Энергия и материя Вселенной
Для того, чтобы описать Вселенную, нужно рассказать, что такое энергия, и что такое материя. Начнем с энергии. Ее виды и типы различают по формам движения материи. Форм и видов энергии различают от пяти до двух десятков. Например, greensource.ru называет 7 видов - механическую, электрическую, химическую, тепловую, световую (лучистую), ядерную (атомную) и термоядерную (термоядерного синтеза). А Оксфордский учебник по возобновляемой энергии говорит о четырех видах (кинетическая, гравитационная, электрическая и ядерная). С учетом специфики и цели нашего изложения сразу добавим к этому пятый вид энергии - темную.
1.2. Энергия Вселенной
Мы перевели первую главу учебника по возобновляемой энергии "Renewable Energy: Power for a Sustainable Future. Second edition. Edited by Godfrey Boyel. Oxford University Press":
Сразу хочу заметить, что есть уже и третье переиздание от 2012 года, но мы до него пока не добрались
Если кто-то захочет прочесть сам, вот ссылки, где можно купить: в издательстве Оксфорда и на Амазоне
Начнем с цитаты из второго издания (синим цветом):
Слово «энергия» происходит от греческих слов en (в) и ergon (работа). Научное понятие энергии служит, чтобы показать общие особенности в разнообразных процессах, таких как горение топлив, движение машин или зарядка батарей. Эти и другие процессы могут быть описаны в разнообразных терминах для разных форм энергии. Например, тепловая энергия (тепло), химическая энергия (в топливах или батарейках), кинетическая энергия (при перемещении тел), электрическая энергия, гравитационная, потенциальная энергия и различные другие.
В 1960 г. научный мир договорился о введении единой системы физических единиц - системы CИ (Системы Интернациональных (единиц)). В ней три базовых единицы измерения: метр (м), килограмм (кг) и секунда (с). Единицы для измерения других величин получены как их производные. Некоторых из них очевидны. Например, единица скорости метр в секунду (м*с-1). Другие были названы собственными именами - например, Ньютон или Джоуль.
Чтобы изменить движение любого объекта, нужна сила. Единица ее измерения из системы СИ - Ньютон (Н), который соответствует силе, ускоряющей тело массой один килограмма (кг) на метр в секунду за секунду (м*с-2). Таким образом:
Сила (Н) = масса (кг) * ускорение (м*с-2).
В реальном мире сила часто нужна, чтобы перемещать объект с постоянной скоростью, потому, что на объект действуют внешние силы, например, трение.
Каждый раз, когда сила перемещает что-нибудь, на это тратится энергия. Единица энергии - Джоуль (Дж). Он соответствует энергии, обеспечивающей силу в один Ньютон для перемещения тела на расстояние в 1 метр:
Энергия (Дж) = Сила (в Ньютонах) * Расстояние (в метрах)
Понятия «энергия» и «сила» часто используются так, как будто это синонимы (например, мощность ветра / энергия ветра), но в научном обсуждении важно их различать. Мощность - понятие, когда энергия превращается из одной формы в другую или перемещает что-либо из одного места в другое. Ее единица - Ватт (Вт). Один Ватт соответствует энергии в один Джоуль за секунду. Например, в 100-ваттной лампочке накаливания сто джоулей электрической энергии превращаются в свет (и «сопутствующее» тепло) каждую секунду.
На практике, часто удобно измерить энергию в пределах мощности, используемой в течение определенного периода времени. Если мощность электрического нагревателя составляет 1 кВт, и она измеряется в течение часа, мы говорим, что нагреватель потребил один киловатт-час (кВт*час) энергии. Киловатт равен 1000 Ватт, или 1000 Джоулей за секунду. Так как в часе 3600 секунд, то 1 кВт*час = 3600 * 1000 = 3,6 * 106 Дж (т.е. 3,6 MДж).
Энергия также часто измеряется в пределах количества использованного топлива, например метрические тонны угля или масла. Например, «миллион метрических тонн нефтяного эквивалента» (1 млн. т. н.э. = 41,9 МДж).
Виды энергии
В общем виде все разнообразие форм энергии может быть сведено к пяти видам: кинетическая, гравитационная, электрическая, ядерная и темная энергия.
Первая из них - кинетическая энергия, которой обладают любые движущиеся объекты. Она рассчитывается так:
кинетическая энергия = 0,5 * масса * скорость2
где энергия в джоулях (Дж), масса в килограммах (кг), скорость в метрах в секунду (м*с-1).
