Energia é a capacidade de fazer trabalho?

“A capacidade de fazer trabalho “certamente é uma definição péssima de energia.

É” meramente “uma definição péssima ou é na verdade uma definição incorreta ? Acho que poderia ser qualquer um, dependendo precisamente de como a palavra “habilidade” é interpretada. Mas se as palavras forem interpretadas como seriam na fala e na vida cotidiana, eu diria que é uma definição incorreta.

ATUALIZAR – Qual é a definição de energia que não é ruim?

Esta é uma questão complicada. Definir uma coisa que existe no mundo real (como você faz na física ) é bem diferente de definir um conceito dentro de uma estrutura axiomática (como você faz em matemática).

Por exemplo, como você “define” o Monte Everest? Bem, você não exatamente define , você meramente descreve ! Você descreve onde ela está, sua aparência, sua altura, etc. Como há apenas uma montanha com todas essas propriedades, você acaba com uma “definição”.

Da mesma forma, se eu começar a descrever energia (ou seja, listar várias propriedades de energia), acabarei por terminar com uma definição de energia (porque nada, exceto a energia, tem todas essas propriedades ) Aqui vai:

• Os seguintes são exemplos de energia: energia cinética, energia potencial elétrica, energia potencial gravitacional, …

• As leis fundamentais da física são as mesmas em todos os momentos do tempo – eram as mesmas ontem e hoje. Este fato implica, pelo teorema de Noether, que existe uma quantidade conservada em nosso universo … Essa quantidade é energia.

• A relatividade especial relaciona energia a massa / inércia.

• A relatividade geral relaciona a energia com a curvatura do espaço-tempo.

• Na mecânica quântica, a energia de um sistema é seu autovalor com respeito ao operador hamiltoniano.

• Quaisquer outras coisas que estou esquecendo ou não aprendi …

Todas essas propriedades estão inter-relacionadas, e delas borbulha uma compreensão completamente precisa e inequívoca do que é energia.

(Tenho certeza de que algumas pessoas irão afirmar que um marcador é a definição fundamental de energia , enquanto os outros pontos são consequências “meramente” derivadas. Mas você deve saber que esta é uma decisão um tanto arbitrária. A mesma coisa é verdadeira até na matemática. Quais aspectos de “variedade diferenciável” fazem parte de sua definição e quais aspectos são provados por teoremas? Diferentes livros discordarão.)

Mas você pode resumir essa compreensão de energia em uma “definição” de uma frase que seja tecnicamente correta e fácil de entender? Bem, eu não posso e duvido que alguém na terra possa.

Comentários

• Oh, agora eu entendo que é apenas uma definição enganosa, então, qual é uma boa definição de energia?
• Na verdade, eu diria que qualquer energia é a quantidade conservada pela invariância de translação do tempo e o Teorema de Noether ‘ s, ou é a ‘ carga gravitacional ‘ em GR.
• Bem, por que eles tentam fazer isso em colégio então.Isso me lembra da descrição de energia das Lectures on Physics de Feynmann, é uma coisa abstrata que tem certas propriedades que a tornam útil para os cientistas.
• Como uma questão, por que os professores do ensino médio são obrigados a definir energia em uma forma de frase, isso pode causar confusão?
• @KabeloMoiloa – Você ‘ está perguntando ” Por que Os professores e livros de física do ensino médio ocasionalmente dizem coisas incorretas? ” Não estou em uma boa posição para responder a isso. Provavelmente, muitos fatores estão envolvidos. Entender o sistema educacional é ainda mais difícil do que entender a energia, na minha opinião !! 😛

1. A 2ª Lei, reformulada (como você fez) em termos de eficiência de Carnot, apenas diz que o cenário ideal é toda a energia convertida em trabalho, enquanto na realidade há uma perda devido a algum aquecimento. Portanto, não contradiz a energia sendo a capacidade de fazer trabalho.

2. Sua frase “energia é a capacidade de fazer trabalho” é justificada pelo Teorema da energia de trabalho, ou seja, $ W = \ triângulo KE $. Se você não começou com a energia cinética, use a Lei de Conservação da Energia primeiro.

