Энергия: закон изменения и превращения

Энергия является одной из фундаментальных физических величин, характеризующих способность тел и систем тел совершать работу. Существует множество форм энергии - кинетическая, потенциальная, тепловая, электрическая и др. В данной статье речь пойдет о механических формах энергии и законах, определяющих их изменение и взаимные превращения.

Понятие механической энергии

В механике различают два основных вида энергии - кинетическую и потенциальную. Кинетическая энергия характеризует движение тела и определяется его массой и скоростью. Потенциальная энергия зависит от взаимного расположения тел и их взаимодействия.

Сумму кинетической и потенциальной энергий называют полной механической энергией. Она является мерой движения и взаимодействия тел, составляющих рассматриваемую механическую систему.

Кинетическая и потенциальная энергия

Рассмотрим более подробно два составляющих элемента механической энергии.

Кинетическая энергия тела определяется по формуле \$E_к = \frac{mv^2}{2}\$, где m - масса тела, v - его скорость. Из формулы видно, что кинетическая энергия зависит только от характеристик движения самого тела.

Например, кинетическая энергия движущегося автомобиля зависит от его массы и скорости. При увеличении скорости кинетическая энергия автомобиля возрастает.

Потенциальная энергия тела определяется его положением и взаимодействием с другими телами системы. Простейший пример - потенциальная энергия тела в гравитационном поле Земли, которая зависит от массы тела и его высоты над поверхностью Земли.

Потенциальная энергия тела в поле тяжести:
\$E_п = mgh\$, где m - масса тела, g - ускорение свободного падения, h - высота поднятия тела.

Другой пример - упруго деформированная пружина, которая обладает потенциальной энергией за счет силы упругости. Чем сильнее сжата или растянута пружина, тем больше ее потенциальная энергия.

Консервативные и неконсервативные силы

Силы, действующие на тело или механическую систему, делят на два типа:

• Консервативные силы
• Неконсервативные силы

Консервативные силы не зависят от формы траектории тела. К ним относятся силы тяжести, упругости, электростатические силы. Работа этих сил складывается в потенциальную энергию.

Неконсервативные силы зависят от траектории, то есть от способа перемещения тела. К ним относятся силы трения, сопротивления. Их работа приводит к потере механической энергии, например, в виде теплоты.

Таким образом, при действии только консервативных сил полная механическая энергия системы сохраняется.

Закон сохранения механической энергии

Одним из важнейших законов механики является закон сохранения механической энергии:

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих консервативными силами, остается неизменной.

Это означает, что при взаимных превращениях кинетической и потенциальной энергии их сумма остается постоянной. Например, при движении тела под действием силы тяжести потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает таким образом, что их сумма не меняется.

Закон сохранения механической энергии позволяет находить неизвестные характеристики движения тел, не прибегая к записи и решению уравнений динамики.

Изменение механической энергии системы

В общем случае, когда на тело или механическую систему действуют как консервативные, так и неконсервативные силы, полная механическая энергия не сохраняется. Происходит ее изменение по следующему закону:

\$ΔE = A_{конс} + A_{неконс}\$

где \$A_{конс}\$ и \$A_{неконс}\$ - работы соответственно консервативных и неконсервативных сил.

Неконсервативные силы приводят к уменьшению полной механической энергии. Чаще всего энергия теряется в виде теплоты.

Например, при торможении движущегося автомобиля под действием силы трения кинетическая энергия преобразуется в тепло, что приводит к нагреву тормозных механизмов и шин.

Превращения энергии при движении тела в поле тяжести

Рассмотрим изменение механической энергии тела, брошенного вертикально вверх в поле тяжести Земли. На тело действуют две силы: сила тяжести и сила реакции опоры.

В начальный момент тело обладает только кинетической энергией, приданной ему при броске. В процессе подъема, когда тело тормозится под действием силы тяжести, кинетическая энергия уменьшается.

Одновременно возрастает потенциальная энергия тела в поле тяжести. В высшей точке траектории скорость тела равна нулю, соответственно, кинетическая энергия становится нулевой, а потенциальная - максимальной.

Затем тело начинает падать, его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая вновь нарастает. В момент удара о Землю тело снова обладает только кинетической энергией равной начальной.

Можно видеть, что при движении тела под действием консервативной силы тяжести полная механическая энергия остается неизменной. Происходят лишь взаимные превращения кинетической и потенциальной форм энергии.

Таким образом, заключаем, что закон изменения (сохранения) механической энергии является фундаментальным законом природы, лежащим в основе движения и взаимодействия тел.

Преобразование механической энергии в тепло

Ранее мы отмечали, что при действии неконсервативных сил трения или сопротивления часть механической энергии теряется и превращается в теплоту. Давайте разберем этот процесс подробнее на конкретном примере.

Рассмотрим движение бруска по горизонтальной поверхности. На брусок действует сила трения Фтр, которая направлена противоположно скорости движения V. Сила трения совершает отрицательную работу, в результате чего происходит уменьшение кинетической энергии бруска:

\$Атр = Фтр \* S = -ΔЕк\$.

Эта работа силы трения идет на разрыв связей между атомами и молекулами поверхностей трения с образованием теплоты Q:

\$Q = Атр = -ΔЕк\$

Таким образом, потерянная бруском кинетическая энергия полностью преобразуется в тепловую энергию.

Влияние трения на механическую энергию системы

Силы трения возникают практически в любых механических системах. Какое влияние оказывает трение на полную механическую энергию?

При наличии трения часть энергии теряется безвозвратно, превращаясь в тепло. Следовательно, с ростом сил трения в системе полная механическая энергия будет уменьшаться быстрее.

Например, в двигателях внутреннего сгорания трение между подвижными деталями приводит к потерям мощности двигателя. Уменьшение трения позволяет повысить КПД и мощностные характеристики.

