Закон сохранения энергия: Закон сохранения механической энергии — определение и формулы

Закон сохранения механической энергии — определение и формулы

Энергия: что это такое

Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили.2.

Решение:

Формула потенциальной энергии Еп = mgh

Выразим высоту:

h = Eп/mg

Переведем 637 кДж в Джоули.

637 кДж = 637000 Дж

Подставляем значения

h = 637 000/(65 * 9,8) = 1000 м

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Задачка три

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E1 и E2. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Решение:

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

По условию задачи

m1 = m

h2 = 2h

m2 = 2m

h3 = h

Таким образом, получим, что

E1 = m*g*2h = 2 mgh,

а E2 = 2mgh,

то есть E1 = E2.

Ответ: E1 = E2.

Закон сохранения энергии

В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

Задачка раз

Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли.2)/2 = gh

Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

Ответ: высота увеличится в 4 раза

Задачка два

Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v0, поднялось на максимальную высоту h0. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

Решение

По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Емех = Еп = mgh0.

Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Емех = mgh0.2)/2 = 1,6 Дж

h = E/mg = 1,6/0,1*10 = 1,6 м

Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

Переход механической энергии во внутреннюю

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

Задачка

Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

Решение:

В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Емех = Ек.

В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Емех/2 = Ек/2

Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Еполн = Емех/2 + Евнутр

Емех = Емех/2 + Евнутр

Емех/2 = Евнутр

Евнутр = Ек/2

Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

Вот что сформулировал Фурье:

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие без участия внешних сил тепловые процессы необратимы.

Дальше Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

Математически его можно описать так:

Данное равенство называется уравнением теплового баланса.7Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°С).

Решение:

При нагревании тело получает количество теплоты

Q = cmΔt ,

где c — удельная теплоемкость вещества

При сгорании тела выделяется энергия

Qсгор = q*mсгор,

где q — удельная теплота сгорания топлива

По условию задачи нам известно, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

То есть:

Q = 0,2 * Qсгор

cmΔt =0,2 * qmсгор

mсгор = cmΔt / 0,2 q

Ответ: масса сгоревшего топливаа равна 33,6 г.

Задачка два

Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг*℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3*10^5 Дж/кг.5 * 0,5 = 165000 Дж

Таким образом:

Q = Qнагрев + Qпл = 10500 + 165000 = 175500 Дж = 175,5 кДж

Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.

Закон сохранения энергии, общая форма. Полная энергия: механическая, кинетическая, потенциальная. Формулировка, формулы

Тестирование онлайн

Закон сохранения энергии

Полная механическая энергия замкнутой системы тел остается неизменной

Закон сохранения энергии можно представить в виде

Если между телами действуют силы трения, то закон сохранения энергии видоизменяется. Изменение полной механической энергии равно работе сил трения

Рассмотрим свободное падение тела с некоторой высоты h2. Тело еще не движется (допустим, мы его держим), скорость равна нулю, кинетическая энергия равна нулю. Потенциальная энергия максимальная, так как сейчас тело находится выше всего от земли, чем в состоянии 2 или 3.

В состоянии 2 тело обладает кинетической энергией (так как уже развило скорость), но при этом потенциальная энергия уменьшилась, так как h3 меньше h2. Часть потенциальной энергии перешло в кинетическую.

Состояние 3 — это состояние перед самой остановкой. Тело как бы только-только дотронулось до земли, при этом скорость максимальная. Тело обладает максимальной кинетической энергией. Потенциальная энергия равна нулю (тело находится на земле).

Полные механические энергии равны между собой , если пренебрегать силой сопротивления воздуха. Например, максимальная потенциальная энергия в состоянии 1 равна максимальной кинетической энергии в состоянии 3.

А куда потом исчезает кинетическая энергия? Исчезает бесследно? Опыт показывает, что механическое движение никогда не исчезает бесследно и никогда оно не возникает само собой. Во время торможения тела произошло нагревание поверхностей. В результате действия сил трения кинетическая энергия не исчезла, а превратилась во внутреннюю энергию теплового движения молекул.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую.

Главное запомнить

1) Суть закона сохранения энергии

Урок 23. наиболее общие законы природы. законы сохранения — Естествознание — 10 класс

Естествознание, 10 класс

Урок 23. Наиболее общие законы природы. Законы сохранения

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• В чем смысл закона сохранения энергии;
• Какие виды энергии существуют;
• В чем смысл закона сохранения импульса;
• Что такое момент импульса;
• Как проявляется закон сохранения момента импульса.

