Закон сохранения энергии — один из фундаментальных принципов физики, утверждающий, что общее количество энергии в замкнутой системе остается постоянным со временем. Этот закон гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она только может преобразовываться из одной формы в другую или передаваться от одного объекта к другому.
Важно понимать, что закон сохранения энергии применим только к замкнутым или изолированным системам, где нет обмена энергией с внешней средой. В реальном мире многие системы не являются полностью изолированными, но закон сохранения энергии остается важным инструментом для анализа физических процессов.
Примеры применения закона сохранения энергии
Механическая энергия: В механике общая энергия (сумма кинетической и потенциальной энергии) в замкнутой системе сохраняется. Например, при свободном падении объекта его потенциальная энергия уменьшается, но кинетическая энергия увеличивается на такую же величину.
Термодинамика: В термодинамике закон сохранения энергии часто выражается через первый закон термодинамики, который утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме теплопередачи в систему и работы, совершенной над системой.
Электромагнетизм: В электродинамике энергия электромагнитного поля сохраняется, и она может преобразовываться в другие формы энергии, например, в тепло или механическую работу.
Закон сохранения энергии гласит, что энергию нельзя создать или разрушить, ее можно только преобразовать из одной формы в другую.
Работа, проделанная над телом, производит изменения его кинетической и потенциальной энергии. Следовательно, количество работы равно изменению его содержания энергии. Так как работа изменяет его уровень энергии, энергию можно определить как количество работы, которая содержится в веществе. Например, всякий раз, когда работа придает телу движение, изменяет его направление или форму, часть работы преобразуется в энергию, которая сохраняется в его молекулярной структуре. Ее можно использовать позже. В дополнение к этим внешним, или механическим, видам энергии, тело также обладает энергией во множестве внутренних форм. Внутренняя энергия сохраняется в молекулярной структуре вещества, и при некоторых обстоятельствах она освобождается и производит работу. Электрическая, химическая, тепловая и ядерная энергия — это виды внутренней энергии, которые вносят вклад в общее содержание энергии в веществе.
На фото Закон сохранения энергии
Работа, внешняя энергия и внутренняя энергия взаимозаменяемы. Независимо от того, какой вид энергии сохранен в теле, все они взаимозаменяемы, их можно преобразовать из одного вида в другой в результате различных процессов. Например, электрическую энергию можно преобразовать в тепловую в нагревателе картера компрессора, в элементах тепловой перегрузки стартера двигателя или в лампе накаливания. Электрическая энергия также преобразуется в механическую в электрических двигателях, соленоидах, катушках реле и подобных электромеханических устройствах.
Точно так же механическая, химическая и тепловая энергия преобразуется в электрическую в генераторах, батареях и термоэлементах соответственно. Химическая энергия преобразуется в тепловую в результате реакции окисления и горения. И это только некоторые из многочисленных способов преобразования энергии в другие полезные формы.
Термодинамика — это изучение связанных с энергией свойств вещества и процессов. В частности, термодинамика определяет количество изменений энергии, которые происходят при передаче теплоты от одного тела к другому. Ее также интересуют изменения, которые происходят при преобразовании теплоты в работу. Некоторые процессы нашли применение в области отопления, холодильной техники и кондиционирования воздуха и изменяют внутреннюю энергию вещества — сжатие и расширение паров, изменение состояния от твердого до жидкого и от жидкого до пара, горение топлива и теплообмен. В следующем разделе описаны свойства и процессы, связанные с изменением внутренней энергии вещества. Данная информация важна для развития понимания процессов, которые происходят в цикле охлаждения.
Закон сохранения кинетической энергии
Закон сохранения кинетической энергии — это принцип в физике, который утверждает, что в замкнутой системе, где действуют только консервативные силы (такие как гравитация или упругие силы), общая кинетическая энергия системы остается постоянной, если не происходит преобразование энергии в другие формы, такие как тепло или потенциальная энергия.
Этот закон часто применяется в механике, особенно в изучении столкновений:
Упругие столкновения: В упругих столкновениях как кинетическая энергия, так и импульс системы сохраняются. Примером могут служить сталкивающиеся бильярдные шары, где суммарная кинетическая энергия до и после столкновения одинакова.
