Закон сохранения энергии. Виды энергии и особенности

Закон сохранения энергии трактуется следующим образом: энергетическая субстанция не возникает из ничего и не уничтожается полностью. При взаимодействии различных систем и объектов она лишь переходит из одной своей формы в другую.

Как понимается закон сохранения энергии на системном уровне

Суть этой закономерности при ее представлении в обобщенной форме заключается в том, что любая замкнутая система всегда обладает фиксированным запасом энергии определенного вида.

Это утверждение справедливо лишь в тех случаях, когда к ней ничего не добавляется извне и не расходуется в виде работы.

Из нее также следует, что использовать эти накопления можно только путем их преобразования в другую, удобную для превращения форму.

Если считать нашу Вселенную замкнутой системой – общий запас ее энергии не может увеличиваться или уменьшаться, поскольку каналов дополнительной «подкачки» или оттока не существует. Отметим также, что эта закономерность непосредственно связана с понятием массы вещества.

Как был открыт закон сохранения энергии

В начале прошлого века великий ученый Альберт Эйнштейн доказал, что масса любого вещества – это одна из форм энергии вообще (закон эквивалентности). Свое открытие он представил в виде известной всему миру формулы:

E=mC²

Здесь E – это энергия вещества с массой m, а C – скорость света в вакууме.

Из открытого А. Эйнштейном закона следовало, что поскольку масса изолированного от внешних воздействий вещества со временем не меняется – запас его энергии также остается постоянным.

С учетом того, что скорость света – величина фиксированная (она равняется 300 000 км в секунду), то ее можно рассматривать как коэффициент пропорциональности между энергией и массой. Отсюда следует вывод об эквивалентности этих двух характеристик любого материального предмета. То есть говоря о массе вещества, всегда подразумевают его энергию и наоборот.

Различные виды энергии, существующие во Вселенной

В зависимости от того, каким образом энергетическая субстанция трансформируется в полезную работу, она подразделяется на следующие виды:

Кинетическая и потенциальная механическая энергии.
Электрическая, электромагнитная и ядерная разновидности.
Тепловая энергия.

Каждая из этих разновидностей реализуется в виде работы, совершаемой соответствующим материальным телом или переносчиком энергетической субстанции.

Кинетическая и потенциальная энергии

Первая форма – это тот энергетический запас, который имеют объекты, движущиеся с заданной линейной или угловой скоростью. При их разгоне проделывается определенная работа, совершаемая за счет расхода другого вида энергии. А она, в свою очередь, может расходоваться на превращение, например, в тепловую форму, получаемую вследствие торможения о твердую поверхность, воздух или другую плотную среду.

Под второй разновидностью понимается тот запас возможностей по совершению определенной работы, которую имеют объекты потенциально. Она может проявляться в виде гравитационной энергии и как упругая сила сжатой пружины, например. Гравитационной потенциальной энергией обладают предметы, поднятые над уровнем Земли на определенную высоту. Чем больше их собственная масса и чем выше они приподняты – тем больше будет их энергетический потенциал.

Упругая энергия определяется внутренним состоянием тел с пластичной структурой составляющего их материала. В качестве характерного примера чаще всего приводится резиновая губка, проявляющая свои упругие свойства при принятии ей начальной формы. В обоих случаях для пополнения запаса потенциальной энергии предварительно проделывается определенная работа (тело поднимается на определенную высоту, а резина – сжимается).

Скрытые от человека формы

Электрическая, э/м и ядерная форма энергии характеризуются недоступностью для наблюдателя, поскольку обнаружить их удается только по результатам проделанной ими работы. В этом случае реализуются отработанные механизмы превращения различных ее разновидностей (включая механическую, потенциальную и кинетическую) в электричество, широко применяемое для пользы человека.

К наиболее универсальным видам превращений, к которым применим закон сохранения энергии, относятся следующие:

Трансформация механического движения (вращения) в электричество.
Превращение электрической энергии в тепло или свет (э/м разновидность).
Трансформация скрытых ядерных сил в тепловую форму.
Преобразование запаса электричества в полезную механическую работу.

То есть между всеми разновидностями энергетических субстанций, включая видимые формы, существует обратимая связь.

Первый вид превращений реализуется с помощью турбин гидроэлектростанций (ГРЭС), а со вторым его проявлением мы сталкиваемся ежедневно, включая осветительную лампочку или электропечь.

