het gevolg van het actie-reactiekrachtpaar.

Inderdaad, de kinectenergie van de eerste bal kan in dit voorbeeld exact worden geïdentificeerd met het werk dat op de tweede bal wordt uitgevoerd. Voor verschillende massas wordt de kinetische energie niet volledig omgezet in werk, maar het maakt volgens punt 1 niet uit.

3. Een dergelijke definitie van energie mag niet beperkt blijven tot macroscopisch werk ( ook wel nuttig werk of uitbreidingswerk genoemd, in het geval van gassen). Dit kan worden geverifieerd door de vergelijking tussen ” 1 mol gas bij $ 300 K $ en 1 mol gas bij $ 500k $ ” versus ” 2 mol gas bij $ 400K $ “.

Men zou nuttig werk uit het eerste systeem kunnen halen door een verwarmingsmachine en niet van de ander. Beiden hebben echter dezelfde interne energie. Men zou hier een schijnbare tegenstrijdigheid kunnen waarnemen.

Vele andere voorbeelden kunnen worden geformuleerd om een schijnbare tegenstrijdigheid te creëren tussen een dergelijke definitie van energie als het vermogen om werk te verrichten en de tweede wet van de thermodynamica.

De oplossing voor dergelijke voorbeelden is dat wanneer er wat warmte wordt afgegeven aan de omgeving, de deeltjes in de omgeving hun gemiddelde kinetische energie verhogen, en daarom is enig werk daadwerkelijk uitgevoerd op de microscoop level .

–

Dat gezegd hebbende, naar mijn mening is het vermogen om werk uit te voeren inderdaad een goede definitie van de hoeveelheid we noemen dit “energie”.

In de Feynman Lectures wordt energie gedefinieerd als een hoeveelheid die wordt behouden in een geïsoleerd systeem. Dit is absoluut correct. Persoonlijk vind ik dit echter te wiskundig abstract en vermijdt ik de feitelijke uitleg van de ” betekenis ” van een dergelijke hoeveelheid die wordt bewaard door alle fysieke processen.

Ten slotte zou ik ook willen voorstellen om de korte paper door JW te lezen Warren (1982) voor de European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308