Energijos išsaugojimo dėsnis — fizikos principas ir apibrėžimas

Sužinokite energijos išsaugojimo dėsnį: apibrėžimas, pavyzdžiai, termodinamika ir matematinis bei filosofinis paaiškinimas. Aiškiai ir suprantamai.

Autorius: Leandro Alegsa

01-01-2026 20:37

Šiame straipsnyje kalbama apie fizikos energijos išsaugojimo dėsnį. Apie tvariai naudojamus energijos išteklius žr: Energijos tausojimą.

Fizikoje energijos išsaugojimo principas reiškia, kad energija negali būti sukurta ar sunaikinta, ji gali būti tik pakeista iš vienos formos į kitą, pavyzdžiui, kai elektros energija virsta šilumos energija. Formaliai tai reiškia, kad bendras energijos kiekis izoliuotoje sistemoje išlieka pastovus, nors gali keistis, pavyzdžiui, dėl trinties kinetinė energija virsta šilumine energija. Termodinamikoje pirmasis termodinamikos dėsnis - tai teiginys apie energijos išsaugojimą termodinaminėse sistemose.

Tai reiškia, kad energija gali būti perduodama tarp sistemos dalių arba paverčiama kitomis jos formomis, bet bendras energijos kiekis už sistemos ribų nesikeičia, jei sistema yra tikrai izoliuota. Praktikoje visiškai izoliuotos sistemos yra idealizacija; realiose sistemose energija gali išeiti arba įeiti per ribas (pvz., šilumos mainai, darbas, masės srautas).

Matematiniu požiūriu energijos išsaugojimo dėsnis yra laiko poslinkio simetrijos pasekmė; energijos išsaugojimas yra empirinio fakto, kad fizikos dėsniai nesikeičia kartu su pačiu laiku, pasekmė. Filosofiniu požiūriu tai galima teigti taip: "niekas nepriklauso nuo laiko per se (paties laiko)".

Kas yra energijos formos ir pavyzdžiai

Energija pasireiškia daugeliu formų. Svarbiausios formos ir tipiniai pavyzdžiai:

Kinetinė energija – judančio kūno energija (pvz., važiuojantis automobilis, skriejančios dalelės);
Potencinė energija – susijusi su padėtimi arba deformacija (pvz., iškelto svorio gravitacinė potencialinė energija, suspausto spyruoklės energija);
Vidinė (šiluminė) energija – molekulių judėjimo ir tarpusavio sąveikų energija termodinaminėse sistemose;
Cheminė energija – saugoma cheminėse jungtyse (pvz., kuras, maistas);
Elektrinė ir magnetinė energija – susijusi su lauko ir krūvių išsidėstymu;
Radiacinė energija – elektromagnetinės spinduliuotės energija (pvz., saulės spinduliai);
Branduolinė energija – susijusi su atominių branduolių masių ir sąveikų pokyčiais (E = mc² panaudojimas).

Matematinis ir teorinis pagrindas

Formaliai energijos išsaugojimas dažnai išreiškiamas taip: bendras sistemos energijos pokytis lygus sistemai perduotam darbui ir šilumos kiekiui. Termodinamikos pirmasis dėsnis rašomas paprastai kaip ΔE = Q − W (arba kitaip priklausomai nuo signatūros), kur ΔE – sistemos energijos pokytis, Q – į sistemą įeita šiluma, W – sistemos atliktas darbas.

Fizikinėje teorijoje Noether teorija rodo, kad laiko poslinkio simetrija (fizikos dėsnių nepakeičiamumas laiko poslinkiu) duoda išsaugomą dydį, kurį identifikuojame su energija. Praktiškai izoliuotai sistemai tai reiškia dE_total/dt = 0.

Praktiniai pavyzdžiai ir įtaka

Pendulo atveju kinetinė energija periodiškai virsta potencialine ir atgal — be trinties bendras mechaninės energijos kiekis išlieka pastovus.
Automobilio stabdymas: kinetinė energija virsta šiluma stabdžių sistema ir trinties metu.
Elektros generatoriuje mechaninė energija paverčiama elektros energija naudojant magnetinius laukus.
Cheminės reakcijos (pvz., degimas) paverčia cheminę energiją į šilumą ir darbą; branduolinės reakcijos gali atlaisvinti didelius energijos kiekius, pakeisdamos masę į energiją pagal E = mc².

