Är energi förmågan att göra arbete?

”Möjligheten att utföra arbete ”är verkligen en elak definition av energi.

Är det” bara ”en elak definition, eller är det faktiskt en felaktig definition? Jag tror att det kan vara antingen, beroende på exakt hur ordet ”förmåga” tolkas. Men om orden tolkas som de skulle vara i vardagligt tal och vardag, skulle jag säga att det är en felaktig definition.

UPPDATERING – Vad är en definition av energi som inte är elak?

Detta är en knepig fråga. Definiera en sak som finns i den verkliga världen (som du gör i fysik ) är helt annorlunda än att definiera ett koncept inom en axiomatisk ram (som du gör i matematik).

Till exempel, hur ”definierar du” Mount Everest? Jo, du vet inte exakt definierar det, du beskriver bara det! Du beskriver var det är, du beskriver hur det ser ut, du beskriver hur högt det är osv. Eftersom det bara finns ett berg som har alla dessa egenskaper, slutar du med en ”definition”.

Likaså, om jag börjar beskriva energi (dvs att lista ut olika egenskaper hos energi), kommer jag så småningom att sluta med en definition av energi (eftersom ingenting utom energi har alla dessa egenskaper ). Här går:

• Följande är exempel på energi: Kinetisk energi, elektrisk potentialenergi, gravitationspotentialenergi, …

• Fysikens grundläggande lagar är desamma vid varje ögonblick – de var samma igår som de är idag. Detta faktum antyder med Noeters sats att det finns en bevarad kvantitet i vårt universum … Denna kvantitet är energi.

• Särskild relativitet relaterar energi till massa / tröghet.

• Allmän relativitet relaterar energi till rymdtidens krökning.

• I kvantmekanik är ett systems energi dess egenvärde med avseende på Hamilton-operatören.

• Vilka andra saker jag än glömmer eller inte har lärt mig …

Alla dessa egenskaper är inbördes relaterade och ur dem bubblar en helt exakt och entydig förståelse för vad energi är.

(Jag är säker på att vissa människor kommer att hävda att en punkt är den grundläggande definitionen av energi , medan de andra punkterna är ”bara” härledda konsekvenser. Men du bör veta att detta är ett något godtyckligt beslut. Samma sak gäller även i matematik. Vilka aspekter av ”differentierbart grenrör” är en del av dess definition och vilka aspekter bevisas av satser? Olika läroböcker är inte överens.)

Men kan du koka den energiförståelsen till en definition av ”en” mening som är tekniskt korrekt och lätt att förstå? Jag kan inte, och jag tvivlar på att någon på jorden kan det.

Kommentarer

• Åh, nu förstår jag att det bara är en vilseledande definition, så vad är en bra definition av energi då?
• I själva verket skulle jag säga att antingen energi är den mängd som bevaras av tidsöversättningens invarians och Noether ’ sats, eller så är det ’ gravitationsladdningen ’ i GR.
• Tja, varför försöker de göra det i gymnasiet då.Det påminner mig om beskrivningen av energi från Feynmanns föreläsningar om fysik, det är en abstrakt sak som har vissa egenskaper som gör den användbar för forskare.
• Som en fråga varför måste lärare i gymnasiet definiera energi i en meningsform, som kan orsaka förvirring?
• @KabeloMoiloa – Du ’ frågar ” Varför säger gymnasielärare i fysik och fysikböcker ibland saker som är felaktiga? ” Jag kan inte svara på det. Förmodligen är många faktorer inblandade. Att förstå utbildningssystemet är ännu svårare än att förstå energi, enligt min mening !! 😛

1. Den andra lagen, omgjord (som du gjorde) när det gäller effektivitet av Carnot, säger bara ideal -scenariot är att all energi omvandlas till arbete medan i verkligheten det finns en förlust genom viss uppvärmning. Så det motsäger inte att energi är förmågan att utföra arbete.

2. Din fras ”energi är förmågan att utföra arbete” motiveras av Arbetsenergi-sats, dvs $ W = \ triangel KE $. Om du inte började med kinetisk energi, använd först lag om energibesparing.

Kommentarer

• Åh så menar du att energi är förmågan att utföra arbete då?
• tänk om arbetet som ska göras är rent termiskt? Säg, expandera en gas …
• Moiloa: Slå upp den teorem / principen. @Menon: Det kan omarbetas i termer av termiskt eller elektriskt eller vad du än vill.
• Även idealt är det dock alltid en viss förlust – en värmemotor (förutsatt cyklisk) kan aldrig omvandla all sin insignal till arbete.
• Detta uttalande om arbetsenergisatsen är endast giltig om en partikel eller masscentrum för ett multipartikelsystem översätts. Det kan finnas energiöverföringar inom ett system som inte ’ t ger upphov till nettoöversättning. Om jag står på golvet och trycker mot en vägg med handen och tar min kropp för att vara systemet, görs verkligen inget arbete på mig (för ’ s försumbara förskjutning vid användningsstället för väggen ’ s kraft på mig) men energi förbrukas för att jag blir trött.

Jag har alltid gillat och använt Feynmans definition av energi som formulerad i Feynman-föreläsningarna (har inte den specifika referensen framför mig, men den ” s i volym ett i kapitlet om energibesparing). Feynman definierar energi som ett tal som inte förändras när naturen genomgår sina processer. Naturligtvis finns det en hel del sådana tal, men ändå är energi ett av dessa tal. Du kan också hitta boken Energi, det subtila konceptet: The upptäckt av Feynmans block från Leibniz till Einstein av Jennifer Coopersmith en användbar referens.

Ditt uttalande av den andra lagen är felaktigt. Din version bör vara ”det finns ingen värmemotor som kan ta all energi som överfördes till den med värme och arbeta på något objekt i en cyklisk process .” (Mina tillagda ord är i kursiv stil.)

Det är verkligen sant att i en icke-cyklisk process kan all värme omvandlas till arbete. Tänk på expansionen av en gas i en cylinder med en rörlig kolv som höjer vikten.

När det gäller definitionen av energi verkar det vara en så bra definition som att definiera den som förmåga att utföra arbete lätt att få.

Enligt min mening är det en bra definition att definiera energi som kapacitet att utföra arbete, men det borde vara väl förstådd. Jag ska försöka förklara varför i tre steg.

1. Eftersom vi säger att energi representerar en förmåga, behöver inte nödvändigtvis aktualiseras , dvs gör faktiskt lite arbete. Detta är särskilt viktigt när man överväger potentiell energi.

En gas vid hög temperatur har intern energi, men för att omvandlas till arbete måste man expandera den eller anslutas till en sval reservoar av någon värmemotor.

2. Det är viktigt att observera att denna definition implicit hänvisar till positivt arbete. Detta är tydligt när vi betraktar en elastisk frontkollision mellan en massa m, med hastighet v och en identisk massa m i vila.
   Den rörliga kulans kinetiska energi omvandlas till arbete och följaktligen i kinetisk energi av den andra bollen. I denna situation har vi: $ v_ {1, i} = v_0 $ , $ v_ {1, f} = 0 $ , $ v_ {2, i} = 0 $ , $ v_ {2, f} = v_0 $ .

Arbetet som den första massan gör i den andra ges av $ W_ {1,2} = \ frac {mv ^ 2} {2} $ .

Det negativa arbetet som bollen i vila gäller för den första bollen, $ W_ {2,1} = – \ frac {mv ^ 2} {2} $ beror i grund och botten på action-reaktionskraftparet.

Faktum är att kinekt-energin hos den första bollen kan exakt identifieras i detta exempel med det arbete som utförs på den andra bollen. För olika massor omvandlas den kinetiska energin inte helt i arbetet, men det spelar ingen roll enligt punkt 1.

3. En sådan definition av energi bör inte begränsas till makroskopiskt arbete ( även känt som användbart arbete eller expansionsarbete, när det gäller gaser). Detta kan verifieras genom jämförelsen mellan ” 1 mol gas vid $ 300 K $ och 1 mol gas vid $ 500k $ ” kontra ” 2 mol gas vid $ 400K $ ”.

Man kan extrahera användbart arbete från det första systemet av en värmemaskin och inte från den andra. Men båda har samma inre energi. Man kan observera en uppenbar motsägelse här.

Många andra exempel kan formuleras för att skapa en uppenbar motsägelse mellan en sådan definition av energi som förmågan att utföra arbete och termodynamikens andra lag.

Lösningen för sådana exempel är att när en del värme frigörs till miljön, ökar partiklarna i omgivningen sin genomsnittliga kinetiska energi, och därför utfördes en del arbete i mikroskopet nivå .

–

Med detta sagt är förmågan att utföra arbete verkligen en bra definition av kvantiteten vi kallar ”energi”.

I Feynman-föreläsningarna definieras energi som en mängd som bevaras i ett isolerat system. Detta är helt korrekt. Men jag personligen tycker att detta är för matematiskt abstrakt och undviker den faktiska förklaringen av ” som betyder ” av en sådan mängd som bevaras alla fysiska processer.

Slutligen vill jag också föreslå att JW läser det korta dokumentet Warren (1982) för European Journal Science Education: https://doi.org/10.1080/0140528820040308