能量

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闪电:闪电是空气的中的电场强度达到或超过当时条件下空气的电击穿强度从而引起放电。当电荷移动一段距离即产生能量的转移。在大气中的电位能便转变成了其他能量的型式,例如热能,光,声音等。

在物理学中,能量(古希腊语中 ἐνέργεια energeia 意指“活动、操作”[1])是一个间接观察到的物理量。它往往被视为某一个物理系统对其他的物理系统做功的能力。由于功被定义为力作用一段距离,因此能量总是等同于沿着一定的长度阻挡大自然基本力量的能力。

一个物体所含的总能量奠基于其质量,能量如同质量一般不会无中生有或无原因的消失。能量就像质量一样,是一个纯量。在国际单位制(SI)中,能量的单位是焦耳,但是在有些领域中会习惯使用其他单位如千瓦·时和千卡,这些也是功的单位。

A系统可以借由简单的物质转移将能量传输到B系统(因为物质的质量同等于能量)。然而,如果能量不是借由物质转移而传输能量,而是由其他方法转移能量,这会使B系统产生变化,因为A系统对B系统作了功。这功表现的效果如同于一个力以一定的距离作用在接收能量的系统里。举例来说,A系统可以借由转移(辐射)电磁能量到B系统,而这会在吸收辐射能量的粒子上产生力。同样的,一个系统可能借由碰撞转移能量,而这种情况下被碰撞的物体会在一段距离内受力并获得运动的能量,称为动能。热能的转移则可以借由以上两个方法:可以借由辐射能转移,或者直接借由系统间粒子的碰撞而转移动能。

能量可以不用表现为物质、动能或是电磁能的方式而储存在一个系统中。当粒子在与其有交互作用的一个场中移动一段距离(需借由一个外力来移动),此粒子移动到这个场的新的位置所需的能量便如此的被储存了。当然粒子必须借由外力才能保持在新位置上,否则其所处在的场会借由推或者是拉的方式让粒子回到原来的状态。这种借由粒子在力场中改变位置而储存的能量就称为位能。一个简单的例子就是在重力场中往上提升一个物体到某一高度所需要做的功就是位能。

任何形式的能量可以转换成另一种形式。举例来说,当物体在力场中自由移动到不同的位置时,位能可以转化成动能。当能量是属于非热能的形式时,它转化成其他种类的能量的效率可以很高甚至是完美的转换,包括电力或者新的物质粒子的产生。然而如果是热能的话,则在转换成另一种型态时,就如同热力学第二定律所描述的,总会有转换效率的限制。

在所有能量转换的过程中,总能量保持不变,原因在于总系统的能量是在各系统间做能量的转移,当从某个系统间中损失能量,必定会有另一个系统得到这损失的能量,导致失去和获得达成平衡,所以总能量不改变。这个能量守恒的定律,是在十九世纪初所提出,并应用于任何一个孤立系统。根据诺特定理,能量守恒是由于物理定律不会随时间而改变所得到的自然结果。

虽然一个系统的总能量,不会随这时间改变,但其能量的值,可能会因为参考系而有所不同。例如一个坐在飞机里的乘客,相对于飞机其动能为零;但是相对于地球来说,动能却不为零,也不能以单独动量去与地球相比较。

能量的形式

物体提高温度,本身是增加热能。

热量(heat)热是能量的一种形式,一部分属于位能,一部分属于动能。在物理科学的文章中,有数种形式的能量被定义。这些包括:

这些能量的形式可以被分为两大类:动能和位能。其他类似的能量形式都是动能和位能的混合形成。

能量可能在这几种形式间转换,有些能量的转换效率可达100%,有些则不行。能把这些不同的能量互相转换的机器称为能量变换器(transducer)。

以上的几种已知的能量形式不一定涵盖所有自然界的能量。只要科学家发现某些违反能量守恒的现象,新的能量形式将会被加入。如暗能量(dark energy)——渗透全宇宙并加快宇宙扩张速度的假设能量。