Ribotumai, išimtys ir sudėtingesnės situacijos

Nors energijos išsaugojimas yra vienas iš pagrindinių fizikos principų, jo taikymas reikalauja aiškiai apibrėžtos sistemos: jei sistema nėra izoliuota, energija gali kirsti sistemos ribas. Taip pat yra teorinių sričių, kuriose klausimas apie „bendrą energiją“ tampa sudėtingesnis:

Bendrovisosios reliatyvumo teorija: lokali energijos ir momento išsaugojimo sąlyga egzistuoja (sąlyga, kad stres-energijos tenzoriaus divergencija lygi nuliui), tačiau globalaus energijos kiekio apibrėžimas bendrame Kosmose (ypač besiplečiančiame Visatoje) nėra visuomet vienareikšmis;
Kvantinė lauko teorija ir kreivas erdvė-laikas: kvantiniai efektai gali lemti dalelių sukūrimą iš lauko (pvz., Haukino spinduliuotė juodųjų skylių atveju arba drugelio sukurtojo spausdinimo efektai), kas verčia tiksliai apibrėžti, kuriame „rėme“ ir kokiomis sąlygomis galioja tradicinis energijos išsaugojimas.

Matuoklė ir vienetai

Energija tarptautiniuose vienetuose matuojama džulais (J). Kitose srities kontekstuose naudojami ir kiti vienetai (ev elektronvoltais dalelių fizikoje, kWh energetikoje ir pan.).

Santrauka: energijos išsaugojimo dėsnis teigia, kad izoliuotoje sistemoje bendras energijos kiekis išlieka pastovus — energija gali keistis formomis ir būti perduodama, bet negali būti sukurta arba sunaikinta. Tai empirinis ir teorinis pagrindas daugeliui fizikos, inžinerijos ir technologijų sričių, nors taikymas reikalauja aiškiai apibrėžtos sistemos ir kartais susiduria su sudėtingais klausimais teorinėje fizikoje.

Istorinė informacija

Senovės filosofai, dar Talis iš Mileto, manė, kad egzistuoja kažkokia pagrindinė medžiaga, iš kurios viskas sudaryta. Tačiau tai nėra tas pats, kas šiandieninė "masės ir energijos" sąvoka (pavyzdžiui, Talis manė, kad pagrindinė medžiaga yra vanduo). 1638 m. Galilėjus paskelbė kelių situacijų analizę. Tarp jų buvo ir garsioji "nutrūkusi švytuoklė". Ją galima apibūdinti (modernizuota kalba) kaip konservatyvų potencialios energijos pavertimą kinetine energija ir atgal. Tačiau Galilėjus šio proceso nepaaiškino šiuolaikiniais terminais, be to, jis nesuprato ir šiuolaikinės sąvokos. Vokietis Gotfrydas Vilhelmas Leibnicas (Gottfried Wilhelm Leibniz) 1676-1689 m. pabandė matematiškai suformuluoti energijos rūšį, kuri susijusi su judėjimu (kinetinė energija). Leibnicas pastebėjo, kad daugelyje mechaninių sistemų (iš kelių masių, m, kurių _ikiekvienos greitis v _i),

∑ i m i v i 2 {\displaystyle \sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}} $\sum _{i}m_{i}v_{i}^{2}$

išliko tol, kol masės nesąveikavo. Šį dydį jis pavadino vis viva arba gyvąja sistemos jėga. Šis principas yra tikslus apytikslio kinetinės energijos išsaugojimo teiginys tais atvejais, kai nėra trinties.

