1-23e Behoud van energie en massa in transformatie

Energie geeft aanleiding tot gewicht wanneer het wordt opgesloten in een systeem met een nulmomentum, waar het kan worden gewogen. Het is ook gelijk aan massa, en deze massa is er altijd mee verbonden. Massa is ook gelijk aan een bepaalde hoeveelheid energie, en komt er ook altijd in verband mee voor, zoals beschreven in massa-energie-equivalentie. De formule E = mc², afgeleid door Albert Einstein (1905) kwantificeert de relatie tussen rustmassa en rust-energie binnen het concept van speciale relativiteit. In verschillende theoretische kaders zijn soortgelijke formules afgeleid door J.J. Thomson (1881), Henri Poincaré (1900), Friedrich Hasenöhrl (1904) en anderen (zie Massa-energie-equivalentie#Geschiedenis voor meer informatie).

Een deel van de rust-energie (gelijk aan rustmassa) van materie kan worden omgezet in andere vormen van energie (die nog steeds massa vertonen), maar noch energie noch massa kan worden vernietigd, maar beide blijven tijdens een proces constant. Maar omdat dat extreem groot is in vergelijking met gewone menselijke schalen, kan de omzetting van een dagelijkse hoeveelheid rustmassa (bijvoorbeeld 1 kg) van rustmassa in andere vormen van energie (zoals kinetische energie, thermische energie of de stralingsenergie die door licht en andere straling wordt meegevoerd) enorme hoeveelheden energie vrijmaken joules = 21 megaton TNT), zoals te zien is in kernreactoren en nucleaire wapens. Omgekeerd is het massa-equivalent van een dagelijkse hoeveelheid energie minuscuul, waardoor het energieverlies (massaverlies) van de meeste systemen moeilijk te meten is op een weegschaal, tenzij het energieverlies zeer groot is. Voorbeelden van grote transformaties tussen rust-energie (van materie) en andere vormen van energie (bv. kinetische energie in deeltjes met rustmassa) zijn te vinden in de kernfysica en deeltjesfysica.

1-23f Omkeerbare en niet-omkeerbare transformaties

Thermodynamica verdeelt energietransformatie in twee soorten: omkeerbare processen en onomkeerbare processen. Een onomkeerbaar proces is een proces waarbij energie wordt gedissipeerd (verspreid) in lege energietoestanden die beschikbaar zijn in een volume, waaruit het niet kan worden teruggewonnen in meer geconcentreerde vormen (minder Quantumtoestanden), zonder dat er nog meer energie wordt afgebroken. Een omkeerbaar proces is er een waarin dit soort dissipatie niet plaatsvindt. Zo is bijvoorbeeld de omzetting van energie van het ene type potentieel veld naar het andere omkeerbaar, zoals in het hierboven beschreven slingersysteem. In processen waar warmte wordt opgewekt, fungeren Quantumtoestanden van lagere energie, die als mogelijke opwinding aanwezig zijn in velden tussen atomen, als een reservoir voor een deel van de energie, waaruit deze niet kan worden teruggewonnen, om met 100% rendement te worden omgezet in andere vormen van energie. In dit geval moet de energie gedeeltelijk als warmte blijven en kan ze niet volledig worden teruggewonnen als bruikbare energie, behalve ten koste van een toename van een ander soort warmteachtige toename van de wanorde in Quantumtoestanden, in het heelal (zoals een uitbreiding van materie of een randomisatie in een kristal).

Naarmate het universum in de tijd evolueert, raakt meer en meer van zijn energie gevangen in onomkeerbare toestanden (d.w.z. als warmte of andere vormen van toename van de wanorde). Dit wordt de onvermijdelijke thermodynamische warmtedood van het universum genoemd. In deze warmtedood verandert de energie van het universum niet, maar het deel van de energie dat beschikbaar is om te werken door middel van een warmtemotor, of omgevormd te worden tot andere bruikbare vormen van energie (door het gebruik van generatoren die aan warmtemotoren zijn bevestigd), groeit steeds minder.

NAAR HOOFDSTUK 28