Глоссарий по теме:

Энергия (от др.-греч. ἐνέργεια — действие, деятельность, сила, мощь) – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия — это характеристика состояния тела или системы тел, зависящие от параметров состояния, её изменение определяется работой.

Работа – физическая величина, характеризующая количество энергии, переданной или полученной системой путём изменения её внешних параметров.

Кинетическая энергия — характеризует движение тела. Это векторная физическая величина. Она равна нулю, когда тело неподвижно.

Потенциальная энергия – это энергия, обусловленная взаимным расположением тел и характером их взаимодействия. потенциальная энергия всегда характеризует тело относительно источника силы (силового поля). Например, потенциальная энергия гравитационного поля, электромагнитного поля, упругая деформация и др.

Внутренняя энергия — энергия, зависящая от его внутреннего состояния. Включает кинетическую энергию теплового движения микрочастиц (ядер, атомов, молекул, ионов и т.д.) и энергию их взаимодействия. Внутренняя энергия зависит от массы тел, от температуры тел, а также от того, в каком агрегатном состоянии они находятся. Внутренняя энергия тела изменится, если его деформировать или размельчить. Однако она не зависит от того, обладает тело механической энергией или нет.

Замкнутая система – идеализированная модель системы тел, для которой равнодействующая внешних сил равна нулю. Например, Замкнутая система в механике может быть определена как такая система тел, на которую не действуют внешние силы, либо действия этих внешних сил на тела системы полностью скомпенсированы.

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, в замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любых взаимодействиях внутри этой системы тел. Закон накладывает ограничения на протекание процессов в природе. Природа не допускает появление энергии ниоткуда и исчезание в никуда.

Импульс – векторная величина, равная произведению массы тела на скорость его движения, иногда называется количеством движения.

Закон сохранения импульса — для замкнутой системы внешние силы отсутствуют и таким образом импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. остаётся неизменным со временем.

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени; или импульс системы материальных точек сохраняется, если система замкнута или если сумма моментов всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю.

Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 112 — 114.

Электронные ресурсы:

Крис Вудфорд «Атомы у нас дома». Глава из книги// электронный доступ: https://elementy.ru/bookclub/chapters/433839/Atomy_u_nas_doma_Glava_iz_knigi

Альберт Эйнштейн, Леопольд Инфельд «Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов» // электронный доступ: https://elementy.ru/bookclub/chapters/430770/III_Pole_i_otnositelnost

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Анализ закономерностей природы позволил выделить Всеобщие законы, которые проявляются на всех уровнях её организации. Эти законы оказываются справедливыми для всех явлений и процессов. Они не зависят не только от людей, но и от систем отсчёта (т.е. они инвариантны), что означает их объективность. Поиск законов – это поиск наиболее объективного, наиболее соответствующего природе способа выражения знаний человека о мире.

К наиболее общим законам природы относят законы сохранения.

Закон сохранения энергии.

Понятие энергии встречается во всех естественных науках.

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия — это характеристика состояния тела или системы тел, зависящая от параметров состояния, её изменение определяется работой.

Открытие закона сохранения энергии приводят все знания о природе в единую систему. Все наши знания, представления о физических, химических, биологических и др. процессах. Универсальность этого закона позволяет объединить различные виды энергии (механическую, электромагнитную, тепловую и т.д.).

Суть закона сохранения энергии состоит в том, что энергия любого вида может передаваться от одного тела другому или превращаться из одного вида энергии в другой, притом так, что в процессах передачи и превращения энергия бесследно не исчезает и не возникает из ничего.

Если мы представим себе систему, которая не взаимодействует с окружающей средой, т.е. не получает энергии извне и не отдаёт свою энергию, то можно говорить, что энергия этой замкнутой системы останется неизменной. В природе отсутствуют системы, которые совершенно не взаимодействуют с окружающей средой — природные системы являются открытыми. Однако любая природная система является частью системы более высокого уровня. Поэтому закон сохранения энергии оказывается справедлив и в этом случае.