Comentários

• Oh, então você quer dizer que energia é a capacidade de fazer trabalho?
• e se o trabalho a ser feito for puramente térmico? Digamos, expandindo um gás …
• Moiloa: Procure aquele teorema / princípio. @Menon: pode ser reformulado em termos de térmico ou elétrico ou o que você quiser.
• Mesmo idealmente, há sempre alguma perda – uma máquina térmica (assumindo cíclica) nunca pode converter toda a sua energia de entrada em trabalho.
• Esta afirmação do teorema da energia de trabalho só é válida se uma partícula, ou o centro de massa de um sistema de multipartículas, traduzir. Pode haver transferências de energia dentro de um sistema que não ‘ dão origem à tradução líquida. Se eu ficar de pé no chão e empurrar contra a parede com minha mão e assumir meu corpo como o sistema, certamente não haverá trabalho feito em mim (porque há ‘ s deslocamento insignificante em o ponto de aplicação da ‘ força da parede sobre mim), mas a energia está sendo gasta porque me canso.

Eu sempre gostei e usei a definição de energia de Feynman conforme articulada nas Palestras Feynman (não tenho a referência específica na minha frente, mas ela ” s no volume um no capítulo sobre conservação de energia). Feynman define energia como um número que não muda conforme a Natureza passa por seus processos. Claro, existem alguns desses números, mas, no entanto, a energia é um desses números. Você também pode encontrar o livro Energia, o Conceito Sutil: O descoberta dos blocos de Feynman de Leibniz a Einstein por Jennifer Coopersmith uma referência útil.

Sua declaração da segunda lei está incorreta. Sua versão deve ser “não há máquina de calor que pode pegar toda a energia que foi transferida a ela pelo calor e trabalhar em algum objeto em um processo cíclico .” (Minhas palavras adicionadas estão em itálico.)

É certamente verdade que em um processo não cíclico todo o calor pode ser convertido em trabalho. Pense na expansão de um gás em um cilindro com um pistão móvel levantando um peso.

Quanto à definição de energia, defini-la como a capacidade de fazer trabalho parece ser a melhor definição que se pode obter facilmente.

Na minha opinião, definir Energia como a capacidade de realizar trabalho é uma boa definição, mas deveria ser bem compreendido. Tentarei explicar o porquê em três etapas.

1. Visto que dizemos que a energia representa uma capacidade, ela não precisa ser necessariamente atualizada , ou seja, estar realmente fazendo algum trabalho. Isso é especialmente importante quando se considera a energia potencial.

Um gás em alta temperatura tem energia interna, mas para ser convertido em trabalho, é necessário expandir ou conectar-se a um resfriador reservatório por alguma máquina de calor.

2. É importante observar que esta definição está implicitamente se referindo ao trabalho positivo. Isso fica claro quando consideramos uma colisão frontal elástica entre uma massa m, com velocidade v, e uma massa idêntica m em repouso.
   A energia cinética da bola em movimento é convertida em trabalho e, conseqüentemente, em energia cinética da segunda bola. Nesta situação, temos: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

O trabalho que a primeira massa faz na segunda é dado por $ W_ {1,2} = \ frac {mv ^ 2} {2} $ .

O trabalho negativo que a bola em repouso aplica na primeira bola, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ , é basicamente devido ao par de força de ação-reação.

De fato, a energia cinética da primeira bola pode ser identificada exatamente neste exemplo com o trabalho realizado na segunda bola. Para diferentes massas a energia cinética não é totalmente convertida em trabalho, mas não importa de acordo com o ponto 1.

3. Tal definição de energia não deve ser restrita ao trabalho macroscópico ( também conhecido como trabalho útil ou trabalho de expansão, no caso dos gases). Isso pode ser verificado pela comparação entre ” 1 mol de gás a $ 300 K $ e 1 mol de gás a $ 500k $ ” versus ” 2 moles de gás em $ 400K $ “.

Pode-se extrair trabalho útil do primeiro sistema por uma máquina de calor e não do outro. No entanto, ambos têm a mesma energia interna. Pode-se observar uma aparente contradição aqui.

Muitos outros exemplos podem ser formulados para criar uma aparente contradição entre a definição de energia como a capacidade de realizar trabalho e a segunda lei da termodinâmica.

A solução para tais exemplos é que quando algum calor é liberado para o ambiente, as partículas nos arredores aumentam sua energia cinética média e, portanto, algum trabalho foi realmente realizado no microscópio nível .

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Dito isso, na minha opinião, a capacidade de realizar trabalho é de fato uma boa definição da quantidade nós nos referimos como “Energia”.

Nas palestras de Feynman, energia é definida como uma quantidade que é conservada em um sistema isolado. Isso é absolutamente correto. No entanto, eu pessoalmente sinto que isso é matematicamente abstrato e evita a explicação real do ” significado ” de tal quantidade que é conservada por meio todos os processos físicos.

Finalmente, gostaria de sugerir também a leitura do breve artigo de JW Warren (1982) para o European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308