在古典力学中,位能和动能之间是有所区别的,位能为一物体所在位置的函数,而动能则与物体的位移速度有关。位置与位移都有其特定的参考坐标:这通常为地球表面上(即陆地上)的任意一点。科学家试图用古典力学将所有的能量形式分类为动能和位能两种。但这是错误的,而这也不是最简化的分类。

理查德·费曼指出:这些动能和位能的概念都取决于尺度的大小。例如,宏观的动能和位能可以说是不包括热能和动能的。化学位能也是个宏观概念,更仔细的检验显示其为原子和亚原子的动能和位能的总和。相同的情况也适用在核位能和其他形式的能量。当我们考虑的问题只涉及一种尺度,那么这个尺度的相依性并不会造成困扰;但是当问题涉及了不同尺度时,例如摩擦使巨观的功转换成微观的热能,在这样的情形就容易发生混淆。

历史

能量的英文“energy”一字源于希腊语:ἐνέργεια-{energeia}-),该字可能首次出现在公元前四世纪亚里士多德的作品中。

能量概念的出自于戈特弗里德·莱布尼茨的生活力(拉丁语:vis viva)想法,而它定义于一个物体质量和其速度的平方。他相信总vis viva是守衡的。为了解释因摩擦而令速度减缓的现象,莱布尼兹的理论认为热能是由物体内的组成物质随机运动所构成,而这种想法和艾萨克·牛顿一致,虽然这种观念过了一个世纪后才被普遍接受。在1807年,托马斯·杨可能是第一个使用能量这个字来取代vis viva。贾斯帕-古斯塔夫·科里奥利在1829年提出了“动能”;而在1853年,William Rankine提出了位能这个词。对于能量是一个物质,还是像动量般只是一个物理量,这个问题争论了几年。

威廉·汤姆森,第一代开尔文男爵将以上这些定律合并到了热力学的定律中,并促成了鲁道夫·克劳修斯、约西亚·吉布斯和瓦尔特·能斯特三人在化学过程解释上的快速发展。另外也导出了克劳修斯所提出的熵的数学公式,以及由Joef Stefan的辐射能的定律。

1961年,理查德·费曼在加州理工学院一个以大学生为对象的课程中,以如下的方式描述了能量的概念:

有一个事实,那就是有一个到目前为止掌控了我们所知道的自然现象的定律,而这个定律在我们所知范围内没有任何的例外,而且据我们目前所知,它是准确的。这个定律被称为能量守恒。它说明了有一个特定的物理量,我们称之为“能量”。这量在自然状态经历了各种变化后,并不会改变。这是一个最抽象的概念,因为它是一个数学的原理:它说明了有一个数值量在一些事件发生时不会改变。它并不是任何物理过程或者具体事物的描述;它仅仅是一个奇怪的事实:我们可以先对系统计算一些数值,而当系统经历了一些变化之后,我们同样的再去计算那些数值,结果会发现数值和一开始的时候是相同的。

自1918年开始,我们知道能量守恒是能量的共轭量,时间,的平移对称所得到的数学上的自然结果。也就是说,能量之所以守恒是因为物理定律无法区别不同的时间瞬间所造成(见诺特定理)。

单位

在整个科学的历史里,能量有许多不同的单位表示,例如ergs和calories。而今,测量能量的国际标准认证单位是焦耳。除了焦耳,其他的能量单位有kilowatt hour(kWh)和British thermal unit(Btu)。这两个都是用来表达较大的能量单位。一kWh等同于3.6百万焦耳,而一Btu等同于1055焦耳。

其他学科中的能量

能量的概念以及其转移,对于解释和预测大部分的自然现象是有用的。能量的转移方向通常由熵来描述。实际上小规模的能量转移是允许的,但是某些大规模的能量转移是不被允许的,因为在统计上,能量或是物质不会随机的移动成为较高密度的形式,或者移动到较小的空间。

能量的概念是广泛的存在于各门学科之中:

