Czy energia jest zdolnością do pracy?

„Zdolność do pracy „z pewnością jest kiepską definicją energii.

Czy jest to„ tylko ” kiepska definicja, czy w rzeczywistości jest to błędna definicja? Myślę, że może tak być, w zależności od tego, jak dokładnie interpretuje się słowo „zdolność”. Ale jeśli słowa są interpretowane tak, jak byłyby w mowie i życiu codziennym, powiedziałbym, że to nieprawidłowa definicja.

AKTUALIZACJA – Jaka jest definicja energii, która nie jest kiepska?

To jest trudna sprawa. Definiowanie rzeczy, która istnieje w prawdziwym świecie (tak jak w fizyce ) jest czymś zupełnie innym niż definiowanie pojęcia w ramach aksjomatycznych (tak jak robisz to w matematyce).

Na przykład, jak „definiujesz” Mount Everest? Cóż, nie definiujesz dokładnie to, po prostu opisujesz to! Opisujesz, gdzie to jest, opisujesz, jak wygląda, opisujesz, jak jest wysoka itp. Ponieważ jest tylko jedna góra, która ma wszystkie te właściwości, kończysz z „definicją”.

Podobnie, jeśli zacznę opisywać energię (tj. Wymieniać różne właściwości energii), ostatecznie skończę z definicją energii (ponieważ nic poza energią nie ma wszystkich tych właściwości ). Oto idzie:

• Poniżej podano przykłady energii: energia kinetyczna, elektryczna energia potencjalna, grawitacyjna energia potencjalna, …

• Podstawowe prawa fizyki są w każdej chwili takie same – wczoraj były takie same jak dzisiaj. Fakt ten sugeruje, zgodnie z twierdzeniem Noether, że w naszym wszechświecie istnieje zachowana ilość … Ta wielkość jest energią.

• Szczególna teoria względności wiąże energię z masą / bezwładnością.

• Ogólna teoria względności wiąże energię z krzywizną czasoprzestrzeni.

• W mechanice kwantowej energia układu jest jego wartością własną w odniesieniu do operatora Hamiltona.

• Czegokolwiek jeszcze zapomniałem lub czego się nie nauczyłem …

Wszystkie te właściwości są ze sobą powiązane, az nich wypływa całkowicie precyzyjne i jednoznaczne zrozumienie tego, czym jest energia.

(Jestem pewien, że niektórzy ludzie twierdzą, że jeden punkt jest podstawową definicją energii , podczas gdy inne wypunktowane punkty są „tylko” konsekwencjami pochodnymi. Ale powinieneś wiedzieć, że jest to nieco arbitralna decyzja. To samo dotyczy nawet matematyki. Jakie aspekty „rozmaitości różniczkowej” są częścią jej definicji, a jakie aspekty są potwierdzone przez twierdzenia? Różne podręczniki będą się z tym nie zgadzać).

Ale czy możesz sprowadzić to rozumienie energii do jednej „definicji” zdania, która jest technicznie poprawna i łatwa do zrozumienia? Cóż, nie mogę i wątpię, czy ktokolwiek na świecie to potrafi.

Komentarze

• Och, teraz rozumiem, że to tylko myląca definicja, więc jaka jest dobra definicja energii?
• W rzeczywistości powiedziałbym, że albo energia jest ilością zachowaną przez niezmiennik przesunięcia czasu, a Twierdzenie Noether ', albo jest to ' ładunek grawitacyjny ' w GR.
• Cóż, dlaczego próbują to robić w wtedy liceum.Przypomina mi opis energii z Wykładów z fizyki Feynmanna, jest abstrakcyjną rzeczą, która ma pewne właściwości, które czynią ją użyteczną dla naukowców.
• Pytanie, dlaczego nauczyciele w szkołach średnich muszą definiować energię w formie jednego zdania, co może powodować zamieszanie?
• @KabeloMoiloa – Pytasz ' ” Dlaczego czy nauczyciele fizyki ze szkół średnich i podręczniki fizyki czasami mówią rzeczy, które są nieprawidłowe? ” Nie jestem w stanie odpowiedzieć na to pytanie. Prawdopodobnie w grę wchodzi wiele czynników. Zrozumienie systemu edukacji jest moim zdaniem nawet trudniejsze niż zrozumienie energii !! 😛

1. Druga ustawa, przekształcona (tak jak Ty) jeśli chodzi o wydajność Carnota, po prostu mówi, że idealny scenariusz zakłada, że cała energia jest przetwarzana na pracę, podczas gdy w rzeczywistości następuje strata przez ogrzewanie. Zatem „nie zaprzecza to energii będącej zdolnością do wykonywania pracy.

2. Twoje zdanie „ energia to zdolność do pracy ” jest uzasadnione Twierdzenie o pracy i energii, tj. $ W = \ trójkąt KE $. Jeśli nie zacząłeś od energii kinetycznej, najpierw zastosuj prawo zachowania energii.