Закон сохранения механической энергии — частный случай фундаментального закона сохранения энергии:

E_м = E_p + E_k = const

При этом различают кинетическую и потенциальную энергии. Они могут переходить друг в друга. Примером может служить движение маятника. Механическая энергия является суммой этих двух видов энергий. Не сложно предположить, что если маятник оказался бы замкнутой системой, его движение было бы бесконечно. Однако взаимодействуя с окружающей средой, часть энергии переходит во внутреннюю энергию. Так, если присутствуют силы трения или произойдёт неупругий удар, тела могут нагреваться, т.е. механическая энергия переходит в тепло (внутреннюю энергию движения частиц). Внутренняя энергия также может переходить в механическую, что происходит, например, при движении живых организмов и при работе тепловых двигателей.

Помимо тепловой, электрическая, химическая и ядерная энергии — это виды внутренней энергии, которые вносят вклад в общее содержание энергии в веществе. Так в лампе накаливания можно наблюдать переход электрической энергии в тепловую. Электродвигатель преобразует энергию электромагнитного поля в механическую. Энергия химических связей может высвобождаться в форме тепловой энергии, например при горении. Энергия ядра в атомных реакторах преобразуется в тепловую.

На фундаментальном уровне, таким образом, любую энергию можно в итоге свести к кинетической энергии частиц вещества и энергии фундаментальных полей.

Напомним, что обмен энергией с окружающей средой является одним из необходимых условий существования всего живого.

Закон сохранения импульса

Помимо энергии есть ещё одна характеристика вещества и поля – импульс. Впервые этим термином описал движение Рене Декарт. Импульс он определил как количество движения. Действительно, не всегда описание движения скоростью, ускорением и т.п. удобно. Так, например, при торможении поезда и велосипеда, двигающихся с одинаковой скоростью, тормозной путь будет больше. Согласитесь, что только скоростью это объяснить нельзя. Здесь важно учитывать и массу.

Величина равная произведению массы и скорости тела называется импульсом:

Это величина векторная. И её вектор направлен в том же направлении что и скорость.

Введение импульса действительно оправдано. Ведь он у тела никуда не девается, импульс сохраняется. Иллюстрацию этого можно наблюдать на примере маятника, называемого колыбелью Ньютона.

Согласно закону сохранения импульса, импульс замкнутой системы остаётся неизменным (p = const). Он может измениться только при действии внешних сил.

Импульс всегда связан со взаимодействием. Так внутренняя энергия не может изменить импульс системы. Т.е. вытаскивание себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, дело бесперспективное.

С другой стороны, тогда бы и ракета не смогла бы двигаться в безвоздушном пространстве космоса, попросту не от чего «оттолкнуться». В этом случае важно учитывать векторную сумму импульсов тел нашей замкнутой системы. Если появляется импульс, то тело начнёт своё движение, чтобы скомпенсировать его, при этом в противоположную сторону. Так воздушный шарик с воздухом изначально имеет нулевой импульс. Тогда, согласно закону сохранения импульса, выпуская воздух, система всё равно должна сохранить своё нулевое значение. Воздух, вырываясь с определённой скоростью, компенсируется движением шарика, в противоположном направлении воздушной струи.

Закон сохранения импульса можно наблюдать не только на примере движения животных, таких как кальмар, осьминог и др. Похожее реактивное движение используется и в космических ракетах. Разогретый газ, вырывающийся из сопел, является «опорой», для ракеты.

Заметим, что фундаментальные поля тоже характеризуются импульсом и при взаимодействии с веществом могут приводить его в движение

Закон сохранения момента импульса

При вращательном движении аналогом импульса тела поступательного движения, будет выступать момент импульса тела относительно оси. Эта величина зависит от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение. Ярким примером закона сохранения момента импульса является раскрученный волчок (юла). С точки зрения этого закона можно рассматривать вращательное движение планет вокруг Солнца. В этом случае, момент импульса будет высчитываться по формуле:

Не сложно сделать вывод, что поскольку масса, радиус и скорость не меняются, то и момент импульса останется неизменным ().

В случае движения тел по эллиптической орбите, закон сохранения момента импульса останется справедливым. В этом случае момент импульса будет выражаться следующим образом:

α — угол между вектором скорости тела и направлением на Солнце.

Следуя закону сохранения импульса, подлетая к Солнцу, например комета, будет ускоряться, т.к. радиус становится меньше.

Закон сохранения момента импульса наглядно проявляется, в гимнастических упражнениях, спортсмены совершают вращательные движения. Сжимаясь и распрямляясь, спортсмен заметно изменяет скорость своего вращения.