能量在化学方面的应用

在化学方面,物质是由原子、分子或者许多分子聚集而产生的,因此能量是物质的一个特质。因为化学反应总是伴随着这些结构上的变化,也就会有许多能量增加或减少。由于这些能量是透过光或者是热在环境及反应物间转移,因此,生成物的能量可能会大于或小于反应物的能量,而我们说如果最终状态的能量低于最原始状态,我们称之为放热,而反之则为吸热。化学反应也不是一定会发生,除非克服一个能量障碍,这个障碍称之为活化能(E);根据波兹曼分布因子eE/kT(也就是分子在给定的温度 T 下,能量大于或等于活化能的机率),化学反应速度与活化能是相关的。而反应速率对温度的关系被称之为阿瑞尼斯方程式。另外化学反应所需要的活化能,是可以以热能的形式存在的。

能量在生物学方面的应用

在生物学方面,能量是任何生物(范围从生物圈到最小的活生物体)都需要的。在一个生物体中,能量负责一个生物细胞或生物有机体的生长和发展。因此,能量总是被认为是以如碳水化合物(包括糖类),酯类和蛋白质等分子的结构,储存在细胞,并在呼吸氧气进而进行呼吸作用时,释放了含有能量的物质。以人类来说,人类的代谢当量(人体能量转换)指出,一定的能量消耗是被用来维持人类的新陈代谢。假设一个平均的人类每天所需消耗12500kJ,而以基础代谢率80瓦。举例来说,假设我们身体以80瓦消耗(平均)在运行,此时一个100瓦的灯泡的运作,就相当于人类80瓦的1.25倍(100÷80)。对于一个只有持续几秒钟的艰难任务,人类可以产生千瓦的功率;假设任务持续几分钟,一个正常人或许可以产生1000瓦特,如果在维持一小时的活动下,输出功率大概下降到300左右,如果是一整天的活动,150瓦已经算是很大了。人体的代谢当量,帮助我们了解能量在物理和生物系统上的流动,它提供了我们对于使用能量的感觉。

能量在地质学方面的应用

在地质学方面,大陆飘移、山脉、火山和地震等自然现象,都可以根据能量在地球内部的转换来解释;而风、雨、冰雹、雪、雷电、龙卷风、飓风等气象现象,是由太阳能作用在地球大气,所造成的能量转换的结果。

能量在天文学方面的应用

在物理宇宙学方面,恒星、新星、超新星、类星体、伽玛射线暴等现象,都是物质所转换的宇宙的最高输出能量。所有恒星(包括太阳活动)现象是由各种能量转换所驱使的。这些能量可能来自于物质(通常是氢分子)因为引力聚缩而转变成各种类的天体(恒星,黑洞等),又或者来自于核融合反应(较轻的元素,主要是氢)。随时间推移,宇宙中的能量转换是一开始在大爆炸(Big Bang)后所产生了各种可用的位能,然后当一定的触发条件被启动时,就会被释放(转换成许多不不同类型的能量,例如动能,辐射能)。

一个转换的例子是从宇宙刚形成开始,太阳中氢的核融合释放了一个由大爆炸后所储存的位能。根据理论,当时因为空间的扩散、且宇宙冷却太快,进而导致氢无法完全融合成较重的元素,这个理论说明了氢是一种储存位能的容器,而可以因为核融合而释放能量。这样的一个融合过程将会被产生恒星时,氢气云的引力聚缩所产生的高温高压所触发,有些融合的能量此时就转换成了太阳光。从太阳发出的太阳光可能在它射入地球之后,再次储存为位能,举例来说水因为太阳光而从海洋蒸散,然后被储存到山中(在储水大坝释放后,可以用来驱动涡轮机,或发电机产生电力)。

能量与生命

基本人体能量图

所有生命体都依靠外界来源来补充能量──绿色植物需要太阳的辐射线;一些动物所需要的化学能量——使之能够成长与繁殖。一个成年人一天应由氧气及食物分子的混何物摄取1500到2000千卡(6-8MJ)能量,后者多为碳水化合物和脂肪,例如葡萄糖(C6H12O6)和甘油(C57H110O6)。在粒线体(mitochondria)里,食物分子会被氧化成二氧化碳和水。

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O
C57H110O6 + 81.5O2 → 57CO2 + 55H2O

