Сохранение энергии

До сих пор мы рассматривали потенциальную и кинетическую энергию, или виды энергии. Теперь давайте подумаем об общих правилах перехода энергии между потенциальной, или накопленной, и активной, или динамической, как в случае, когда груз движется, падая на землю.

Всеми преобразованиями энергии управляет принцип, именуемый «законом сохранения энергии». Это общий и важный принцип, который утверждает, что во всей природе общее количество энергии системы остается неизменным. В примере с грузом, который мы обсуждали ранее, общая энергия груза не меняется при его падении. Вместо этого, энергия, которую он накопил в виде потенциальной энергии в результате подъема над землей, преобразуется в кинетическую энергию, когда он падает и набирает скорость. Когда груз падает, вся его потенциальная энергия становится кинетической; форма энергии изменяется из кинетической в потенциальную, но ее общее количество остается одним и тем же. Это пример сохранения энергии.

Потенциальная энергия, накопленная грузом при подъеме над землей, определялась из количества затраченной работы, а именно F × D. Когда груз освобождается и падает на землю, происходит, так сказать, распаковка этой запасенной энергии. Потенциальная энергия превращается в кинетическую, которая, согласно закону сохранения энергии, должна быть равной F × D. Иными словами, кинетическая энергия груза mv2/2 вблизи земли равна F × D. Физика утверждает, что это – закон природы; полная энергия груза в поле тяготения должна оставаться одной и той же. Она не может создаваться или уничтожаться.

Когда груз, наконец, оказывается на земле, его кинетическая энергия как будто исчезает. Но это запрещено принципом сохранения энергии. Куда же делась потенциальная энергия, которая превращалась в кинетическую? Мы замечаем лишь место удара груза о землю. Исходя из нашего принципа, мы можем предполагать (и будем правы), что энергия удара должна быть равна количеству энергии, требуемой для нагревания земли, воздуха и груза. Закон сохранения говорит, что тепловая энергия равна кинетической энергии перед самым ударом! Закон сохранения энергии дает нам возможность предсказывать то, что в ином случае мы могли бы быть неспособны предсказывать.

Женщина, которая вносила энергию в систему, поднимая груз, сама теряла энергию. Выполняя свою работу, она затрачивала калории. В конце концов, количество внесенной ею энергии пошло на нагревание окружающей среды. Она не может видеть тепловую энергию, но знает, что ее работа изменяла мир вследствие сохранения энергии. Мир чуть-чуть нагревался. Все, что мы делаем, даже если мы просто идем по улице, влияет на всю Вселенную, используя и преобразуя энергию.

Закон сохранения энергии поразителен. Он говорит, что форма и доступность энергии могут меняться, но суммарное количество энергии остается постоянным.