Суть закона сохранения энергии в том, что она не может появляться просто так и пропадать, не может быть создана, уничтожена, но может быть преобразована, в другой вид, и её количество при этом сохраняется.
Объяснение сути закона сохранения энергии
Для человека определенное количество пищи необходимо каждый день, чтобы чувствовать себя хорошо. Мы едим, потому что пища, которую мы потребляем, обеспечивает нас энергией, поскольку она расщепляется внутри нашего тела.
Эта способность совершать работу в конечном счете поступает от солнца, и растения превращают ее в химическую энергию, которую мы затем употребляем в пищу. Даже если вы просто едите других животных, растения все равно являются частью вашего рациона, потому что где-то в пищевой цепочке что-то или кто-то съел растение.
В этом смысле энергия Солнца, первоначально поступившая от светила за счёт термоядерной реакции, преобразуется и передается через биологическую систему Земли. Что удивительно, так это то, что это количество энергии всегда одно и то же — нет никакого создания или разрушения её, когда она проходит через систему. Когда животное ест растение, оно забирает эту энергию в свое тело. Если это животное съедает другое животное, энергия от растения передается еще раз. Второе животное не «производит» новую энергию; оно просто передает ее дальше.
Когда животное умирает, оно возвращает эту энергию обратно в землю, перерабатывая ее через всю земную систему в еще одной форме. На самом деле, для любой системы общее количество способности совершать работу никогда не увеличивается и не уменьшается — оно только меняет форму. Это утверждение определяет закон сохранения энергии и применимо ко всем видам энергии.
Что именно мы подразумеваем под системой? Это ситуация, когда не действуют никакие внешние силы. Система может представлять собой несколько разных вещей. В небольшом масштабе система может быть чем-то таким же простым, как качающийся маятник. В очень больших масштабах система может быть взрывающейся звездой. Независимо от того, насколько мала, средняя или большая система, ее способность совершать работу может меняться местами или формами, но суть закона сохранения энергии в том, что её количество остается неизменным.
Охрана энергии в действии
Механическая энергия бывает в двух основных формах: потенциальная, которая является накопленной, и кинетическая энергия, которая является способностью к движению.
Потенциальная энергия названа таковой, потому что она обладает потенциалом для выполнения работы. Сидеть на вершине горки, стоять на вершине горнолыжного склона и стоять на краю трамплина для прыжков в воду — все это примеры потенциальной. Вы еще не двигаетесь, но у вас есть потенциал для этого.
Как только вы спускаетесь с горки, лыжного склона или переваливаетесь через край трамплина для прыжков в воду, эта энергия преобразуется из потенциальной в кинетическую. Это происходит потому, что вы сейчас находитесь в движении, и энергия изменилась с потенциального выполнения работы на фактическое выполнение работы.
В этих сценариях вы являетесь системой, и ваша энергия преобразуется из потенциальной в кинетическую, когда вы приводите себя в движение. Если вы остановитесь в конце горки, холма или в воде, кинетическая преобразуется обратно в потенциальную, потому что вы перестали двигаться. Независимо от того, где вы находитесь в этих ситуациях, количество энергии наверху, через движение, и внизу одинаково — это просто выглядит немного по-другому.
Итак, сохранение механической энергии можно записать в виде:
KE + PE = const (если это изолированная система которая не взаимодействует со своим окружением, то есть ее общая энергия и масса остаются постоянными).
- КЕ — потенциальная;
- КЕ – кинетическая.
Хотя по сути закона сохранения энергии — она не может быть создана или уничтожена в изолированной системе, но может быть внутренне преобразована в любую другую форму.
В системе, которая испытывает только консервативные силы, существует потенциальная энергия, связанная с каждой силой, и меняет форму только между KE и различными типами PE, при этом общая энергия остается постоянной. В этом суть закона сохранения энергии.
Простое доказательство изменения энергии
Если мяч подбросить, то когда мяч будет наверху, то будет большое количество потенциальной энергии, потому что мяч был высоко и не двигался.
Если позволить мячу катиться вниз по склону, эта потенциальная энергия (потенциал для выполнения работы) становится кинетической энергией (выполнения работы).
- На протяжении всего падения потенциальная энергия становится все меньше и меньше, а кинетическая становится все больше и больше.
- В нижней части кинетическая энергия очень высока, а потенциальная очень мала.
Таким образом, суть закона сохранения энергии в её неизменном количестве и преобразовании из одного вида в другой.