Закон сохранения энергии

Рассмотрим замкнутую систему тел, в которой действуют консервативные силы. Под действием сил тела внутри системы перемещаются, совершается работа. Одна и та же положительная работа некоторой силы приводит к повышению кинетической энергии тела, но совершается за счет уменьшения потенциальной энергии этого тела в силовом поле других тел

и . (7.14)

Отсюда следует, что работа есть мера превращения энергии одного вида в другой вид. Приравняем правые части уравнений (7.14) и получим, что сумма кинетической и потенциальной энергии тела в состоянии «1» такая же, как в состоянии «2»: , и вообще, в любом другом состоянии постоянна

(7.15)

Сумму кинетической и потенциальной энергий называют механической энергией. Если механическая энергия сохраняется для любого тела, то она сохраняется для всех тел замкнутой системы. Отсюда следует закон сохранения и превращения механической энергии: в замкнутой системе тел, между которыми действуют консервативные силы, механическая энергия постоянна.

В отличие от консервативных сил существуют так называемые диссипативные силы, работа которых приводит к диссипации (рассеянию) механической энергии. Диссипативными силами являются сила трения скольжения, силы вязкого трения между слоями при пластической деформации тел. Если в системе тел существуют диссипативные силы, то работа этих сил отрицательна на любом участке траектории, так как перемещение и сила всегда направлены противоположно. По теореме о кинетической энергии работа диссипативных сил равна уменьшению кинетической энергии. Но работа диссипативных сил не может изменить потенциальную энергию. Значит частично или полностью кинетическая энергия должна превратиться в эквивалентное количество другого вида энергии. Это внутренняя энергия. Например, при движении под действием силы трения скольжения кинетическая энергия тела как целого превращается в кинетическую энергию хаотического движения молекул тела, то есть во внутреннюю энергию.

Экспериментально в многочисленных опытах установлено, что в замкнутой системе тел полная энергия, равная сумме механической и внутренней энергий постоянна

. (7.16)

Это выражение закона сохранения и превращения полной энергии. Из закона следует, что при любых процессах внутри замкнутой системы тел различные виды энергии могут в эквивалентных количествах превращаться друг в друга, но их сумма постоянна. Энергия не создается и не уничтожается.

Из закона следует, что увеличение внутренней энергии равно уменьшению механической энергии системы тел, которое, в свою очередь, равно работе диссипативных сил:

. (7.17)

Закон сохранения полной энергии является фундаментальным законом природы, может самым важным. Он применим не только в механике, но и в любых процессах, протекающих в природе. Сомнения в выполнении закона сохранения энергии в истории науки были, (явление радиоактивности, открытие нейтрино) но в итоге явлений, в которых бы не сохранялась полная энергии, не обнаружено. В истории техники известно немало проектов создания вечного двигателя. Это машины, которые без поступления энергии извне могли бы сколь угодно долго совершать механическую работу. Закон сохранения энергии не позволил осуществиться этим проектам, сколь бы хитроумными они не были.

Дата добавления: 2014-01-04