Закон за запазване на енергията: Разлика между версии

'''Законът за запазване на енергията''' е основен природен закон, изведен емпирически и е един от няколкото закони за запазване във [[физика]]та. Той гласи, че пълната енергия на една затворена система е [[константа]] по отношение на [[време]]то, т. е. се запазва с времето. Казано по друг начин, [[енергия]]та може да се преобразува от една форма в друга, но не може да бъде създадена или унищожена.

Законът за запазване на енергията е универсален и се среща в различни раздели на физиката. Например в [[механика|класическата механика]] той се проявява в съхраняването на [[механична енергия|механичната енергия]] (сумата от потенциалната и кинетичната енергия на системата). В [[термодинамика]]та се проявява в първия закон на термодинамиката, който твърди, че пълният входящ енергиен поток в една система трябва да е равен на пълния изходящ енергиен поток на системата плюс вътрешната енергия на системата. Първият закон на термодинамиката изключва възможността за [[вечен двигател]] (перпетуум мобиле) от първи род. В теорията на относителността на Айнщайн е показано, че енергията и масата са едно и също нещо и не могат да съществуват едно без друго. Новото е, че материалните частици (съдържащи атоми) могат да бъдат превърнати в нематериални форми на енергия, каквито са светлината или топлината. По този начин в една изолирана система въпреки че материята и „чистата енергия“ могат да се превръщат една в друга, цялата маса и цялата енергия на системата остава константа с времето за всеки наблюдател. Ако енергия в каквато и да е форма напусне тази система, то масата на системата намалява в съответствие със загубата.

Основите на този закон са положени още от древните философи в [[Древна Гърция]], а по-късно от [[Рене Декарт]] и [[Михаил Ломоносов]].<ref>Михаил Васильевич Ломоносов. Избранные произведения в 2-х томах. М.: Наука. 1986</ref><ref>Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в. — – М.: Наука, 1969</ref> Един от първите експерименти, потвърждаващи закона за запазване на енергията е извършен от [[Жозеф Луи Гей-Люсак]], проведен в 1807 година. Той изучава разширението на газове, но не може да обясни някои от явленията, като например липсата на промяна на температурата. [[Майкъл Фарадей]], изучавайки електрическите и магнитни свойства на веществата, стига до заключение, че всичко трябва да има общ произход и отделните форми могат да се превръщат една в друга. Тази гледна точка е същността на закона за запазване.

Малко по-късно [[Сади Карно (физик)|Сади Карно]], френски физик, извършва експерименти и прави началните стъпки за установяване на количествената връзка между работа и топлина.<ref>[http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1165074&uri=index.html Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу] на сайте nature.web.ru)</ref> Количественото доказателство е дадено то [[Джеймс Джаул]].

Майер не само провежда експериментите, но и определя количествено трансформацията на кинетичната енергия в топлина. Резултатите от тези изследвания са публикувани през май 1842 година в списанието на [[Юстус фон Либих]]. В брошурата си „Органичното движение във връзка с метаболизма“ (''„Die organische Bewegung im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel“'') от 1845 година Майер определя механичния еквивалент на топлината - – първоначално като 365 [[килограм сила|kgf]]·[[метър|m]]/[[килокалория|kcal]], като по-късно го коригира на 425 kgf·m/kcal. Приетата от съвременната наука стойност е 426,6 kgf·m/kcal за термохимична калория. От тази зависимост следва, че макар механичната работа и топлината да имат различен характер, те могат да бъдат трансформирани една в друга. Този извод е еквивалентен на закона за запазване на енергията, формулиран явно от [[Херман фон Хелмхолц]] през 1847 година.

В класическата (нютонова) механика се формулира частен случай на закона за запазване на енргията - – [[закон за запазване на механичната енергия]]. Той гласи, че пълната механична енергия на затворена система от тела, между които действат само консервативни сили, остава постоянна. Пълната механична енергия се състои от [[кинетична енергия]], която е свързана с движението на едно тяло и [[потенциална енергия|потенциалната енергия]], или енергията на позицията, която бива два вида - – еластична потенциална и гравитационна потенциална енергия.

Като класически примери за запазване на енергията се дават джижението на [[махало]] или движението по продължителността на [[ролъркостър]] - – в началото потенциалната енергия бива трансформирана в кинетична в най-ниската точка. Тези примери са добри, защото са свързани с много малки загуби, дължащи се на неконсервативни сили, които в повечето случаи могат да бъдат пренебрегнати.

Ако в една затворена система освен консервативни, действат и неконсервативни сили (например сила на [[триене]]), тогава пълната механична енергия не се запазва. Но ние можем да разглеждаме силата на триене като външна за механичната система.

където '''U''' е потенциалната енергия, '''m''' масата и '''v''' скоростта. Изразът в скобите се явява пълната механична енергия, първият член в скобите - – кинетичната, а вторият член - – потенциалната. Това, че първата производна по времето е нула, означава, че механичната енергия на системата се запазва с времето.

В [[термодинамика]]та законът за запазване на енергията се формулира исторически от [[първи закон на термодинамиката|първия закон на термодинамиката]], който гласи следното:

''Изменението на [[вътрешна енергия|вътрешната енергия]] на една [[термодинамична система]] е равно на извършената върху нея работа и обмененото количество топлина с други [[термодинамична система|термодинамични системи]].''

където '''Q''' е количеството топлина, получено от системата, '''U''' вътрешната енергия и '''W''' - – извършената от системата работа.

където <math>Q</math> — – количеството топлина, получено от системата, <math>\Delta U</math> — – изменението на вътрешната енергия на системата, <math>W</math> — – работата, извършена от системата.

където <math>\ v</math> е скоростта на флуида, <math>\ p</math> — – [[налягане]]то, <math>\ \rho</math> — – [[плътност]]та на флуида, <math>\ g</math> — – [[земно ускорение|земното ускорение]], <math>\ z</math> — – координата на точката по направление на [[тегло|силата на тежестта]].

В релативистичната механика се въвежда понятието 4-вектор на енергията-импулса, който позволява законът за запазване на енергията и [[импулс]]а да се зададат в единна форма, която не се мени при преминаване от една [[инерциална система]] в друга. В математическа форма законът изглежда така:

където <math>~P_\mu</math> — – четириимпулса на частицата, <math>~\tau</math> — – собственото време на частицата.

Законът за съхранението на енергията в теорията на относителността използва обобщеното понятие на четириимпулса - – [[тензор]]а на енергията-импулса и законът за запазване на енергията изглежда така: