Энергия: понятие и виды¶

Энергия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, а также мерой перехода движения материи из одних форм в другие. В Международной системе единиц (СИ) энергия измеряется в джоулях (Дж); в других областях применяются калории (кал), электронвольты (эВ), киловатт-часы (кВт·ч) и тонны условного топлива (т у.т.). Понятие энергии связывает воедино все явления природы, поскольку для любой замкнутой физической системы выполняется закон сохранения энергии — один из фундаментальных законов, согласно которому энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь переходит из одной формы в другую.

¶Физическая сущность

В классической механике энергия системы определяется её состоянием и работой, которую система может совершить при переходе в другое состояние. Различают кинетическую энергию — энергию движения тел, зависящую от их массы и скорости, и потенциальную энергию — энергию взаимодействия, зависящую от взаимного расположения тел или частей тела. Сумма кинетической и потенциальной энергии образует механическую энергию.

В термодинамике ключевую роль играет внутренняя энергия — совокупность кинетической энергии теплового движения частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Изменение внутренней энергии происходит в результате теплообмена или совершения работы. В релятивистской механике полная энергия тела связана с его массой знаменитым соотношением Эйнштейна: E = mc², что показывает эквивалентность массы и энергии.

В квантовой механике энергия микрочастиц квантуется, то есть принимает дискретные значения. Энергия фотона пропорциональна частоте излучения (E = hν, где h — постоянная Планка). Энергия связи атомного ядра определяет стабильность нуклидов и является источником ядерной энергии.

¶Классификация форм энергии

В зависимости от характера движения и взаимодействия объектов выделяют следующие основные формы энергии:

• Механическая — кинетическая (движение тел) и потенциальная (гравитационная, упругая деформация).
• Тепловая — энергия хаотического теплового движения молекул и атомов.
• Химическая — энергия, запасённая в связях между атомами в молекулах; высвобождается при химических реакциях.
• Электромагнитная — энергия электрических и магнитных полей, включая энергию излучения.
• Ядерная (атомная) — энергия, выделяемая при делении тяжёлых ядер или синтезе лёгких ядер.
• Гравитационная — энергия гравитационного взаимодействия массивных тел.

По признаку происхождения и возможности восполнения энергоресурсы делят на возобновляемые (солнечная, ветровая, гидроэнергия, геотермальная, энергия приливов и биомассы) и невозобновляемые (уголь, нефть, природный газ, уран).

¶История развития представлений

Понятие энергии формировалось постепенно. В античности Аристотель ввёл термин «энергия» (др.-греч. ἐνέργεια — деятельность, действительность) для обозначения активности и осуществлённости бытия, однако физического смысла термин тогда не имел. В XVII веке Готфрид Лейбниц предложил понятие «живой силы» (mv²), пропорциональной современной кинетической энергии. Термин «энергия» в современном научном смысле ввёл в 1807 году английский физик Томас Юнг.

В 1840-х годах Юлиус Майер, Джеймс Джоуль и Герман Гельмгольц экспериментально и теоретически обосновали закон сохранения энергии, распространив его на тепловые, механические и электрические явления. В 1850-х годах Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон (лорд Кельвин) сформулировали первое и второе начала термодинамики, установив пределы преобразования теплоты в работу. В начале XX века Альберт Эйнштейн показал эквивалентность массы и энергии, а развитие квантовой механики привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомах.

¶Энергетика и практическое применение

Энергетика — область хозяйственной деятельности, охватывающая добычу, преобразование, передачу и потребление энергии. Основой современной мировой энергетики служат тепловые электростанции, сжигающие органическое топливо (уголь, газ, мазут); на их долю приходится около 60 % мировой выработки электроэнергии. Гидроэлектростанции используют потенциальную энергию воды; атомные электростанции — энергию деления ядер урана и плутония.

Возобновляемая энергетика в XXI веке демонстрирует устойчивый рост: солнечные фотоэлектрические станции, ветроэнергетические установки, геотермальные и приливные электростанции. В России действует Федеральный закон «Об электроэнергетике» (2003), регулирующий отношения в сфере производства и потребления энергии; единая энергосистема страны охватывает все регионы, кроме изолированных (Камчатка, Сахалин, Калининградская область связана с энергосистемой ЕС).

Энергия потребляется во всех отраслях экономики: промышленности (двигатели, печи, электролиз), на транспорте (двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели), в быту (отопление, освещение, приготовление пищи), в сельском хозяйстве и связи. КПД преобразования энергии в полезную работу ограничен вторым началом термодинамики: для тепловых машин максимальный КПД не превышает значения цикла Карно.

¶Единицы измерения и энергетический баланс

В физике энергия измеряется в джоулях; кратные единицы — килоджоуль (10³ Дж), мегаджоуль (10⁶ Дж), гигаджоуль (10⁹ Дж). В теплотехнике применяется калория (1 кал ≈ 4,1868 Дж). В ядерной физике — электронвольт (1 эВ ≈ 1,6·10⁻¹⁹ Дж). В электроэнергетике используется киловатт-час (1 кВт·ч = 3,6·10⁶ Дж). Для учёта потребления топлива применяется тонна условного топлива (1 т у.т. = 29,3 ГДж).

Энергетический баланс страны или региона — соотношение производства, импорта, экспорта и потребления энергоресурсов за определённый период. В России структура потребления первичной энергии включает природный газ (около 50 %), нефть (около 20 %), уголь (около 15 %), атомную энергию (около 6 %) и гидроэнергию (около 6 %). Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам природного газа и экспорту энергоносителей.

¶Энергия в биологии и экологии

Для живых организмов источником энергии служит солнечный свет, поглощаемый растениями в процессе фотосинтеза; энергия химических связей органических веществ высвобождается при клеточном дыхании. Универсальным переносчиком энергии в клетках является аденозинтрифосфат (АТФ). В пищевых цепях энергия передаётся от продуцентов к консументам, при этом на каждом трофическом уровне теряется значительная часть энергии в виде тепла.

Экологические проблемы энергетики связаны с выбросами парниковых газов при сжигании ископаемого топлива, радиоактивными отходами атомных станций, изменением ландшафтов при строительстве ГЭС, отчуждением земель под ветропарки и солнечные электростанции. Международные соглашения, включая Парижское соглашение по климату (2015), направлены на снижение углеродного следа мировой энергетики.

¶Интересные факты

• Солнце ежесекундно излучает энергию, эквивалентную взрыву около 100 миллиардов мегатонн тротила; Земля получает лишь около одной двухмиллиардной доли этой энергии.
• В 1 грамме вещества заключена энергия около 9·10¹³ Дж — этого достаточно для обеспечения электроэнергией среднего города в течение нескольких часов.
• КПД современных солнечных батарей составляет 15–25 %, ветрогенераторов — 35–45 %, тепловых электростанций — 35–45 %.
• Первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена в Обнинске (СССР) в 1954 году.
• Термин «энергия» в современном значении впервые применил Томас Юнг в 1807 году; до этого использовалось понятие «живая сила».