Момент импульса системы тел определяется как сумма моментов импульса каждого из тел.

Этот закон справедлив и в микромире, При этом важно отметить, что все частицы обладают моментом импульса, что свидетельствует о том, что им свойственно и движение «вокруг своей оси». Эту характеристику частиц обозначают спином.

Закон сохранения момента импульса справедлив не только для замкнутых систем, но равноправен и в тех случаях, когда внешние силы направлены к центру. Например, попробуйте остановить колесо велосипеда, действуя только на ось его вращения.

Вывод:

Законы сохранения импульса, момента импульса, энергии отражают общий принцип сохранения материи и движения, служат доказательством существования всеобщих взаимосвязей в природе. Объективность законов природы, их общность приводит к выводу о единстве законов природы, что подтверждает единство природы в целом.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1.

Выберите один ответ:

Что произойдёт, если дети на раскрученной карусели одновременно переместятся ближе к центру?

Скорость вращения карусели увеличится;

Скорость вращения карусели уменьшится;

Скорость вращения карусели останется неизменной;

Ответ: Скорость вращения карусели увеличится

Пояснение: В соответствии с законом сохранения, момент импульса замкнутой системы останется неизменным L=const. Поскольку момент импульса связан с массой, скоростью и радиусом (L= m∙v∙r), то несложно оценить, что при неизменной массе, но при уменьшающемся радиусе, величина скорости увеличивается, что мы и можем наблюдать в примере

Задание 2.

Почему в действительности Мюнхгаузен не мог вытащить за волосы себя из болота?

А) Плечо силы было бы недостаточно;

Б) Момент сохранения момента импульса применим только для замкнутых систем, каковой человек не является;

В) Для изменения импульса замкнутой системы необходимо, чтобы произошло взаимодействие с другим телом, т.е. «нужно от чего-нибудь оттолкнуться»;

Ответ: В.

Пояснение: Импульс всегда связан с взаимодействием. Внутренняя энергия не может изменить импульс системы. Т.е. вытаскивание себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, дело бесперспективное.

Законы сохранения энергии — Электронный учебник по законам сохранения

Если тело некоторой массы m двигалось под действием приложенных сил, и его скорость изменилась от  до  то силы совершили определенную работу A.

Работа всех приложенных сил равна работе равнодействующей силы 

Между изменением скорости тела и работой, совершенной приложенными к телу силами, существует связь. Эту связь проще всего установить, рассматривая движение тела вдоль прямой линии под действием постоянной силы  В этом случае векторы силы  перемещения  скорости  и ускорения  направлены вдоль одной прямой, и тело совершает прямолинейное равноускоренное движение. Направив координатную ось вдоль прямой движения, можно рассматривать F, s, υ и a как алгебраические величины (положительные или отрицательные в зависимости от направления соответствующего вектора). Тогда работу силы можно записать как A = Fs. При равноускоренном движении перемещение s выражается формулой 

Отсюда следует, что 

Это выражение показывает, что работа, совершенная силой (или равнодействующей всех сил), связана с изменением квадрата скорости (а не самой скорости).

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела: 

Работа приложенной к телу равнодействующей силы равна изменению его кинетической энергии. 

Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии. Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения.

Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью  равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость: 

Если тело движется со скоростью  то для его полной остановки необходимо совершить работу 

В физике наряду с кинетической энергией или энергией движения важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными.

Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю. Это утверждение поясняет рисунок ниже

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести  Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещения  на ось OY, направленную вертикально вверх: 

где F_т = F_тy = –mg – проекция силы тяжести, Δs_y – проекция вектора перемещения. При подъеме тела вверх сила тяжести совершает отрицательную работу, так как Δs_y > 0. Если тело переместилось из точки, расположенной на высоте h₁, в точку, расположенную на высоте h₂ от начала координатной оси OY , то сила тяжести совершила работу 

Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh, взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести 

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Если рассматривать движение тел в поле тяготения Земли на значительных расстояниях от нее, то при определении потенциальной энергии необходимо принимать во внимание зависимость силы тяготения от расстояния до центра Земли (закон всемирного тяготени). Для сил всемирного тяготения потенциальную энергию удобно отсчитывать от бесконечно удаленной точки, т. е. полагать потенциальную энергию тела в бесконечно удаленной точке равной нулю. Формула, выражающая потенциальную энергию тела массой m на расстоянии rот центра Земли, имеет вид: 

где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная.

