Закон сохранения и превращения энергии
Понятие энергии является одним из самых фундаментальных в физике. Разные виды энергии (потенциальная, кинетическая, внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.) объединяет один универсальный для всех закон сохранения и превращения энергии. На примере механической энергии, объединяющей потенциальную и кинетическую энергию, мы узнаем, что такое энергия, как физическая величина, и почему она сохраняется при всех превращениях.
Как связаны работа и энергия
Развитие человеческой цивилизации происходило постепенно благодаря изобретению различных механических приспособлений, способных выполнять тяжелую работу: рычага, блока, клина, пружины и т д. Человек работает либо вручную, либо с помощью таких приспособлений. В обоих случаях работа выполнена. Механическая работа А — физическая величина, равная произведению силы F, действующей на тело, на путь s, пройденный телом в направлении действия силы.
А = F * с (1)
Понятие энергии тесно связано с понятием работы. Любое движущееся тело может совершать работу. Дальнейший технический прогресс наделил человека мощными механизмами, позволяющими ему выполнять гигантские объемы работы. Самолеты, пароходы, автомобили, бульдозеры работают благодаря энергии, выделяющейся в результате сгорания топлива. Турбины гидроэлектростанций приводятся в движение напором проточной воды. Все эти примеры показывают, что во всех случаях для совершения работы первоначально требуется нечто общее, что было сформулировано в виде понятия энергии.
Если тело или система взаимодействующих тел способны совершать работу, говорят, что они обладают энергией.
Таким образом, энергия — это физическая величина, показывающая, какую работу может выполнить тело (или несколько тел). Чем больше энергии у тела, тем большую работу оно может совершить. То есть энергия есть не что иное, как запас работы, которую может совершить тело, изменив свое состояние.
Рис. 1. Виды энергии: потенциальная, кинетическая, электромагнитная, тепловая, ядерная и др..
Изменение энергии тела определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы вызвать это изменение. Поэтому энергия измеряется в тех же единицах, что и работа, то есть в джоулях.
Виды механической энергии
Различают два вида механической энергии: потенциальную и кинетическую. К механическим видам энергии относятся: энергия, связанная с движением тела, энергия, обусловленная деформацией тела, энергия, зависящая от положения тела на земле (связанная с силой всемирного тяготения).
Кинетическая энергия Ek связана со способностью движущегося со скоростью v тела совершать работу:
Ek = {m*v^2\over 2} (2).
Тело обладает потенциальной энергией Ер, так же взаимодействуя с другими телами. Вот несколько примеров потенциальной энергии:
- Потенциальная энергия тела Ep, на которое действует сила тяжести:
Ер = {м*г*ч} (3)
где: m — масса тела, g = 9,8 м/с2 — ускорение свободного падения;
- Потенциальная энергия упруго деформированного тела, например пружины:
Ер = {к*х^2\более 2} (4),
где: x — величина деформации (сжатия или удлинения пружины), k — коэффициент жесткости пружины.
Полная механическая энергия ЕМ равна сумме потенциальной и кинетической энергий:
{MS = Ep + Ek} (5).
Рис. 2. Механическая энергия.
Закон сохранения энергии
В середине 19 века английский исследователь Джоуль и русский ученый Ленц провели серию опытов по выяснению связи между механической работой и теплотой, результаты которых предопределили открытие закона сохранения и превращения энергии. В целом формулировка закона выглядит следующим образом:
При любом физическом взаимодействии энергия не возникает и не исчезает, а только переходит из одной формы в другую.
Рассмотрим действие этого закона на примере металлического шара, брошенного вертикально вверх. Когда мяч поднимается вверх, его скорость уменьшается, так как на него действует сила тяжести. Согласно формуле (2) уменьшается и кинетическая энергия Ek. В то же время с увеличением высоты h потенциальная энергия Ep начинает расти (см формулу (3)). Используя формулы (2) и (3), можно получить, что в любой точке уменьшение значения Ek в точности равно увеличению значения Ep. Когда движение вверх прекратится (верхняя точка подъема), вся кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную энергию. При движении тела вниз происходит обратный процесс: потенциальная энергия тела Ep превращается в кинетическую энергию Ek.
Итак, приведенный пример демонстрирует соблюдение закона сохранения и преобразования механической энергии, так как при подъеме уменьшение кинетической энергии полностью компенсируется увеличением потенциальной (при спуске, наоборот). Если потенциальная энергия у поверхности земли равна нулю (поскольку h=0), то на любой высоте будет выполняться равенство:
{EM = Ep + Ek = {m*v_0^2\over 2}} (6),
где: v0 — начальная скорость мяча.
Рис. 3. Сохранение механической энергии брошенного мяча.
После открытия закона сохранения энергии стало ясно, что любая попытка изобрести «вечный двигатель» (Perpetuum Mobile), то есть машину, способную совершать полезную работу без потребления энергии и без каких-либо изменений внутри машины, невозможна они обречены на провал с самого начала. Невозможность создания «вечного двигателя» — одно из экспериментальных доказательств закона сохранения энергии.