Сохранение энергии в реальных процессах

В природе не существует абсолютно замкнутых систем. Поэтому может показаться, что закон сохранения энергии нарушается.

Однако это не так - энергия лишь переходит из одних форм в другие и из одних тел или систем тел в другие. Например, химическая энергия топлива в двигателе превращается в кинетическую энергию автомобиля.

Так происходит благодаря универсальному закону сохранения энергии: общая энергия замкнутой системы остается постоянной, меняются лишь ее отдельные формы и их доли в этой системе.

Практическое применение законов сохранения энергии

Понимание закономерностей превращения энергии между различными формами позволяет создавать и оптимизировать машины, механизмы, технологические процессы.

Например, при проектировании электростанций необходимо максимально эффективно преобразовывать химическую энергию топлива в электрическую. А в электромобилях, наоборот, нужно с минимальными потерями превращать запасенную электроэнергию в кинетическую.

Энергосберегающие технологии

Одно из важных практических применений законов сохранения и превращения энергии - разработка энергосберегающих технологий.

Цель таких технологий - максимально снизить потери энергии в процессе преобразований. Например, повышение КПД двигателей, улучшение теплоизоляции зданий, использование энергии солнца и ветра.

Применение энергосберегающих ламп светодиодных ламп вместо ламп накаливания позволяет экономить электроэнергию за счет меньших потерь в виде тепла.

Альтернативные источники энергии

Традиционные источники энергии, такие как ископаемое топливо, со временем истощаются. Поэтому активно ведутся разработки альтернативных возобновляемых источников.

Солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн и приливов - это примеры "зеленых" технологий производства электроэнергии.

Освоение таких источников требует создания новых, более эффективных способов преобразования одних форм энергии в другие с минимальными потерями.

Сохранение энергии в биологических системах

Принцип сохранения энергии проявляется и в биологических системах - растениях и животных.

Углеводы, жиры и другие вещества, образующиеся в процессе фотосинтеза, аккумулируют солнечную энергию. Затем, при дыхании и обмене веществ, эти соединения окисляются с выделением энергии для жизнедеятельности.

Аналогично в мышцах происходит превращение химической энергии питательных веществ в механическую работу сокращения мышц при совершении движений.

Сохранение энергии Вселенной

Согласно современным космологическим представлениям, общая энергия Вселенной остается неизменной, несмотря на эволюцию и круговорот энергии внутри нее.

Суммарная энергия звезд, планет, галактик, межзвездного газа и других объектов Вселенной постоянна и равна нулю. Любые процессы в космических масштабах подчиняются закону сохранения энергии.

Закон сохранения энергии и термодинамика

Термодинамика изучает превращения тепловой и механической форм энергии. Одним из ее основных постулатов является первый закон термодинамики, который фактически является частным случаем общего закона сохранения энергии.

Согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия термодинамической системы изменяется на величину подведенного к системе тепла и совершенной над ней работы.

Применение закона сохранения энергии в ядерной физике

При ядерных реакциях - делении или синтезе атомных ядер - выделяется или поглощается огромное количество энергии в соответствии с законом сохранения.

Например, при делении ядра урана на осколки выделяется энергия, равная разности масс исходного ядра и образовавшихся фрагментов согласно знаменитой формуле Эйнштейна \$E=mc^2\$.

Проявление закона сохранения энергии в электрических цепях

В электрических цепях энергия электрического тока преобразуется в другие формы - тепловую, световую, механическую. Потери энергии главным образом происходят на активных сопротивлениях.

Однако в идеальных элементах цепи (катушки индуктивности, конденсаторы) благодаря явлениям электромагнитной индукции энергия тока сохраняется и перераспределяется между магнитным и электрическим полем.

Значение закона сохранения энергии для физической картины мира

Закон сохранения и превращения энергии является одним из самых общих и фундаментальных законов природы, справедливым для всех процессов в микро-, макро- и мегамире.

Это универсальный принцип, пронизывающий все явления и взаимодействия, происходящие в неживой и живой природе. Поэтому он лежит в основе современной физической картины мира.

Системный подход в изучении закона сохранения энергии

Для понимания действия закона сохранения энергии важно рассматривать любой объект или процесс как систему, состоящую из элементов и связей между ними. Необходим системный подход.

Энергия может перетекать между элементами системы, переходить из одной формы в другую. Но полная энергия замкнутой системы остается неизменной. Это ключевой принцип сохранения.

Закон сохранения энергии и философия

Представление об универсальном законе сохранения и превращения энергии оказало огромное влияние на развитие философской мысли.

Оно стало основанием учения о материальном единстве мира - все процессы вокруг подчинены одним законам перехода из формы в форму единой субстанции - энергии.

Парадоксы закона сохранения энергии

Несмотря на кажущуюся всеобщность, при изучении микромира были обнаружены эффекты, ставящие под вопрос закон сохранения энергии.

Так, согласно квантовой механике, на микроуровне возможно ненулевое значение энергии физического вакуума, ее дополнительное рождение и уничтожение в результате квантовых флуктуаций.

Релятивистские эффекты и закон сохранения энергии

Открытие законов сохранения энергии-импульса в специальной теории относительности показало, что энергия и масса - разные формы одного и того же.

Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна \$E=mc^2\$, масса может переходить в энергию, и наоборот. Это еще раз подтвердило универсальность закона сохранения.

Прогнозы о нарушении закона сохранения энергии

Ряд современных научных гипотез предполагает возможность нарушения закона сохранения энергии в будущем в результате пока неизвестных процессов.

Например, согласно некоторым вариантам теории струн, расширение Вселенной может происходить за счет возникновения дополнительной энергии. Однако экспериментальных подтверждений этому пока нет.