الحفاظ على الطاقة وتحويلها
مفهوم الحفاظ على الطاقة
يتطلب القانون الأساسي الذي تم ملاحظته لجميع الظواهر الطبيعية الحفاظ على الطاقة — أي أن الطاقة الإجمالية لا تتغير في جميع التغيرات العديدة التي تحدث في الطبيعة. إن الحفاظ على الطاقة ليس وصفًا لأي عملية تجري في الطبيعة ، ولكنه بالأحرى بيان بأن الكمية التي تسمى الطاقة تظل ثابتة بغض النظر عن وقت تقييمها أو العمليات - ربما بما في ذلك تحويلات الطاقة من شكل إلى آخر - استمر بين التقييمات المتتالية.
لا يتم تطبيق قانون الحفاظ على الطاقة فقط على الطبيعة ككل ولكن أيضًا على الأنظمة المغلقة أو المعزولة داخل الطبيعة أيضًا. وبالتالي ، إذا كان من الممكن تحديد حدود النظام بطريقة لا يتم فيها إضافة أو إزالة أي طاقة من النظام ، فيجب الحفاظ على الطاقة داخل هذا النظام بغض النظر عن تفاصيل العمليات الجارية داخل حدود النظام. النتيجة الطبيعية لبيان النظام المغلق هو أنه عندما تكون طاقة النظام كما هو محدد في تقييمين متتاليين غير متطابقة ، يكون الفرق هو قياس كمية الطاقة التي تمت إضافتها أو إزالتها من النظام في الفاصل الزمني المنقضي بين التقييمين.
يمكن أن توجد الطاقة في العديد من الأشكال داخل النظام ويمكن تحويلها من شكل إلى آخر ضمن قيود قانون الحفظ. وتشمل هذه الأشكال المختلفة الجاذبية والحركية والحرارية والمرنة والكهربائية والكيميائية والإشعاعية والنووية وطاقة الكتلة. إن التطبيق الشامل لمفهوم الطاقة ، وكذلك اكتمال قانون الحفاظ عليها بأشكال مختلفة ، هو ما يجعلها جذابة ومفيدة للغاية.
تحويل الطاقة
نظام مثالي
يتم توفير مثال بسيط لنظام يتم فيه تحويل الطاقة من شكل إلى آخر في رمي كرة بكتلة م في الهواء. عندما يتم رمي الكرة عموديا من الأرض ، فإن سرعتها وبالتالي طاقتها الحركية تتناقص بثبات حتى تأتي للراحة لحظة في أعلى نقطة. ثم تنعكس على نفسها ، وتزداد سرعتها وطاقتها الحركية بثبات مع عودتها إلى الأرض. الطاقة E الحركي ك على الكرة في لحظة أنه ترك الأرض (1 نقطة) كان نصف الناتج من كتلة وساحة للسرعة، أو 1 / 2 ام 1 2 ، و انخفض باطراد إلى الصفر في أعلى نقطة (النقطة 2). عندما ارتفعت الكرة في الهواء ، اكتسبت طاقة جاذبية كامنة E p. لا تعني الإمكانات في هذا المعنى أن الطاقة ليست حقيقية بل يتم تخزينها في شكل كامن ويمكن الاعتماد عليها للقيام بالعمل. الطاقة الكامنة الجاذبية هي الطاقة التي يتم تخزينها في الجسم بحكم موقعها في مجال الجاذبية. لوحظ أن طاقة الكتلة الجاذبية للكتلة m تُعطى من خلال ناتج الكتلة ، والارتفاع h المحقق بالنسبة إلى بعض الارتفاع المرجعي ، والتسارع g للجسم الناتج عن سحب جاذبية الأرض عليها ، أو mgh. في اللحظة تركت الكرة الأرض على ارتفاع h 1 طاقتها المحتملة E p1 هي mgh 1. في أعلى نقطة لها ، طاقتها المحتملة E p2 هي mgh 2. بتطبيق قانون الحفاظ على الطاقة وعدم وجود احتكاك في الهواء ، تضاف هذه المعادلات لتشكل المعادلات التالية:
في هذا المثال المثالي ، يتم تحويل الطاقة الحركية للكرة عند مستوى الأرض إلى عمل في رفع الكرة إلى h 2 حيث تم زيادة طاقتها الجاذبية بمقدار mg (h 2 - h 1). كما تقع الكرة مرة أخرى إلى مستوى سطح الأرض ح 1 ، وهذا الطاقة الكامنة الجاذبية هو العودة تحويلها إلى طاقة حركية وطاقته الإجمالية بمبلغ ح 1 ثانية هي 1 / 2 ام 1 2 + MGH 1. في هذه السلسلة من الأحداث ، لا تتغير الطاقة الحركية للكرة عند h 1 ؛ وبالتالي فإن العمل على الكرة بواسطة قوة الجاذبية التي تعمل عليها في هذه الدورة من الأحداث هو صفر. ويقال أن هذا النظام محافظ.