Tuo tarpu 1843 m. Jamesas Prescottas Joule'as, atlikdamas keletą eksperimentų, savarankiškai atrado mechaninį ekvivalentą. Garsiausiame, dabar vadinamame "Džulio aparatu", prie virvelės pritvirtintas krentantis svoris privertė vandenyje panardintą irklą suktis. Jis įrodė, kad gravitacinė potencinė energija, kurią praranda krintantis svoris, yra maždaug lygi šiluminei energijai (šilumai), kurią vanduo įgyja dėl trinties su irklu.

1840-1843 m. panašų darbą atliko inžinierius Ludwigas A. Coldingas, nors už jo gimtosios Danijos ribų jis buvo mažai žinomas.

Džaulio prietaisas mechaniniam šilumos ekvivalentui matuoti. Prie virvelės pritvirtintas krentantis svoris verčia irklą vandenyje suktis

Įrodymas

Nesunku pastebėti, kad

E = K E + P E {\displaystyle E=KE+PE} $E=KE+PE$

kuris taip pat yra

E = 1 2 m v 2 + V {\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}+V} $E={\frac {1}{2}}mv^{2}+V$

E = 1 2 m x ′ 2 + V ( x ) {\displaystyle E={\frac {1}{2}}}mx'^{2}+V(x)} $E={\frac {1}{2}}mx'^{2}+V(x)$

Darant prielaidą, kad x ′ ( t ) {\displaystyle x'(t)} $x'(t)$ ir kad x ( t ) {\displaystyle x(t)} $x(t)$ tada

d E d t = ∂ E ∂ x ′ d x ′ d t + ∂ E ∂ x d x d t {\displaystyle {\frac {dE}{dt}}}={\frac {\frac {\partial E}{\partial x'}}{\frac {dx'}{dt}}}+{\frac {\partial E}{\partial x}}{\frac {dx}{dt}}}} ${\frac {dE}{dt}}={\frac {\partial E}{\partial x'}}{\frac {dx'}{dt}}+{\frac {\partial E}{\partial x}}{\frac {dx}{dt}}$

d E d t = ( m x ′ ) ( x ″ ) - F x ′ {\displaystyle {\frac {dE}{dt}}}=(mx')(x'')-Fx'} ${\frac {dE}{dt}}=(mx')(x'')-Fx'$

(Kadangi V ′ ( x ) = - F {\displaystyle V'(x)=-F} $V'(x)=-F$ )

d E d t = F x ′ - F x ′ = 0 {\displaystyle {\frac {dE}{dt}}}=Fx'-Fx'=0} ${\frac {dE}{dt}}=Fx'-Fx'=0$

Todėl energija laikui bėgant nekinta.

Susiję puslapiai

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Koks yra energijos išsaugojimo dėsnis fizikoje?

A: Energijos išsaugojimo fizikoje dėsnis teigia, kad energija negali būti sukurta ar sunaikinta, ji gali būti tik pakeista iš vienos formos į kitą.

K: Ar energija gali keisti savo formą?

A: Taip, energija gali keistis iš vienos formos į kitą.

K: Koks yra bendras energijos kiekis izoliuotoje sistemoje, remiantis šiuo dėsniu?

Atsakymas: Bendras energijos kiekis izoliuotoje sistemoje išlieka pastovus, nors ir gali keisti pavidalus.

K: Koks yra pirmasis termodinamikos dėsnis?

A: Pirmasis termodinamikos dėsnis yra termodinaminių sistemų energijos išsaugojimo teiginys.

K: Kokiu matematiniu požiūriu vertinamas energijos išsaugojimo dėsnis?

A: Matematiniu požiūriu energijos išsaugojimo dėsnis yra laiko poslinkio simetrijos pasekmė.

K: Kodėl energijos išsaugojimo dėsnis yra empirinio fakto rezultatas?

Atsakymas: Energijos išsaugojimas yra empirinio fakto, kad fizikos dėsniai nesikeičia kartu su pačiu laiku, rezultatas.

Klausimas: Kaip galima įvardyti filosofinį energijos išsaugojimo aspektą?

A: Filosofiniu požiūriu energijos išsaugojimo dėsnį galima teigti taip: "Niekas nepriklauso nuo laiko per se (paties laiko)".

Ieškoti