Energibesparelse og transformation
Begrebet energibesparelse
En grundlæggende lov, der er observeret at gælde for alle naturfænomener kræver bevarelse af energi - dvs. at den samlede energi ikke ændrer sig i alle de mange ændringer, der sker i naturen. Bevarelse af energi er ikke en beskrivelse af nogen proces, der foregår i naturen, men snarere er det en påstand om, at den mængde, der kaldes energi, forbliver konstant uanset hvornår den evalueres, eller hvilke processer - muligvis inklusive transformationer af energi fra en form til en anden - gå mellem successive evalueringer.
Loven om energibesparelse anvendes ikke kun på naturen som helhed, men også på lukkede eller isolerede systemer i naturen. Hvis grænserne for et system således kan defineres på en sådan måde, at ingen energi hverken føjes til eller fjernes fra systemet, skal energi bevares inden for dette system uanset detaljerne i processerne, der foregår inden for systemgrænserne. En sammenhæng med denne erklæring om lukket system er, at hver gang energien i et system som bestemt i to på hinanden følgende evalueringer ikke er den samme, er forskellen et mål på den mængde energi, der enten er tilføjet eller fjernet fra systemet i tidsinterval mellem de to evalueringer.
Energi kan eksistere i mange former inden for et system og kan konverteres fra en form til en anden inden for begrænsningen af bevaringsloven. Disse forskellige former inkluderer tyngdekraft, kinetisk, termisk, elastisk, elektrisk, kemisk, strålende, nuklear energi og masseenergi. Det er den universelle anvendelighed af energibegrebet såvel som fuldstændigheden af loven om dets bevarelse inden for forskellige former, der gør det så attraktivt og nyttigt.
Transformation af energi
Et ideelt system
Et simpelt eksempel på et system, hvor energi omdannes fra en form til en anden, tilvejebringes ved at kaste en kugle med masse m i luften. Når bolden kastes lodret fra jorden, falder dens hastighed og dermed dens kinetiske energi støt, indtil det øjeblik kommer til at hvile på sit højeste punkt. Derefter vender det sig selv, og dets hastighed og kinetiske energi stiger støt, når det vender tilbage til jorden. Den kinetiske energi E k bold i det øjeblik den forlod jorden (punkt 1) var halv produktet af masse og kvadratet på hastigheden, eller 1 / 2 mv 1 2, og faldt støt til nul ved det højeste punkt (punkt 2). Da bolden steg i luften, fik den gravitationspotentialenergi E p. Potentiale i denne forstand betyder ikke, at energien ikke er reel, men snarere at den er gemt i en latent form og kan trækkes til at udføre arbejde. Tyngdepotentialenergi er energi, der opbevares i en krop i kraft af dens position i tyngdefeltet. Gravitationspotentialenergi for en masse m observeres at blive givet af masseproduktet, højden h opnået i forhold til en eller anden referencehøjde og accelerationen g af et legeme, der følger af jordens tyngdekraft, der trækker på det, eller mgh. I det øjeblik forlod bolden jorden ved højden h 1 dens potentielle energi E p1 er MGH 1. På sit højeste punkt er dens potentielle energi E p2 mgh 2. Ved anvendelse af loven om bevarelse af energi og antages ingen friktion i luften, samles disse til dannelse af følgende ligninger:
I dette idealiserede eksempel omdannes kuglenes kinetiske energi til jordniveau til arbejde med at hæve kuglen til h 2, hvor dens tyngdekraftpotentiale er blevet forøget med mg (h 2 - h 1). Som bolden falder tilbage til jordoverfladen h 1, denne gravitationel potentiel energi omdannes tilbage til kinetisk energi og dens totale energi ved h 1 igen er 1 / 2 mv 1 2 + MGH 1. I denne kæde af hændelser er kuglens kinetiske energi uændret ved h 1; således er arbejdet, der udføres på bolden ved hjælp af tyngdekraften, der virker på den i denne hændelsescyklus, nul. Det siges, at dette system er et konservativt.