一些能量会被用来做为ADP到ATP的转换

ADP + HPO42− → ATP + H2O

而在碳水化合物或脂肪里剩下的化学能会被转换成热:ATP为一种“能量币”,当它碰到水时会分解出一些化学能量可做为其他代谢(在每个代谢过程阶段中,一些化学能被转换成热)。只有一小部份的化学能是用来做功的:

跑一段100米的距离的动能为4kJ
将一150公斤的重量抬起2米的重力势能为3kJ
一正常成年人一天食物摄取6到8MJ

这显示生命体明显低效(以物理观点来看)地使用得到的能量(化学能或辐射线)而大部份的真正机械则能够更有效地使用。一成长生命体将能量转换成热,最主要的目的是为了让有机体组织的排列有序。根据热力学第二定律,能量(和物体)常常趋向释放到外界:为了要将能量(或物质)集中在一特定地方,需释放更多的能量(如热)到外界。简单的生命体可以释放比复杂体更高的有效能量,但是复杂的生命体可以在生态系统中找到适合的生态地位,是简单生命体没办法达到的因为生命体在代谢过程的每个阶段都可释放出热能,甚至将这些热能用以推动发电产生电力,所以这些贮存于动植物或动物代谢物的化学能量,我们称之为生态学。在食物链的的第一个环节里,大约有124.7Pg/a的碳用来进行光合作用,64.3Pg/a(52%)的碳作为绿色植物代谢用途,[2]即是转换回二氧化碳和热。

能量和功率的差别

虽然能量和功率在日常生活中的使用上为同义词,但科学家和工程师却会将这两者区分开来。在科学的定义上,功率并非和能量完全相同,功率是指能量转换时的速率,(或者可说是功在执行时的速率)。因此一个让水坝上的水通过涡轮机的水力发电厂,会将水的位能转换成动能,最后再转换成电能。在这过程中每单位时间所产生的电能便称之为电功率。相同的能量在更短的时间内通过会造成更大的功率。

能量的转换

某种形式的能量通常能透过工具的辅助而转换成另一种形式的能量,例如电池能把化学能转换成电能;水坝能把重力位能转换成动能并最终透过发电机转换成电能。相同的,在化学爆炸的例子里,在一段很短的时间里化学位转换成动能和热能。钟摆也是其中一个例子。钟摆在最高点的动能为零而重力位能为最大值,但是在最低点的动能为最大值而重力位能为零。如果假设钟摆没有任何摩擦力,则能量之间的转换是完美的,所以钟摆将一直摇摆下去。

能量与质量转换守恒

在一个动量为零(mv=0 表示v=0)的密闭系统中,能量(E=mv2/2)会使质量增加。用能量守恒定理可以知道物质的质量与能量的关系。公式E = mc2,是爱因斯坦用相对论的概念所研究出量止静止质量与静止能量之间的关系。在其他的理论中,类似的公式也被J. J. Thomson(1881)、Henri Poincare(1900)、Friedrich Hasenohrl(1904)等人推算出来。(详情请见en:Mass-energy equivalence#History

物质可能被破坏并转换成能量(反之亦然),但质量不会被破坏;质量在任何物质和能量的转换中,物质和能量都不会流失。然而,相对于普通人类来说c2 是很大的,例如一公斤的物质转换成另一形式的能量(如热,光或其他辐射)可以释放极大数量的能量 (~9 \times 10^{16} 焦耳 = 21百万吨的TNT),等同于核反应器和核武器的能量。相反的,一单位能量相等于一个极小的质量,因此大部份系统里很难利用重量来计算能量的流失(质量的流失),除非能量的流失非常大。例如能量转换成物质(动能转换成静止质量的粒子)在高能量的核物理被使用。

可逆和不可逆的转换

将能量转换成有用的功是热力学的重要课题。在大自然界里,能量的转换可以分成两类:一是可逆的,另一是不可逆的。可逆的热力学过程是不会有能量的损耗。例如,不同位能形式之间的转换是可逆的,例如前文所提到的钟摆运动。而当一个过程中有热的产生的时候,一部分的能量将不能完全恢复成可利用的能量,此时便是不可逆的。

能量转换和宇宙的年龄

随着宇宙的演化,越来越多的能量被困在不可逆的状态里(如热或其他无序的能量形式),这就是热寂理论。热寂理论是猜想宇宙终极命运的一种假说。根据热力学第二定律,作为一个“孤立”的系统,宇宙的熵会随着时间的流逝而增加,由有序向无序,当宇宙的熵达到最大值时,宇宙中的其他有效能量已经全数转化为热能,所有物质温度达到热平衡。这种状态称为热寂。这样的宇宙中再也没有任何可以维持运动或是生命的能量存在。

阳光之于能量

阳光也驱动了许多天气现象。其中一个说明太阳驱动天气的例子就是台风,台风发生在大面积且不稳定的温暖海洋,当太阳加热几个月之后,突然间释放许多热能,而造成了持续几天的激烈空气移动,而形成台风。太阳光也会被植物所吸收利用,在光合作用中转换为化学能(例如当二氧化碳,和水两个低能量的化合物转换成高能量的化合物,如碳水化合物)。植物也会在光合作用的时候释放氧气,而氧气被生物所利用做为电子受体,而释放储存在碳水化合物、脂类和蛋白质的能量。

经由这些转换链,从最初的宇宙大爆炸,经由一些中间事件,释放位能,有时候也会以许多不同的方式储存。这些所有的事件,都说明了任何一种能量,可以转换成其他型态的能量,包括热能。

能量守恒

能量必须遵守能量守恒定律。根据这个定律,能量只能从一种形式变为另一种形式而无法凭空产生或者是消灭。能量守恒是时间的平移对称性得出的数学结论(参阅诺特定理)

根据能量守恒定律,流入的能量等于流出的能量加上内能变化。

此定律是物理界中相当基本的准则。依照时间的平移对称性,宇宙中绝大部分现象都可以独立于时间变化之外,因此想将昨天、今天和明天发生的现象区分开来,事实上是不可能的。

这是因为能量是时间的正则共轭(canonical conjugate)量,数学上它们变存在了不确定性:要在有限的时间间隔里定义精确的能量值是不可能的。但这种不确定性不应该和能量守恒搞混。更准确来说,它提供了原则上可以被定义和测量的能量的数学极限值。

在量子力学中能量会以Hamiltonian算符来表示。在任何时间范围里,能量中的不确定性会以

\Delta E \Delta t \ge \frac { \hbar } {2 }

来计算。这跟海森堡的测不准原理非常类似,但并非真正数学上的相同,因为H 和t不论在古典或量子力学中皆不是共轭之变量.。

能量观念的应用

能量必须遵守“守恒定律”,也就是说,不论测量或计算一个粒子系统的能量,其粒子间的行为和时间无关,它的系统总能量永远保持一定。

在古典物理中,能量被认为是一种纯量,它和时间的导数有关。在狭义相对论中,能量亦是纯量(虽然它不是劳伦兹纯量(Lorentz scalar),但时间却是四维动量中的组成份子之一)。换句话说,能量在空间的循环下是固定不变,但在不保证在时间和空间的循环下,依然是不变。

能量的传输

因为能量必须要守恒,且只要能被定义,连局部的能量也会守恒。别忘了能量在系统与相邻区域中的能量传输就是功。常见的例子就是机械功,考虑简单的情况,可以将方程式写成:


ΔE = W

 

 

 

 

(1)

当没有其它能量传输在其中时,E代表所有传输的能量总合,W则代表系统内所作的功。

更普遍而言,能量传输可分为两类:


ΔE = W + Q

 

 

 

 

(2)

其中Q代表系统增加的热能。

一个开放系统要得到或损失能量有很多方式,比如在一个化学系统中,可加入各种含有不同化学能的物质到系统中以增加能量;上紧时钟的发条可以增加机械能,这些能都可以被增加到上述的方程式,它们都可被归类在“能量增加项(E)”("energy addition term E")中,E表示穿过部分或系统的表面积的任何形式的能量。除了上述这些,更多例子也可以被想像出来,比方说增加粒子流的动能到系统中或是加入雷射光的能量到系统中,在此不讨论加入的能量是作功还是热损。故可将方程式改写成:


ΔE = W + Q + E

 

 

 

 

(3)

其中E代表其他外加能量,不包含系统所做的功或是外加的热。

能量亦可从位能(Ep)传输成动能(Ek)再换回位能。这是因为能量守恒。在这类型的封闭系统里,能量不会增加或减少,因此初始的总能量和最终的总能量必定相同。它可被表示成:


Epi + Eki = EpF + EkF

 

 

 

 

(4)

由于Ep = mgh(质量乘以重力加速率乘以高度)和E_k = \frac{1}{2} mv^2(质量的一半乘以速率平方),能量总值可将二者加起来Ep + Ek = Etotal求得。

能量和运动定理

古典力学中,因为能量是一守恒量,不论在概念或数学形式上它都是非常有用的特性。有些公式更是以能量为核心观念而改进。

哈密顿等式

有时候一个系统的总能量可以用“哈密顿等式”来表示。不论是复杂或是抽象的系统皆可以以此表示之,这些等式和非相对性的量子力学有明显的相似处。

拉格朗日量

另一和能量相关的观念便是“拉格朗日量”。它甚至比哈密顿量更基本而且可用来导出运动方程式。这一词是在古典力学中被发明,却普遍使用于近代物理。“拉格朗日量”被定义成动能和位能的差。在非保守的系统中(像是有摩擦力的系统),拉格朗日量比哈密顿在使用上更方便。

诺特定理

诺特(第一)定理指出任何具有可微分的对称性运动的物理系统都有一个相对应的守恒定理。

诺特定理是讨论现代理论物理和变分法中相当重要且基本的工具。依照哈密顿等式和拉格朗日量所归纳出的方程式得知:诺特定理不适用于不遵守拉格朗日的系统。举例来说,一个有连续对称性但分散的系统是没有相对应的守恒定律。

能量及热力学

内能

内能是创造物体系统所必须的能量。它指的是系统中微观能量的总和,而且和位能(比如说:分子结构、晶体结构及其他几何结构)和微粒的运动产生的动能有关。热力学主要在在讨论内能的变化值,而非内能的绝对数值(绝对数值不可能单只靠热力学即可决定)。

热力学定律

根据热力学第二定律,功可以完全转换成热,但反之不成立。这是由统计力学得出的结论。热力学第一定律阐述能量是守恒的且热算是能量的一种转换方式。常用来解释热力学第一定律的例子是压力及热的转换。在这类系统中,能量的微小变化可以表示为:

\mathrm{d}E = T\mathrm{d}S - P\mathrm{d}V\,

右边第一项代表转换进入系统的热能,为温度(T)及熵(S)的函数(此系统在加热过程中,熵会增加,且变化量dS是正值);第二项则表示作用在系统的“功”(P是压力;V是体积),减号是因为功作用于压缩系统时体积会改变,因此dV是负值。

虽然这个式子常被热力学用拿来当作解释能量守恒的范例,但它实际上是相当特例的,所有热以外的能量形式都必须忽略(比如说:化学能、电能和重力…等),而且等式中有一个变量和温度有关。最普遍的第一定律叙述(即能量守恒)是不需要考虑温度的。能量有时会这样表示:

dE = δQ + δW

但严格来说这是不符合规定的,因为右侧的Q和W无法存在于热力学正式的使用里。

能量均分定理

一个机械的简谐振子所含有的能量在动能和位能间互相转换式的简谐振荡(例:弹簧系统)所含有的能量会在动能和位能间互相转换。一个周期里有会有两个位是全将能量全部转换成动能;两个点全全部转换成位能。在一个或多个循环中净能会分布于动能与位能间。此称为能量均分定理。一个有许多自由度的系统所含的能量会均分在所有有效的自由度中。

这个定理在了解“熵”有很大的帮助,“熵”是评估能量于各部分系统乱度的方法。当一个孤立系统被给予更多自由度时(例:给系统一个新的能阶,这个能阶和旧的能阶完全一样),总能量会平均分给“所有”可用的自由度,不会因为是“新”或“旧”而有差别,这结果被称为热力学第二定律。

功和虚功

功是力乘以位移,也是能量的其中一种形式。

 W = \int_C \mathbf{F} \cdot \mathrm{d} \mathbf{s}

以上公式表示功(W)等同于力沿曲线C 的线积分(详情请见机械功的文章)。

功和能量是相互依赖的。例如,一粒球撞击一支棒球棍。在以质量中心为参考坐标,棒球棍没有对球做功。但是在以人挥动球棒为参考坐标,球棒就对球做功了。

量子力学

在量子力学中我们可以定义出能量运算子,而能量运算子是跟波函数的时间微分有关系。薛丁格方程式中能量运算子等于粒子或是系统里的所有能量,因此可将其定义成在量子力学中测量能量的方法。薛丁格方程式可以用来形容非相对论量子系统的波函数,此方程式在侷限系统中的解是不连续的,在这边即可引入能阶和量子的概念。对于振子和任何真空中的电磁波而言,薛丁格方程式的解所得到的能态与频率有关,可由普朗克方程式E=hν(h为普朗克常数,ν为频率)将它们作一个连结。因此,对电磁波而言这些能态称为光的能量量子化或是光子

相对论

当计算相对论中的动能时(一物质从静止加速到一定速率所做的功)——利用劳仑兹转换而非牛顿力学,爱因斯坦由这些计算里发现一意想不到的结果,就是有一能量项即使在速率为零时也不会是零。他将该项能量命名为静止能量——即使在静止时,所有物质都具备的能量。能量的大小与物质质量成正比:

E = mc2

其中

m为质量,
c为真空时的光速,
E为静止能量,

例如,研究电子与正子的湮灭时,两个单一粒子的静止质量被销毁了,产生没有质量的惯性光子,但在惯性系统中仍具有两个粒子的质量,仍符合能量守恒(由于所有的能量与质量有关)。相反地,两个(或更多)的光子消灭会成对的产生电性相反的粒子。然而,在这些反应中系统的质量和能量总和并不改变。

在广义相对论中,应力-能量张量(为描述能量与动量在时空中的密度与通量,其为牛顿物理中应力张量的推广)为重力场的源,有点类似牛顿重力理论中质量是重力场源一般。

我们常常可以听到能量“相等于”质量。更准确地说,每个能量其实都拥有惯性和万有引力的等价项,因为质量也是一种能量形式,所以质量也与惯性和万有引力有关。

从宏观看:能量是凭借质量而稳定存在的;从微观看:任何可观测量的熵总是在不断增加。

测量

热量表的示意图--科学家们用来测量能量的仪器。

由于能量被定义为物体所做的功,因此没有仪器能够准确地测量能量。能量只能够在一系统的某一状态转换为另一状态时被测量出来,因此能量是在一相对情况下才能被测量的。量测的起始点一般是可以任意选定的,如此一来可以更方便的简化量测问题。

条件

测量能量的条件通常都是根据科学原理常用到的条件,即质量、距离、辐射、温度、时间、电荷和电流。

一般上测量热能使用的技术是热量测定——利用温度计测量温度或利用测辐射热计测量辐射强度的热力学技术。

能量密度

主条目:能量密度

能量密度是用来表示在特定的系统或空间每单位体积的所储藏之有用的能量。对于燃料而言,每单位体积的能量是很有用的参数。在一些运用中,如比较氢气燃料和汽油的效率,氢气比汽油具有更高的比能(specific energy,单位质量的能量)。但即使在液态形式,氢的能量密度较低。

相关条目

备注

  1. Harper, Douglas. Energy. Online Etymology Dictionary [May 1, 2007]. 
  2. Ito, Akihito; Oikawa, Takehisa (2004). "Global Mapping of Terrestrial Primary Productivity and Light-Use Efficiency with a Process-Based Model." in Shiyomi, M. et al. (Eds.) Global Environmental Change in the Ocean and on Land. pp. 343–58.

外部连结

参考来源

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