Кинетическая энергия в материале определяет его температуру. Вещество состоит из атомов или из молекул, которые состоят из атомов. В газе они движутся свободно. В твердом теле или в жидкости, они формируют условно связанную сеть, в которой каждая частица постоянно вибрирует. Тепловая энергия, или тепло - определенное воплощение кинетической энергии, связанной с этим быстрым случайным движением. Более высокая температура тела определяется более быстрым движением молекул. По шкале температуры Келвина (K), которая принята в настоящее время, ноль К соответствует нулевому молекулярному движению. По используемой более широко шкале измерения температуры Цельсия (°C), ноль соответствует точке замерзания воды, а 100°С соответствует точке кипения воды. Две шкалы измерения связаны простой формулой:
температура (К) = температура (°C) + 273°
Вторая фундаментальная форма энергии - гравитационная энергия. Она определяется гравитационным притяжением объекта к космическим телам, например, к Земле. Если объект, например, яблоко, поднять выше головы, то яблоко приобретет потенциальную энергию, вызванную силами гравитации («потенциальная энергия» или «гравитационная энергия»). Существование этой сохраненной энергии станет очевидно, если выпустить яблоко и наблюдать последующее превращение потенциальной гравитационной энергии в кинетическую энергию. Гравитационная сила, тянущая объект по направлению к Земле, вызвана весом объекта, и равна его массе, m, умноженной на ускорение свободного падения, g (которое равно 9,81 м*с-2). Вес и массу тоже часто путают в быту. Потенциальная энергия (в Дж), определяемая высотой h (в метрах) поднятого над землей тела массой m (в килограммах) равна:
потенциальная энергия = сила * расстояние = вес * высоту = м * g * h
Гравитация держит нас на поверхности Земли, не давая улететь в космос. Она же «склеивает» вещество планеты вместе. Эта сила прямо пропорциональна массе и обратно пропорциональна квадрату расстояния между телами, которые притягиваются. Но в докосмическую эру изучать взаимодействие объектов большой массы не удавалось. Многие ученые наблюдали, как предметы падают на Землю. Еще Галилео Галилей догадался, что предметы разной массы падают на Землю с одинаковой скоростью, если падают с одинаковой высоты.
Если убрать опору под ногами, то любой предмет, спокойно лежавший на поверхности, долетит до другой стороны Земли через ее центр за 42 минуты. Но если опоры под ногами нет - наступает невесомость. В этот момент, на долю секунды, гравитация равна нулю. Больше о гравитации мы узнали благодаря Исааку Ньютону и Альберту Эйнштейну. Первый понял, что делает гравитация, второй - как она это делает. Яблоки на голову падали многим, но только Ньютон заинтересовался, что их притягивает. Он же попытался понять, почему Луна не падает на Землю. Ответы на эти вопросы он дал в книге «Математические основы». Он рассчитал, что если выстрелить из пушки ядром со скоростью 17 500 миль/час, то ядро выйдет на орбиту. Орбита - это прямая линия, но она скругляется из-за искривления пространства, понял Эйнштейн. Чем больше масса, тем сильнее она искривляет пространство-время. На второй космической скорости (более 11 км/сек) орбиту можно покинуть.
Гравитация создает два вида энергии: накапливаемую потенциальную и кинетическую (потраченную потенциальную). Она позволяет ускорить космические корабли. Это свойство гравитации использовал «Вояджер», когда ускорился по орбите вокруг Юпитера. Нужная скорость позволила выбросить «Вояджер» с орбиты, как камень пращей. Такой прием называют «гравитационной катапультой».
Усилить гравитацию искусственно можно с помощью центрифуги. Вращение человека со скоростью 30 оборотов в минуту создает ускорение в 1g. Гравитация на других планетах отличается от гравитации на Земле. Например, на Марсе 3/8 от земной, а на Юпитере 256% от земной.
Гравитацию можно попытаться использовать для спасения Земли от нагревающегося и расширяющегося Солнца. С помощью гравитации крупных космических тел (комет и астероидов) можно увеличить радиус земной орбиты, отодвинув Землю от Солнца. Этого можно достичь, даже если нужный астероид будет пролетать мимо Земли раз в 10 000 лет.
Настоящая невесомость есть только в космосе, вдали от массивных космических тел. Но изучать невесомость можно при свободном падении. Для создания иллюзии невесомости НАСА использует самолет «Zero G».
Траектория самолета показана на рисунке:
При спуске самолета под углом 45° и создается невесомость в течение 25 секунд. Так можно понять, что чувствуют астронавты в космосе.