Zakon sokhraneniia energii 2

Превращения этих видов энергии также имеют обратное действие. Так, например, выделяемое термальными источниками тепло может заставить вращаться турбины, вырабатывающие электрический ток. Самый наглядный пример таких превращений – работа тепловых и атомных электростанций.

Природные источники энергии

Закон сохранения энергии действителен и для природных запасников, где она хранится в разнообразных формах. В качестве примера могут быть рассмотрены следующие элементы и энергоемкие объекты:

Термальные источники.
Углеводороды.
Торфяные залежи.
Урановые руды и т. п.

На каждую из этих разновидностей распространяется закон сохранения энергии, которая может только превращаться в другой вид, не исчезая бесследно.

Тепло термальных источников и сгорающих торфяных запасов идет на обогрев жилищ или на вращение турбин генераторов электричества. Углеводороды при сгорании образуют большое количество тепловой энергии, которая расходуется на вращение маховиков ДВС, на готовку пищи и обогрев помещений. Урановые руды после их обогащения и дополнительной переработки служат топливом в атомных электростанциях, где они превращаются с начала в тепло, а затем – в электричество.

То есть и в этих случаях закон сохранения энергии действует без каких-либо исключений. Совершаемая работа расходуется на поддержание комфортных условий жизни человека, а также на полезные действия по перевозке грузов или пассажиров. При этом энергия никуда не исчезает, а только превращается в другую форму.

Следствия действия закона сохранения энергии

Одно из наиболее полезных и интересных следствий действия закона сохранения энергии – невозможность получения вечного двигателя 1 рода. В более доступной форме этот вывод можно представить в виде следующих утверждений:

Любая энергетическая система в неизолированном состоянии не может работать бесконечно долго.
Для ее функционирования необходима внешняя подкачка энергии в том или ином ее виде.
Ее поступление должно происходить постоянно.

Эти утверждения справедливы для любых видов энергии и для всех существующих разновидностей преобразовательных процессов.

Характерный пример попыток изобрести Вечный Двигатель – создание гигантского маятника, который за счет эффекта инерционности (большой массы) мог бы раскачиваться бесконечно. Со временем выяснилось, что реализовать этот проект в окружающих условиях невозможно из-за наличия сил трения о воздух, в частности. Кроме того, какой бы качественный подвес не был устроен для гигантского маятника – на силу трения соприкасающихся частей все равно будет тратиться какая-то часть энергии. Все это приведет к постепенному уменьшению амплитуды его колебаний, а затем и к полной остановке.

Как действует закон сохранения энергии для ее различных видов в быту

По общепринятой классификации под кинетической механической энергией понимается ее форма, принадлежащая движущемуся с определенной скоростью объекту. Ее особенность заключается в том, что это единственный ее вид, который человек может наблюдать визуально. Все остальные разновидности энергии проявляются косвенно или в скрытой форме. Механическое движение не обязательно должно быть линейным; к нему, например, также относится и вращение ротора двигателя.

Разновидности кинетической формы энергии, с которыми мы постоянно сталкиваемся в быту, это:

Движение любого предмета или объекта (лифта, автомобиля и т. п.).
Поворот ручки и открытие двери.
Вдохи и выдохи нашего организма.
Операции по забиванию гвоздей и чистке ковров.
Езда на самокате или велосипеде.
Набор текстов на клавиатуре.
Прослушивание музыкальных программ и т.п.

Нередко две разновидности механической энергии (потенциальная и кинетическая) сочетаются в одном действии. Так, шар боулинга при его поднятии получает определенный гравитационный потенциал. В случае его броска он дополнительно к этому приобретает заранее рассчитанный запас кинетической энергии. Причем и тот, и другой расходуются затем на разбитие и нагревание кеглей (то есть на превращение в другой вид).

С электрической, электромагнитной и тепловой формами проявления каждый из нас сталкивается повседневно при включении лампочки и разогреве пищи в СВЧ печи, например. Первые две, в частности, при совершении работы превращаются в тепловую форму, поддерживающую жизнедеятельность организма (его внутреннюю жизненную силу). Закон сохранения энергии действует в быту также неукоснительно и повсеместно, как и в других жизненных ситуациях.