Conservarea și transformarea energiei
Conceptul de conservare a energiei
O lege fundamentală care s-a observat că ține pentru toate fenomenele naturale necesită conservarea energiei - adică faptul că energia totală nu se schimbă în multe schimbări care apar în natură. Conservarea energiei nu este o descriere a vreunui proces care se desfășoară în natură, ci mai degrabă este o afirmație conform căreia cantitatea numită energie rămâne constantă indiferent de momentul în care este evaluată sau ce procese - inclusiv transformări de energie dintr-o formă în alta - continuați între evaluările succesive.
Legea conservării energiei se aplică nu numai naturii în ansamblu, ci și sistemelor închise sau izolate din natură. Astfel, dacă limitele unui sistem pot fi definite în așa fel încât nici o energie să nu fie adăugată sau eliminată din sistem, atunci energia trebuie conservată în cadrul acelui sistem, indiferent de detaliile proceselor care se desfășoară în limitele sistemului. Un corolar al acestei declarații cu sistem închis este că, ori de câte ori energia unui sistem, determinată în două evaluări succesive, nu este aceeași, diferența este o măsură a cantității de energie care a fost adăugată sau eliminată din sistem în intervalul de timp scurs între cele două evaluări.
Energia poate exista sub mai multe forme într-un sistem și poate fi transformată de la o formă la alta în limitele legii conservării. Aceste forme diferite includ energia gravitațională, cinetică, termică, elastică, electrică, chimică, radiantă, nucleară și de masă. Este aplicabilitatea universală a conceptului de energie, precum și completitudinea legii conservării sale în diferite forme, care îl face atât de atractiv și util.
Transformarea energiei
Un sistem ideal
Un exemplu simplu de sistem în care energia este transformată de la o formă la alta este oferit în aruncarea unei bile cu masa m în aer. Când mingea este aruncată vertical de la sol, viteza și astfel energia sa cinetică scade constant până când se ajunge să se odihnească momentan în punctul cel mai înalt. Se inversează apoi, iar viteza și energia cinetică cresc constant în timp ce revine la sol. Cinetică energie E k mingii în momentul acesta a părăsit solul (punctul 1) a fost de jumătate din produsul masei și pătratul vitezei, sau 1 / 2 mv 1 2, și a scăzut constant la zero la cel mai înalt punct (punctul 2). Pe măsură ce bila se ridica în aer, ea câștiga energie potențială gravitațională E p. Potențialul în acest sens nu înseamnă că energia nu este reală, ci mai degrabă că este stocată într-o formă latentă și poate fi atrasă pentru a lucra. Energia potențială gravitațională este energia care este stocată într-un corp în virtutea poziției sale în câmpul gravitațional. Energia potențială gravitațională a masei m este observată a fi dată de produsul masei, de înălțimea h atinsă în raport cu o anumită înălțime de referință și de accelerația unui corp care rezultă din gravitația Pământului asupra lui sau mgh. În momentul în care mingea a părăsit pământul la înălțimea h 1, energia sa potențială E p1 este mgh 1. La punctul cel mai înalt, potențialul energetic E său p2 este MGH 2. Aplicând legea conservării energiei și asumând nicio frecare în aer, acestea se completează pentru a forma următoarele ecuații:
În acest exemplu idealizate energia cinetică a balonului la nivelul solului, este transformată în lucru în ridicarea mingea h 2 unde energia potențială gravitațională a crescut cu mg (h 2 - h 1). Deoarece mingea revine la nivelul solului h 1, această energie potențială gravitațională este din nou transformată în energie cinetică și energia totală la h 1 din nou, este de 1 / 2 mv 1 2 + MGH 1. În acest lanț de evenimente, energia cinetică a mingii este neschimbată la h 1; astfel munca depusă pe minge de forța gravitației care acționează asupra acesteia în acest ciclu de evenimente este zero. Se spune că acest sistem este unul conservator.