Неупругие столкновения: В неупругих столкновениях сохраняется общий импульс, но кинетическая энергия не сохраняется. Часть энергии преобразуется в другие формы, например, в тепло или внутреннюю энергию деформированных тел. Пример — столкновение автомобилей, при котором они деформируются.
Важно отметить, что закон сохранения кинетической энергии строго применим только в идеализированных условиях, где можно пренебречь такими факторами, как трение, сопротивление воздуха и другие не консервативные силы. В реальных условиях эти факторы приводят к тому, что часть кинетической энергии преобразуется в другие формы энергии, не являющиеся кинетической.
Земля окружена атмосферой, которая простирается вверх от ее поверхности на расстояние приблизительно 80 км. Так как воздух — это тело, у которого есть масса, он подвержен притяжению Земли, следовательно, он производит давление на ее поверхность. Такое давление известно как атмосферное давление. Сила (вес) одного столба воздуха со стороной сечения в один дюйм на уровне моря — 14,696 lbf. Следовательно, давление атмосферы на уровне моря — 14,696 lbf/in^2 (psi). Эту постоянную обычно округляют до 14,7 psi. Сила давления на один квадратный метр вогздуха на уровне моря — 101,3 кПа или Н/м^2.
Атмосферное давление непостоянно, оно зависит от изменения температуры, влажности и других условий. Так как высота столба воздуха уменьшается при подъеме, атмосферное давление изменяется обратно пропорционально высоте. Если высота увеличивается, давление воздуха уменьшается. В следующих подразделах рассказывается об инструментах, которыми измеряют давление.
Импульс относится к движущемуся телу. Он равен массе тела, умноженной на его скорость. Из-за данных отношений требуется больше силы, чтобы остановить тяжелое тело, чем более легкое. Импульс — это также векторная величина, так как она зависит от изменения скорости тела.
Законы Ньютона основаны на общем законе сохранения энергии, который гласит, что при любом взаимодействии двух или более тел импульс сохраняется. Следовательно, масса, умноженная на скорость каждого тела, равняется нулю. У тел, скорость которых увеличивается, импульс положительный, а у тех, которые замедляются или останавливаются, отрицательный. Изменения направления движения тела также включаются в уравнение перед суммированием импульсов.
Ускорение
Ускорение (а) это изменение скорости тела. Тела при движении часто изменяют скорость и импульс под действием внешних сил. Движение с переменной скоростью называется движением ускорения. Как скорость и импульс, ускорение также векторная величина. Ускорение положительное, если скорость тела увеличивается, и отрицательное, если скорость уменьшается.
Вектор скорости (v) — это расстояние, которое тело проходит в определенном направлении за единицу времени. Обратите внимание, что определение вектора скорости очень похоже на определение скорости, за исключением одного важного различия: скорость тела не указывает направление движения, а вектор скорости тела указывает и скорость, и направление движения. Следовательно, необходимы две переменные, которые описывают вектор скорости тела: скорость и направление. Физические величины, у которых есть значение и направление, называют векторными величинами.
Вектор скорости тела может время от времени изменяться. Если или его скорость, или направление изменяются, скорость тела также меняется. Постоянный вектор скорости подразумевает неизменную скорость и неизменное направление, тогда как термин «постоянная скорость» подразумевает только неизменное значение, не принимая во внимание направление. Термин «вектор скорости» часто используется попеременно с термином «скорость». Они оба выражают расстояние, которое тело проходит в единицу времени.
Земля окружена атмосферой, которая простирается вверх от ее поверхности на расстояние приблизительно 80 км. Так как воздух — это тело, у которого есть масса, он подвержен притяжению Земли, следовательно, он производит давление на ее поверхность. Такое давление известно как атмосферное давление. Сила (вес) одного столба воздуха со стороной сечения в один дюйм на уровне моря — 14,696 lbf. Следовательно, давление атмосферы на уровне моря — 14,696 lbf/in^2 (psi). Эту постоянную обычно округляют до 14,7 psi. Сила давления на один квадратный метр вогздуха на уровне моря — 101,3 кПа или Н/м^2. 
Импульс относится к движущемуся телу. Он равен массе тела, умноженной на его скорость. Из-за данных отношений требуется больше силы, чтобы остановить тяжелое тело, чем более легкое. Импульс — это также векторная величина, так как она зависит от изменения скорости тела. 
Вектор скорости (v) — это расстояние, которое тело проходит в определенном направлении за единицу времени. Обратите внимание, что определение