Закон сохранения энергии

Зако́н сохране́ния эне́ргии (ЗСЭ) — фундаментальный закон природы, согласно которому важнейшая физическая величина — энергия — сохраняется в изолированной системе. В такой системе энергия может трансформироваться из одной формы в другую, но её общее количество остаётся неизменным.

Энергия

Энергия — общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Данное понятие объединяет воедино все явления природы. В связи с разнообразием форм движения материи существуют различные виды энергии: внутренняя, механическаяэлектромагнитная, химическая, ядерная и др. Это деление условно, ведь химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии их взаимодействия друг с другом и с ядрами атомов, внутренняя энергия равна сумме кинетической энергии беспорядочного движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Энергия системы определяется параметрами, которые характеризуют состояние системы: для непрерывной среды или поля вводятся понятия плотности энергии и плотности потока энергии, которые равны произведению плотности энергии на скорость её перемещения.

Формулировка закона сохранения энергии

Энергия не возникает и не исчезает, она может передаваться от одного тела к другому, а также один вид энергии имеет свойство превращаться в другой.

Закон сохранения энергии действует незаметно, но повсеместно. Он срабатывает только в замкнутой системе под воздействием консервативных сил, зависящих от начального и конечного положения. В данных условиях энергия тел никуда не исчезает, а лишь трансформируется из одного вида энергии в другой.

Формула закона сохранения механической энергии

$$E=Ep+Ek=const,$$

где E_p — потенциальная энергия; E_k — кинетическая энергия.

История открытия закона сохранения энергии

Закон сохранения энергии для механических процессов установлен Готфридом Вильгельмом Лейбницем (1686), для немеханических явлений — Юлиусом Робертом фон Майером (1845), Джеймсом Прескоттом Джоулем (1843—1850) и Германом Людвигом Фердинандом Гельмгольцем (1847). В термодинамике закон сохранения энергии называется иначе — первым началом термодинамики. До создания Альбертом Германовичем Эйнштейном специальной теории относительности (1905) законы сохранения массы и энергии существовали как два независимых закона, а уже в теории относительности они были слиты воедино.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (21 июня 1646 — 14 ноября 1716)

Альберт Германович Эйнштейн (14 марта 1879 - 18 апреля 1955)

Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (31 августа 1821 – 8 сентября 1894)

Джеймс Прескотт Джоуль (24 декабря 1818 — 11 октября 1889)

Роберт Юлиус фон Майер (25 ноября 1814 – 20 марта 1878)

Следствие сохранения энергии

Невозможность создания вечных двигателей — одно из интереснейших следствий закона сохранения энергии. Другими словами, системе необходим внешний источник питания для бесконечной подачи неограниченной энергии в окружающую среду.

Также следует заметить, что определение сохранения энергии не всегда возможно, ведь не все системы обладают симметрией перемещения во времени. Например, сохранение энергии может быть не определено для кристаллов времени или для искривленных пространственных времен.

Применение закона сохранения энергии в жизни

Гвоздь и молоток

Пример с молотком и гвоздём наглядно демонстрирует передачу механической энергии. Согласно закону сохранения энергии, количество энергии, которое молоток передал при ударе, равно количеству энергии, полученной гвоздём.

Кубики льда

Кубики льда, при температуре 0 °C и помещённые в стакан с газированной водой, растают, если они получат такое же количество джоулей тепла, которое было отнято у воды при её охлаждении до той же температуры во время заморозки. Если газированная вода недостаточно тёплая, лёд не растает. Однако, если оставить стакан на столе надолго, лёд всё равно растает, потому что он поглотит необходимое количество тепла из окружающей среды.

Подбрасывание тела

При вертикальном подбрасывании тела происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратно при падении тела. Когда тело находится в верхней точке, оно обладает максимальной потенциальной энергией, которая преобразуется в кинетическую энергию при движении вниз. Затем, когда тело достигает нижней точки, максимальная кинетическая энергия снова превращается в потенциальную энергию перед следующим подбрасыванием. Этот процесс происходит непрерывно, и закон сохранения энергии гарантирует, что общее количество энергии остаётся неизменным.

Пружина

При растяжении пружины происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратно при её сжатии.