שימור אנרגיה ושינוי
הרעיון של שימור אנרגיה
חוק יסוד שנצפה כמי שמאפשר לכל תופעות הטבע מחייב שמירה על אנרגיה - קרי, כי האנרגיה הכוללת אינה משתנה בכל השינויים הרבים המתרחשים בטבע. שימור האנרגיה אינו תיאור של שום תהליך שמתרחש בטבע, אלא זו אמירה שהכמות הנקראת אנרגיה נשארת קבועה ללא קשר למועד הערכה שלה או אילו תהליכים - אולי כולל טרנספורמציות של אנרגיה מצורה אחת לאחרת - המשך בין הערכות רצופות.
חוק שימור האנרגיה מיושם לא רק על הטבע בכללותו אלא גם על מערכות סגורות או מבודדות בתוך הטבע. לפיכך, אם ניתן להגדיר את גבולות המערכת בצורה כזו שאף אנרגיה לא מתווספת למערכת או מוסרת אותה, אזי יש לשמור על אנרגיה בתוך אותה מערכת ללא קשר לפרטי התהליכים המתרחשים בגבולות המערכת. הסבר להצהרת המערכת הסגורה הזו הוא שבכל פעם שהאנרגיה של מערכת כפי שנקבעה בשתי הערכות רצופות אינה זהה, ההבדל הוא מדד לכמות האנרגיה שנוספה או הוסרה מהמערכת במערכת מרווח זמן שחלף בין שתי ההערכות.
אנרגיה יכולה להתקיים בצורות רבות בתוך מערכת והיא עשויה להיות מומרת מצורה אחת לאחרת במסגרת מגבלת חוק השימור. צורות שונות אלה כוללות אנרגיה כבידתית, קינטית, תרמית, אלסטית, חשמלית, כימית, קורנת, גרעינית ומסה. תחולתו האוניברסלית של מושג האנרגיה, כמו גם שלמות החוק לשימורו בצורות שונות, היא זו שהופכת אותו למושך ושימושי כל כך.
טרנספורמציה של אנרגיה
מערכת אידיאלית
דוגמה פשוטה למערכת בה ממירים אנרגיה מצורה אחת לאחרת ניתנת בהזרקת כדור עם מסה m לאוויר. כאשר הכדור נזרק אנכית מהקרקע, מהירותו ובכך האנרגיה הקינטית שלו יורדת בהתמדה עד שהוא מגיע לרגע לרגע בנקודה הגבוהה ביותר. לאחר מכן הוא הופך את עצמו, ומהירותו והאנרגיה הקינטית שלו מתגברת בהתמדה כאשר היא חוזרת לקרקע. ה- E האנרגיה הקינטית k של הכדור ברגע זה עזב את הקרקע (נקודת 1) היה חצי מכפלת המסה והכיכר של המהירות, או 1 / 2 MV 1 2, ו התמתן לאפס בנקודה הגבוהה ביותר (נקודה 2). כאשר הכדור עלה באוויר, הוא צבר אנרגיה פוטנציאלית כבידתית E p. פוטנציאל במובן זה לא אומר שהאנרגיה אינה אמיתית, אלא שהיא מאוחסנת בצורה סמויה כלשהי וניתן לשאוב אותה לעבודה. אנרגיה פוטנציאלית כבידתית היא אנרגיה האגורה בגוף מתוקף מיקומה בשדה הכבידה. האנרגיה הפוטנציאלית הכבידה של מסה מ 'ניתנת כתוצאה מתוצר המסה, הגובה שהושג ביחס לגובה התייחסות כלשהו, והתאוצה g של גוף הנובעת מכוח הכבידה שמושך עליו, או mgh. ברגע שהכדור יצא מהקרקע בגובה h 1 האנרגיה הפוטנציאלית שלו E p1 היא mgh 1. בנקודה הגבוהה ביותר, האנרגיה הפוטנציאלית שלה E p2 היא mgh 2. החלת חוק שימור האנרגיה והנחת חיכוך באוויר, אלה מסתכמים בכדי ליצור את המשוואות הבאות:
בדוגמה אידיאלית זו האנרגיה הקינטית של הכדור בגובה הקרקע מומרת לעבודה בהעלאת הכדור ל- h 2 שם האנרגיה הפוטנציאלית הכבידה שלו הוגדלה ב- mg (h 2 - h 1). כשהכדור נופל חזרה לקרקע רמת h 1, אנרגיה פוטנציאלית כבידתית זה בחזרה הופכת לאנרגיה קינטית ואנרגיה הכולל שלה ב h 1 שוב הוא 1 / 2 MV 1 2 + MGH 1. בשרשרת אירועים זו האנרגיה הקינטית של הכדור אינה משתנה ב- h 1; כך העבודה שנעשית על הכדור על ידי כוח הכובד הפועל עליו במחזור אירועים זה היא אפס. מערכת זו אומרת שהיא שמרנית.
