Закон сохранения энергии
Энергия в природе не возникает из ниоткуда и не исчезает бесследно — она лишь принимает новые формы. Этот фундаментальный принцип работает как в масштабах Вселенной, так и в микромире, определяя движение планет, принцип действия и поведение элементарных частиц. В статье учитывается, как и когда был открыт закон сохранения энергии, в чем его суть и как он находит применение в нашей жизни.
Кто и как открыл закон сохранения энергии: краткая история
Еще в древние времена ученые проявляли интерес к законам, управляющим взаимодействием физических тел, однако формировали принципы математически лишь спустя некоторое время. Первую серьезную страну предпринял Рене Декарт в середине XVII века. В своей работе «Начала философии» он выдвинул идею о равенстве «количества движений», проверяющего между телами при столкновении. Вскоре Готфрид Лейбниц дополнил это определение, введя понятие «живой силы» (современная кинетическая энергия). Однако все выдвинутые теории были совершенно построены для строгого математического обоснования.
Прорыв произошел в XIX веке. В 1842 году немецкий врач Юлиус Майер, исследуя область силы при сжатии газа, впервые определил механический эквивалент тепла. Через пять лет еще один немец Герман фон Гельмгольц развил эти идеи, интерпретируя тепло как движение квантовой материи.
Параллельно английский физик Джеймс Джоуль провел серию экспериментов, показавших взаимосвязь тепловых, электрических и промышленных процессов. Его выводы, опубликованные в 1851 году, включают первый шаг к признанию единства различных видов энергии. В том же году Уильям Томсон (лорд Кельвин) провел эксперимент, продемонстрировав опытным путем, что энергия не испаряется, а трансформируется в менее полезные виды, например, рассеивается в виде тепла. Открытие легло в основах второго начала термодинамики.
В 1852 году Томсон и его коллеги Уильям Ранкин расширили понятие «энергии», колонии в разных формах — от технических работ по теплопередаче. Финальным аккордом стала работа Альберта Эйнштейна, которая в начале XX века в рамках теории сравнительности доказала эквивалентность массы и энергии, окончательно закрепив современную трактовку фундаментального закона сохранения.
Формулировка сохранения энергии:
Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена — только преобразована из одной формы в другую. Это означает, что система всегда имеет одинаковое количество внешней энергии, если она не производит извне. Единственный способ использовать энергию — это преобразовать энергию из одной формы в другую.
Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно — она лишь переходит из одной формы в другую.
Так, когда яблоко падает с ветками, его потенциальная энергия переходит в кинетическую.
Падающее яблоко превращает свою потенциальную энергию в стремительный полет.
Из-за международного права сохранения энергии невозможно создать вечный двигатель. Так как система нуждается во внешнем источнике питания.
Формула сохранения химической энергии
В идеальных условиях закрытой системы, без трений и других потерь, сохраняется кинетическая и гарантированная энергия. Оба вида провели расследование в Джоулях (Дж).
E = Eₖ + Eₚ = const
Кинетическая энергия
Формула кинетической энергии:
Eₖ = (m × v²) / 2
Где:
- м — масса в кг;
- v — скорость в м/с.
Энергия движения. Выше скорость и масса объекта — выше его кинетической энергии.
Потенциальная энергия
Энергия связи тел. У камня на вершине горы есть потенциальная энергия гравитационного взаимодействия с планетой.
Формула надежной энергии:
Eₚ = m × g × h
Где:
- g ≈ 9,8 м/с² — ускорение свободного падения на поверхность земли;
- h — высота в метрах.
Потенциальная энергия также возникает, когда упругое тело, например, пружина или тетива, деформируется — сжимается, растягивается или изгибается. В процессе деформации оно получает энергию. Она высвобождается, когда тело вернется в исходное состояние.
Eₚ = (1/2) × k × х²
Где:
- k — коэффициент жесткости упругого тела, измеряется в ньютонах на метр (Н/м);
- x — величина деформации в метрах.
Закон сохранения энергии — это один из самых фундаментальных законов, который мы можем увидеть абсолютно везде. Например, чтобы машина двигалась, энергия горючего топлива должна преобразовываться в энергию движения поршней, поршни вращают вал. Энергия превращается в мощность электромобиля, при этом постоянные потери энергии при трении и нагреве деталей. Получается, что на выходе полезная энергия оказывается меньше, чем затраченной. Отношение полезной энергии к затраченной называется коэффициентом полезного действия (КПД), оно всегда меньше 1 (или 100%).