Komentarze

• A więc masz na myśli, że energia jest zdolnością do pracy?
• co, jeśli praca do wykonania jest czysto termiczna? Powiedz, rozszerzając gaz …
• Moiloa: Sprawdź to twierdzenie / zasadę. @Menon: Można go ponownie przetworzyć pod względem termicznym, elektrycznym lub cokolwiek zechcesz.
• Nawet w idealnym przypadku zawsze jest jakaś strata – silnik cieplny (zakładając cykliczność) nigdy nie może przekształcić całej swojej energii wejściowej w praca.
• To stwierdzenie twierdzenia o pracy i energii jest ważne tylko wtedy, gdy cząstka lub środek masy układu wielocząstkowego jest tłumaczony. W systemie mogą występować transfery energii, które nie ' nie powodują przesunięcia netto. Jeśli stanę na podłodze i opieram się ręką o ścianę i wezmę swoje ciało za system, z pewnością nie zostanie wykonana na mnie żadna praca (ponieważ ' ma pomijalne przemieszczenie przy punkt przyłożenia ściany ' działa na mnie), ale energia jest wydatkowana, ponieważ jestem zmęczony.

Zawsze lubiłem i używałem definicji energii Feynmana, wyrażonej w Wykładach Feynmana (nie mam przed sobą konkretnego odniesienia, ale tak jest) w tomie pierwszym w rozdziale dotyczącym zachowania energii). Feynman definiuje energię jako liczbę, która nie zmienia się, gdy natura podlega swoim procesom. Oczywiście jest ich sporo, ale energia jest jedną z tych liczb. Możesz również znaleźć książkę Energy, the Subtle Concept: The odkrycie bloków Feynmana od Leibniza do Einsteina przez Jennifer Coopersmith przydatne źródło informacji.

Twoje stwierdzenie dotyczące drugiej zasady jest nieprawidłowe. Twoja wersja powinna brzmieć: „nie ma silnika cieplnego, który mógłby pobrać całą część energii, która została mu przekazana przez ciepło i wykonać pracę na jakimś obiekcie w procesie cyklicznym ”. (Moje dodane słowa są zapisane kursywą.)

Z pewnością prawdą jest, że w procesie niecyklicznym całe ciepło może zostać zamienione na pracę. Pomyśl o rozprężaniu się gazu w cylindrze z ruchomym tłokiem podnoszącym ciężar.

Jeśli chodzi o definicję energii, zdefiniowanie jej jako zdolności do pracy wydaje się być najlepszą definicją, jaką można łatwo dostać.

Moim zdaniem zdefiniowanie Energii jako zdolności do wykonywania pracy jest dobrą definicją, ale powinno być dobrze zrozumianym. Spróbuję wyjaśnić dlaczego w trzech krokach.

1. Ponieważ mówimy, że energia reprezentuje zdolność, niekoniecznie musi być aktualizowana , tj. faktycznie wykonuj jakąś pracę. Jest to szczególnie ważne, gdy rozważa się energię potencjalną.

Gaz o wysokiej temperaturze ma energię wewnętrzną, ale aby przekształcić go w pracę, należy go rozszerzyć lub podłączyć do chłodnego zbiornik przez jakiś silnik cieplny.

2. Należy zauważyć, że ta definicja pośrednio odnosi się do pozytywnej pracy. Jest to jasne, gdy weźmiemy pod uwagę elastyczne zderzenie czołowe między masą m, o prędkości v, a identyczną masą m w spoczynku.
   Energia kinetyczna poruszającej się kuli jest zamieniana na pracę, aw konsekwencji na energię kinetyczną drugiej piłki. W tej sytuacji mamy: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

Praca, jaką wykonuje pierwsza masa w drugiej, jest określona przez $ W_ {1,2} = \ frac {mv ^ 2} {2} $ .

Negatywna praca, którą kulka w spoczynku wywiera na pierwszą kulkę, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ jest zasadniczo wynikiem działania pary siła reakcja.

Rzeczywiście, w tym przykładzie energię kinektyczną pierwszej piłki można dokładnie zidentyfikować na podstawie pracy wykonanej na drugiej piłce. Dla różnych mas energia kinetyczna nie jest w pełni przekształcana w pracy, ale nie ma to znaczenia zgodnie z punktem 1.

3. Taka definicja energii nie powinna ograniczać się do pracy makroskopowej ( zwana także pracą użyteczną lub rozszerzaniem w przypadku gazów). Można to sprawdzić, porównując ” 1 mol gazu w 300 tys. USD i 1 mol gazu w 500 000 $ ” w porównaniu z ” 2 mole gazu przy 400 000 $ „.

Pożyteczną pracę można wyodrębnić z pierwszego systemu za pomocą maszyny cieplnej i nie od drugiego. Jednak oba mają tę samą energię wewnętrzną. Można tu zauważyć pozorną sprzeczność.

Można sformułować wiele innych przykładów, aby stworzyć pozorną sprzeczność między taką definicją energii, jak zdolność do wykonywania pracy, a drugą zasadą termodynamiki.

Rozwiązaniem dla takich przykładów jest to, że kiedy do otoczenia zostaje uwolnione trochę ciepła, cząstki w otoczeniu zwiększają swoją średnią energię kinetyczną, a zatem pewna praca została faktycznie wykonana na mikroskopijnym poziom .

–

To powiedziawszy, moim zdaniem zdolność do wykonywania pracy jest rzeczywiście dobrą definicją ilości nazywamy „energią”.

W wykładach Feynmana energia jest definiowana jako ilość, która jest zachowana w systemie izolowanym. To jest absolutnie poprawne. Jednak osobiście uważam, że jest to zbyt abstrakcyjne matematycznie i pozwala uniknąć rzeczywistego wyjaśnienia ” znaczenia ” takiej ilości, która jest zachowana dzięki wszystkie procesy fizyczne.

Na koniec chciałbym również zasugerować przeczytanie krótkiego artykułu JW Warren (1982) dla European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308