Bảo tồn và chuyển đổi năng lượng
Khái niệm bảo tồn năng lượng
Một định luật cơ bản đã được quan sát thấy cho tất cả các hiện tượng tự nhiên đòi hỏi phải bảo tồn năng lượng, tức là tổng năng lượng không thay đổi trong tất cả nhiều thay đổi xảy ra trong tự nhiên. Sự bảo toàn năng lượng không phải là sự mô tả về bất kỳ quá trình nào đang diễn ra trong tự nhiên, mà đó là một tuyên bố rằng đại lượng gọi là năng lượng không đổi bất kể khi nào nó được đánh giá hay quá trình nào có thể bao gồm sự biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác đi giữa các đánh giá liên tiếp.
Định luật bảo toàn năng lượng không chỉ được áp dụng cho toàn bộ tự nhiên mà còn cho các hệ thống khép kín hoặc cô lập trong tự nhiên. Do đó, nếu các ranh giới của một hệ thống có thể được xác định theo cách không có năng lượng nào được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi hệ thống, thì năng lượng phải được bảo toàn trong hệ thống đó bất kể chi tiết của các quá trình diễn ra bên trong ranh giới hệ thống. Một hệ quả của tuyên bố hệ thống kín này là bất cứ khi nào năng lượng của một hệ thống được xác định trong hai đánh giá liên tiếp là không giống nhau, thì sự khác biệt là thước đo lượng năng lượng đã được thêm vào hoặc loại bỏ khỏi hệ thống trong khoảng thời gian trôi qua giữa hai đánh giá.
Năng lượng có thể tồn tại ở nhiều dạng trong một hệ thống và có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác trong giới hạn của luật bảo tồn. Những dạng khác nhau này bao gồm lực hấp dẫn, động học, nhiệt, đàn hồi, điện, hóa học, bức xạ, hạt nhân và năng lượng khối. Chính khả năng ứng dụng phổ biến của khái niệm năng lượng, cũng như sự hoàn thiện của định luật bảo toàn nó dưới các hình thức khác nhau, khiến nó trở nên hấp dẫn và hữu ích.
Chuyển hóa năng lượng
Một hệ thống lý tưởng
Một ví dụ đơn giản về một hệ thống trong đó năng lượng đang được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác được cung cấp trong quá trình ném quả bóng có khối lượng m lên không trung. Khi quả bóng được ném thẳng đứng từ mặt đất, tốc độ của nó và do đó động năng của nó giảm dần cho đến khi nó dừng lại trong giây lát tại điểm cao nhất của nó. Sau đó nó tự đảo ngược, và tốc độ và động năng của nó tăng dần khi nó trở lại mặt đất. Các động năng lượng E k của bóng tại ngay lập tức nó rời khỏi mặt đất (điểm 1) chỉ bằng một nửa sản phẩm của khối lượng và bình phương của vận tốc, hoặc 1 / 2 mv 1 2, và giảm dần đến số không ở điểm cao nhất (điểm 2). Khi quả bóng bay lên không trung, nó thu được năng lượng hấp dẫn E p. Tiềm năng theo nghĩa này không có nghĩa là năng lượng không có thật mà là nó được lưu trữ ở dạng tiềm ẩn nào đó và có thể được rút ra để thực hiện công việc. Năng lượng tiềm năng hấp dẫn là năng lượng được lưu trữ trong cơ thể nhờ vào vị trí của nó trong trường hấp dẫn. Năng lượng hấp dẫn của một khối lượng m được quan sát là do tích của khối lượng, chiều cao h đạt được so với một số chiều cao tham chiếu và gia tốc g của một cơ thể do lực hấp dẫn của Trái đất kéo lên, hoặc mgh. Ngay lúc quả bóng rời khỏi mặt đất ở độ cao h 1, năng lượng tiềm năng của nó E p1 là mgh 1. Tại điểm cao nhất của nó, năng lượng tiềm năng E p2 của nó là mgh 2. Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và giả sử không có ma sát trong không khí, chúng cộng lại để tạo thành các phương trình sau:
Trong ví dụ lý tưởng hóa này, động năng của quả bóng ở mặt đất được chuyển thành công việc nâng quả bóng lên h 2 trong đó năng lượng hấp dẫn của nó đã được tăng thêm bằng mg (h 2 - h 1). Như bóng rơi trở lại tầng trệt h 1, thế năng hấp dẫn này là được chuyển đổi trở lại thành năng lượng động học và tổng năng lượng của mình tại h 1 lần nữa là 1 / 2 mv 1 2 + MGH 1. Trong chuỗi sự kiện này, động năng của quả bóng không đổi ở h 1; do đó công thực hiện trên quả bóng bằng lực hấp dẫn tác dụng lên nó trong chu kỳ sự kiện này bằng không. Hệ thống này được cho là một hệ thống bảo thủ.
