Потенциалната енергия е по-скоро абстрактна величина, тъй като всеки обект, който има определена височина над повърхността на Земята, вече ще има определено количество потенциална енергия. Изчислява се чрез умножаване на скоростта на свободно падане по височината над Земята, а също и по масата. Ако тялото се движи, можем да говорим за наличие на кинетична енергия.
Формула и описание на закона
Резултатът от добавянето на кинетична и потенциална енергия в затворена от външни влияния система, чиито части взаимодействат поради силите на еластичност и гравитация, не се променя - това е законът за запазване на енергията в класическа механика. Формулата на този закон изглежда така: Ek1+Ep1=Ek2+Ep2. Тук Ek1 е кинетичната енергия на определено физическо тяло в определен момент от времето, а Ep1 е потенциалната енергия. Същото важи и за Ek2 и Ep2, но вече в следващия период от време. Но този закон е верен само ако системата, в която работи, е затворена (или консервативна). Това предполага, че стойността на общата механична енергия не се променя, когато върху системата действат само консервативни сили. Когато в действие влязат неконсервативни сили, част от енергията се променя, приемайки други форми. Такива системи се наричат дисипативни. Законът за запазване на енергията работи, когато външните сили не действат върху тялото по никакъв начин.
Пример за проявление на закона
Един от типичните примери, илюстриращи описания закон, е експеримент със стоманена топка, която пада върху плоча от същото вещество или стъкло, отскачайки от нея приблизително на същата височина, на която е била преди падането. Този ефект се постига благодарение на факта, че когато обектът се движи, енергията се преобразува няколко пъти. Първоначално стойността на потенциалната енергия започва да клони към нула, докато кинетичната енергия се увеличава, но след сблъсъка тя се превръща в потенциалната енергия на еластичната деформация на топката.
Това продължава, докато обектът спре напълно, в който момент той започва своето движение нагоре поради силите на еластична деформация както на плочата, така и на падналия обект. Но в същото време потенциалната енергия на гравитацията влиза в действие. Тъй като топката в този случай се разбира приблизително на същата височина, от която е паднала, кинетичната енергия в нея е същата. В допълнение, сумата от всички енергии, действащи върху движещ се обект, остава същата по време на целия описан процес, потвърждавайки закона за запазване на общата механична енергия.
Еластична деформация - какво е това?
За да разберем напълно горния пример, си струва да разберем по-подробно каква е потенциалната енергия на еластично тяло - това понятие означава притежаването на еластичност, което позволява, когато всички части на системата са деформиран, за връщане в състояние на покой, извършвайки някаква работа върху телата, с които физическият обект е в контакт. Работата на еластичните сили не се влияе от формата на траекторията на движение, тъй като извършената от тях работа зависи само от положението на тялото в началото и в края на движението.
Когато действат външни сили
Но законът за запазване не се прилага за реални процеси, в които участва силата на триене. Пример е падащ на земята предмет. По време на сблъсък кинетичната енергия и силата на съпротивление се увеличават. Този процес не се вписва в рамката на механиката, тъй като температурата на тялото се повишава поради нарастващото съпротивление. От горното следва, че законът за запазване на енергията в механиката има сериозни ограничения.
Термодинамика
Първият закон на термодинамиката гласи: разликата между количеството топлина, акумулирана поради работата, извършена върху външните обекти, е равна на промяната във вътрешната енергия на тази неконсервативна термодинамична система.
Но това твърдение най-често се формулира в различна форма: количеството топлина, получено от термодинамична система, се изразходва за работа върху обекти извън системата, както и за промяна на количеството енергия вътре в системата. Според този закон тя не може да изчезне чрез промяна на една форма в друга. От това следва изводът, че създаването на машина, която не консумира енергия (т.нар. вечен двигател), е невъзможно, тъй като системата ще се нуждае от енергия отвън. Но мнозина все още упорито се опитваха да го създадат, без да вземат предвид закона за запазване на енергията.
Пример за проявление на закона за запазване в термодинамиката
Опитите показват, че термодинамичните процеси не могат да бъдат обърнати. Пример за това е контактът на тела с различни температури, при които по-горещото ще отдаде топлина, а второто ще я приеме. Обратният процес е принципно невъзможен. Друг пример е преминаването на газ от една част на съда в друга след отваряне на преграда между тях, при условие че втората част е празна. Веществото в този случай никога няма да започне спонтанно да се движи в обратна посока. От гореизложеното следва, че всяка термодинамична система се стреми към състояние на покой, при което отделните й части са в равновесие и имат еднаква температура и налягане.
Хидродинамика
Прилагането на закона за запазване в хидродинамичните процеси се изразява в принципа, описан от Бернули. Звучи така: сумата от налягането както на кинестетичната, така и на потенциалната енергия на единица обем е една и съща във всяка една точка от потока на течност или газ. Това означава, че за измерване на дебита е достатъчно да се измери налягането в две точки. Това обикновено се прави с манометър. Но законът на Бернули е валиден само ако въпросната течност има вискозитет, който е нула. За да се опише потокът на реални течности, се използва интегралът на Бернули, който включва добавяне на членове, които отчитат съпротивлението.
Електродинамика
При наелектризирането на две тела броят на електроните в тях остава непроменен, поради което положителният заряд на едното тяло е равен по абсолютна стойност на отрицателния заряд на другото. Така законът за запазване на електрическия заряд казва, че в електрически изолирана система сумата от зарядите на нейните тела не се променя. Това твърдение е вярно и когато заредените частици претърпяват трансформации. Така, когато 2 неутрално заредени частици се сблъскат, сумата от техните заряди все още остава равна на нула, тъй като заедно с отрицателно заредена частица се появява и положително заредена.
Заключение
Законът за запазване на механичната енергия, импулса и импулса - основни физични закони, свързани с хомогенността на времето и неговата изотропност. Те не са ограничени от рамките на механиката и са приложими както за процеси, протичащи в космоса, така и за квантови явления. Законите за запазване позволяват да се получат данни за различни механични процеси, без да се изучават с помощта на уравненията на движението. Ако някакъв процес на теория игнорира тези принципи, тогава е безсмислено да се провеждат експерименти в този случай, тъй като те ще бъдат неефективни.