101 ключевая идея: Физика
Шрифт:
Внизу таблицы показано распределение источников энергии в Великобритании. Общее количество энергии, вырабатываемой в стране, составляет 3,5 % общемировой. Из таблицы видно, на сколько лет хватит этих ресурсов, если их потребление будет продолжаться на уровне 1995 года.
При истощении запасов топлива все большее внимание будет уделяться возобновляемым источникам энергии. В наши дни в Великобритании гидроэлектростанции и ветротурбины вносят значительный вклад в общее количество вырабатываемой энергии.
См. также статьи «Коэффициент полезного действия», «Энергия и мощность».
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
Энергетический уровень — это возможное значение энергии в системе двух или более частиц. Энергетические уровни наблюдаются в любой замкнутой системе, где важное значение приобретает квантовая (дискретная) природа частиц. Это происходит в том случае, когда де-бройлевская волна частицы соизмерима с расстоянием между частицами.
Энергетические уровни атомов были обнаружены при изучении столкновения электронов в газовых трубках. Электроны испускались из нити накала в трубку и притягивались к аноду. При увеличении потенциала анода электроны стремились к аноду и создавали ток в трубке. При этом они должны были пройти через металлическую решетку. По мере увеличения потенциала сила тока на аноде увеличивалась, а затем падала при определенных показателях потенциала анода, называемых потенциалом возбуждения. Каждый спад силы тока происходил, когда кинетической энергии электронов, испущенных с нити, было достаточно только для того, чтобы столкнуться с атомами газа, сообщив энергию электронам атомов, переходящих на более высокий энергетический уровень. В результате столкновения электроны нити останавливались (т. е. не продолжали двигаться к аноду) и притягивались к решетке. Таким образом происходило уменьшение силы тока на аноде. Атомы газа переходили на более высокий энергетический уровень. Энергия, приобретенная атомами газа, равна кинетической энергии электронов в луче, поскольку каждый электрон луча отдает свою кинетическую энергию атомам газа. Отсюда энергетические уровни представляют собой значения энергии eV выше основного состояния, где V — любой показатель потенциала возбуждения. Энергия, необходимая для ионизации атома (удаления из атома электрона), равна eV 0, где V 0— потенциал, требующийся для ионизации атома. Таким образом, самый низкий энергетический уровень, или основное состояние атома, существует при энергии eV 0ниже уровня ионизации.
Возбуждение при сталкивании
См. также статьи «Корпускулярно-волновая двойственность», «Модели энергетических уровней».
ЭНЕРГИЯ
Тело перемещается под действием силы, производящей работу. Количество работы определяется как произведение силы на расстояние в направлении перемещения. Единицей работы служит джоуль. Один джоуль равен работе, совершенной при перемещении тела на один метр силой в один ньютон.
Энергия— это способность совершать работу. Единицей работы энергии также служит джоуль. Если к телу прикладывается работа, его энергия увеличивается; если тело выполняет работу, его энергия уменьшается.
Закон сохранения энергии гласит: общее количество энергии в изолированной системе остается неизменным.
Мощность— это скорость, с которой совершается работа. Единицей мощности служит ватт (Вт), равный одному джоулю в секунду.
Кинетической энергией движущегося теланазывается энергия, которой оно обладает благодаря своему движению. Для тела массой т,движущегося со скоростью и,кинетическая энергия Е к— 1/ 2 mv 2при
Е к=тс 2— т 0/с 2.
Потенциальной энергией теланазывается энергия, которой оно обладает в силу своего расположения относительно одного или более тел; измеряется она в джоулях. Если тело перемещается над землей, то по мере изменения высоты изменяется и его потенциальная энергия, зависящая от силы притяжения. Поскольку сила притяжения тела массой mравна mg,потенциальная энергия тела, поднятого на высоту hнад землей, равна силе, умноженной на расстояние от тела до земли: mgh,где g— сила гравитационного поля. Отсюда изменение потенциальной энергии тела равно mgh.Но эта формула не применяется, если высота hсравнима с радиусом Земли, поскольку на дальних расстояниях gзначительно уменьшается. В таком случае изменение потенциальной энергии вычисляют согласно формуле, выводимой из закона тяготения Ньютона.
См. также статьи «Гравитационное поле 1 и 2», «Сила и движение».
ЭНЕРГИЯ ЯДРА
Ядро любого атома, за исключением атома водорода, состоит из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами, действующими в равной степени между протонами и нейтронами, причем радиус их действия не превышает 2 или 3 x 10 – 15м. Эти силы гораздо мощнее силы взаимодействия электрических зарядов и потому превышают силу отталкивания протонов.
Энергией связи ядраназывается энергия, которую нужно сообщить ядру, чтобы разделить его на протоны и нейтроны. Эта энергия необходима для преодоления сил ядерного притяжения, связывающих протоны и нейтроны. Энергия, сообщаемая телу, увеличивает его массу согласно формуле Эйнштейна: Е = mс 2. Поэтому масса любого ядра меньше массы отдельных протонов и нейтронов. Эта разница масс называется дефектом массы ядра и обозначается как Am. Энергию связи Е Влюбого изотопа A ZX можно рассчитать по формуле
Е в= с 2m = c 2(Zm p+ (А — Z)m N— М), где m p, m Nи М — массы протона, нейтрона и ядра соответственно, Z — число протонов в ядре, (А — Z) — число нейтронов (см. статью «Атомы и молекулы»).
График энергии связи
При реакции синтеза (слиянии легких ядер, образующих ядро, в котором А не превышает 50) выделяется энергия, поскольку образующееся ядро связано плотнее, чем более легкие ядра.
При расщеплении (делении тяжелого нестабильного ядра на две части) выделяется энергия, поскольку образуемые ядра связаны плотнее, чем тяжелое ядро.
См. также статьи «Деление ядер», «Радиоактивность 1», «Ядерный синтез».
ЭНТРОПИЯ
Энтропия — это степень беспорядка системы, измеряемая количеством состояний частиц и энергии последней. Чем больше число возможных состояний, тем больше беспорядочна система.