Вероятно существуют элементарные частицы гравитационного поля (гравитоны). Пока они не обнаружены. Но удалось зафиксировать гравитационные волны. Сразу после рождения Вселенной в ней не было пустот и облака пыли и газа не были прозрачными. Поэтому свет через них не проходил, но проходили гравитационные волны. Сильные гравитационные волны создаются от столкновений массивных космических объектов. Например, при слиянии черных дыр. Их фиксируют в лабораториях LIGO в Вашингтоне и Луизиане.
Гравитация - не единственная сила, влияющая на объекты вокруг нас. В масштабах, практически не различимых глазом, от атомов до молекул материала, на тела действуют силы электрической природы; гравитация - незначительная сила на молекулярном уровне. Электрическая энергия, вызванная силами молекулярного уровня, составляет треть от основных форм энергии на Земле. Каждый атом может рассматриваться, как облако электрически заряженных частиц, электронов, которые непрерывно движутся вокруг центрального ядра. Когда атомы объединяются в молекулы или твердые материалы, распределение электронов изменяется, часто с существенным эффектом. Поэтому химическая энергия, работающая на атомном уровне, может рассматриваться как форма электрической энергии. Когда сжигают топливо, химическая энергия, которая в нем содержится, превращается в тепловую энергию. По существу, электрическая энергия, созданная перестройкой электронов атомов, превращается в кинетическую энергию молекул продуктов горения.
Наиболее знакомая всем форма электрической энергии - энергия электрического тока - энергия направленных потоков электронов в материале, наблюдается чаще всего металлах. В металлах один или два электрона каждого атома могут отделиться от своего атома и двигаться свободно через решетчатую структуру материала. Эти «свободные электроны» формируют в металлах электрический ток. Чтобы поддерживать устойчивый поток электронов, необходима постоянная подача энергии, т.к. электроны постоянно теряют энергию в столкновениях с металлической решеткой (вот почему провода нагреваются электрическим током). Напряжение (в В) - энергия, необходимая для поддержки тока. Электрическая мощность (в Вт), необходимая для поддержания электрического тока или используемая приборами, равна произведению напряжения (в В) на ток (в А), т.е.
мощность = напряжение * ток
На обычной электростанции топливо сжигают и используют для получения пара высокого давления, который вращает турбину. Турбина, в свою очередь, вращает электрический генератор. Генератор вырабатывает электрическую энергию. Электрическая энергия может, в свою очередь, быть преобразована в тепло, свет, движение или в любой другой вид энергии, в зависимости от того, что присоединено к цепи. Электричество - удобная промежуточная форма энергии: оно дает возможность превратить энергию, полученную от одного источника, в энергию другого вида, обычно удаленную на некоторое расстояние от источника.
Другая форма электрической энергии передается электромагнитным излучением. Это форма электромагнитной энергии, в которой, например, солнечная энергия достигает Земли. Электромагнитная энергия излучается в больших или меньших количествах каждым объектом. Она передается в виде волны, которая переносит энергию к потребителю через пустое пространство. Длина этой волны характеризует спектр, который разбит на рентгеновские лучи, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, спектр видимого света, радио- и микроволны.
Четвертая форма энергии - энергия, заключенная в ядрах атомов. Она называется ядерная энергия. Технология ее получения, разработанная во время Второй мировой войны для военных целей, впоследствии была использована как управляемая энергия для мирного производства электроэнергии. Атомные электростанции действуют почти на таких же принципах, как тепловые электростанции, за исключением того, что в топках сгорает не ископаемое топливо, а в ядерных реакторах расщепляют атомы урана, и при этом расщеплении выделяется большие количества тепла.
Источник энергии Солнца также ядерного происхождения. Здесь происходит процесс не ядерного деления, а ядерного синтеза, при котором значительное количество атомов водорода создает атомы гелия, производя при этом огромное количества солнечного излучения. Реакторы ядерного синтеза, имитирующие процессы на Солнце, были темой многих десятилетних исследований и серьезных изысканий, но поиски практических решений продолжаются.
Темная энергия будет описана в следующей главе. Вкратце, темная энергия составляет 73% всей энергии Вселенной. Она расширяет Вселенную. Это пятый основной вид энергии. Сначала думали, что Вселенная расширяется от большого взрыва, и гравитация со временем должна притормозить это расширение. Но оказалось, что темная энергия побеждает. Собственно, о ее наличии узнали как раз благодаря ускорению расширения Вселенной. Пространство, заполненное темной энергией, увеличивается. Это похоже на рост дрожжевого теста: чем больше оно становится, тем быстрее растет. Возможно, так будет до какого-то момента. Из-за темной энергии со временем Вселенная остынет.
Продолжение следует
Каталог проекта: Вселенная, Млечный путь и Солнечная система
Ранее было:
1. Вселенная
1.1. Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной