Закон збереження енергії: опис і приклади
Потенційна енергія - це, швидше, абстрактна величина, адже будь-який предмет, який має деяку висоту над поверхнею Землі, вже буде володіти певною кількістю потенційної енергії. Вона розраховується шляхом множення швидкості вільного падіння на висоту над Землею, а також на масу. Якщо ж тіло рухається, можна говорити про наявність кінетичної енергії.
Формула і опис закону
Результат складання кінетичної і потенційної енергії в закритій від зовнішнього впливу системі, частини якої взаємодіють завдяки силам пружності і тяжіння, не змінюється - так звучить закон збереження енергії в класичній механіці. Формула цього закону виглядає так: ЕК1 + Еп1 = ЕК2 + Еп2. Тут ЕК1 є кінетичної енергією певного фізичного тіла в конкретний момент часу, а Еп1 - потенційної. Те ж саме вірно і для ЕК2 і Еп2, але вже в наступний часовий проміжок. Але цей закон вірний тільки в тому випадку, якщо система, в якій він діє, є замкнутою (або консервативної). Це говорить про те, що значення повної механічної енергії не змінюється, коли на систему діють лише консервативні сили. Коли в дію вступають неконсерватівние сили, частина енергії змінюється, приймаючи інші форми. Такі системи отримали назву дисипативних. Закон збереження енергії працює, коли сили ззовні ніяк не діють на тіло.
Приклад прояву закону
Одним з типових прикладів, що ілюструють описаний закон, служить проведення досвіду з кулькою зі сталі, який падає на плиту з цієї ж речовини або на скляну, відскакуючи від неї приблизно на ту ж висоту, де він перебував до моменту падіння. Даний ефект досягається за рахунок того, що коли предмет рухається, енергія перетворюється кілька разів. Спочатку значення потенційної енергії починає прагнути до нуля, в той час як кінетична збільшується, але після зіткнення вона стає потенційною енергією пружної деформації кулі.
Це продовжується до моменту повної зупинки предмета, в який він починає свій рух нагору за рахунок сил пружної деформації як плити, так і впав предмета. Але при цьому в справу вступає потенційна енергія тяжіння. Так як кулька при цьому розуміється приблизно на ту ж висоту, з якої він і впав, кінетична енергія в ньому одна і та ж. Крім цього, сума всіх енергій, що діють на рухомий предмет, залишається однаковою під час всього описаного процесу, підтверджуючи закон збереження повної механічної енергії.
Пружна деформація - що це?
Для того щоб повністю зрозуміти наведений приклад, варто більш детально розібратися з тим, що таке потенційна енергія пружного тіла - це поняття означає володіння пружністю, що дозволяє при деформації всіх частин даної системи повернутися в стан спокою, здійснюючи деяку роботу над тілами, з якими стикається фізичний об'єкт. На роботу сил пружності не впливає форма траєкторії руху, так як робота, що здійснюються за рахунок них, залежить лише від положення тіла на початку і в кінці руху.
Коли діють зовнішні сили
Але закон збереження не поширюється на реальні процеси, в яких бере участь сила тертя. У приклад можна привести падаючий на землю предмет. Під час зіткнення кінетична енергія і сила опору зростають. Цей процес не вписується в рамки механіки, так як через зростаючого опору підвищується температура тіла. З вищесказаного випливає висновок про те, що закон збереження енергії в механіці має серйозні обмеження.
Термодинаміка
Перший закон термодинаміки говорить: різниця між кількістю теплоти, що накопичується завдяки роботі, яку здійснюють над зовнішніми об'єктами, дорівнює зміні внутрішньої енергії даної неконсервативної термодинамічної системи.
Але це твердження найчастіше формулюється в іншому вигляді: кількість теплоти, отримане термодинамічної системою, витрачається на роботу, що здійснюються над об'єктами, що знаходяться поза системою, а також на зміну кількості енергії всередині системи. Відповідно до даного закону, вона не може зникнути, перетворюючись з однієї форми в іншу. З цього випливає висновок про те, що створення машини, не споживає енергії (так званого вічного двигуна), неможливо, так як система потребуватиме енергії ззовні. Але багато хто все ж наполегливо намагалися створити її, не враховуючи закон збереження енергії.
Приклад прояву закону збереження в термодинаміки
Досліди показують, що термодинамічні процеси неможливо повернути назад. Прикладом тому може служити зіткнення тіл, що мають різну температуру, при якому більш нагріте буде віддавати тепло, а друге - приймати його. Зворотний же процес неможливий в принципі. Іншим прикладом є перехід газу з однієї частини посудини в іншу після відкриття між ними перегородки, за умови що друга частина порожня. Речовина в даному випадку ніколи не почне рух у зворотному напрямку мимовільно. З вищесказаного випливає, що будь-яка термодинамічна система прагне до стану спокою, при якому її окремі частини знаходяться в рівновазі і мають однакову температуру і тиск.
Гідродинаміка
Застосування закону збереження в гідродинамічних процесах виражається в принципі, описаному Бернуллі. Він звучить так: сума тиску як кінестетіческой, так і потенційної енергії на одиницю об'єму одна і та ж в будь-який окремо взятій точці потоку рідини чи газу. Це означає, що для вимірювання швидкості потоку досить виміряти тиск у двох точках. Робиться це, як правило, манометром. Але закон Бернуллі справедливий тільки в тому випадку, якщо розглянута рідина має в'язкість, яка дорівнює нулю. Для того щоб описати перебіг реальних рідин, використовується інтеграл Бернуллі, що передбачає додавання доданків, які враховують опір.
Електродинаміка
Під час електризації двох тіл кількість електронів в них залишається незмінним, через що позитивний заряд одного тіла дорівнює по модулю негативному заряду іншого. Таким чином, закон збереження електричного заряду говорить про те, що в електрично ізольованій системі сума зарядів її тіл не змінюється. Це твердження вірне і тоді, коли заряджені частинки зазнають перетворення. Таким чином, коли стикаються дві нейтрально заряджені частинки, сума їх зарядів все одно залишається рівною нулю, тому що разом з негативно зарядженою часткою з'являється і позитивно заряджена.
Висновок
Закон збереження механічної енергії, імпульсу і моменту - фундаментальні фізичні закони, пов'язані з однорідністю часу і його ізотропною. Вони не обмежені рамками механіки і застосовні як до процесів, що відбуваються в космічному просторі, так і до квантових явищ. Закони збереження дозволяють одержувати дані про різних механічних процесах без їхнього вивчення за допомогою рівнянь руху. Якщо якийсь процес в теорії ігнорує дані принципи, то проводити досліди в такому випадку безглуздо, так як вони будуть нерезультативними.