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Можно просто удлинить пружину на величину x, или сначала удлинить ее на 2x, а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях сила упругости совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A, взятой с противоположным знаком : 

где k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, т. е. сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину 

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком: 

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой посредством сил упругости.

Свойством консервативности наряду с силой тяжести и силой упругости обладают некоторые другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия между заряженными телами. Сила трения не обладает этим свойством. Работа силы трения зависит от пройденного пути. Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = E_k + E_p называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Х. Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи.

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде: 

Обратим внимание на то, что сила  натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы.

При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести: 

Из этих соотношений следует: 

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами  и  направленными в противоположные стороны: 

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равно 

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение.

Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

Оптика и волны

Умножим уравнение (1.18) гармонических колебаний на скорость изменения переменной x:

Каждое из слагаемых можно представить как соответствующую производную:

так что уравнение (1.28) записывается в виде:

Отсюда следует, что величина в скобках не зависит от времени, то есть сохраняется в процессе колебаний:

Для выяснения физического смысла сохраняющейся величины применим эти соотношения к пружинному маятнику, когда

Видим, что уравнение (1.30) можно записать в виде суммы кинетической энергии груза и потенциальной энергии деформированной (сжатой или растянутой) пружины:

Таким образом, найденный закон сохранения есть не что иное, как закон сохранения полной энергии системы.

Аналогично, для электромагнитного контура переменная

и

В этом случае соотношение (1.30) принимает вид:

Первый член — это энергия магнитного поля в катушке, а второй — энергия электрического поля в конденсаторе. Снова мы получили, что сохраняется полная энергия системы.

Возвращаясь к общей форме (1.30) закона сохранения энергии и подставляя сюда общее решение (1.23), получаем законы изменения во времени кинетической и потенциальной энергий (или их аналогов) и выражение для сохраняющейся полной энергии:

Отсюда следует, что

• кинетическая и потенциальная энергии — периодические функции времени с периодом, равным половине периода колебаний;

• кинетическая и потенциальная энергии колеблются в противофазе: когда кинетическая энергия достигает максимума, значение потенциальной энергии минимально и наоборот;

• в колебательной системе энергия периодически «перекачивается» из одной формы в другую, а полная энергия Е = К + П сохраняется;

• полная энергия колебаний пропорциональна квадрату их амплитуды и квадрату частоты.

Видео 1.9 Сохранение энергии при почти гармонических колебаниях – маятник Галилея.

Сказанное проиллюстрировано на рис. 1.11, на котором показаны изменения кинетической и потенциальной энергий для пружинного маятника и электромагнитного контура.

Рис. 1.11. Изменения во времени различных форм энергии в колебательной системе:
1 – пружинный маятник; 2 –  электромагнитный колебательный контур

Видео 1.10 Cохранение энергии при механических колебаниях — маятник Максвелла

Видео 1.11 Cохранение энергии (и не только) при механических колебаниях — баллистический маятник

Закон сохранения энергии — это… Что такое Закон сохранения энергии?

Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени, то есть независимостью законов физики от момента времени, в который рассматривается система. В этом смысле закон сохранения энергии является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы. При этом выполнение этого закона сохранения в каждой конкретно взятой системе обосновывается подчинением этой системы своим специфическим законам динамики, вообще говоря различающимся для разных систем.

В различных разделах физики по историческим причинам закон сохранения энергии формулировался независимо, в связи с чем были введены различные виды энергии. Говорят, что возможен переход энергии одного типа в другой, но полная энергия системы, равная сумме отдельных видов энергий, сохраняется. Ввиду условности деления энергии на различные виды, такое деление не всегда может быть произведено однозначно.

Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в термодинамике — первое начало термодинамики, а в электродинамике — теорема Пойнтинга.

С математической точки зрения закон сохранения энергии эквивалентен утверждению, что система дифференциальных уравнений, описывающая динамику данной физической системы, обладает первым интегралом движения, связанным с симметричностью уравнений относительно сдвига во времени.

Фундаментальный смысл закона

Фундаментальный смысл закона сохранения энергии раскрывается теоремой Нётер. Согласно этой теореме каждый закон сохранения однозначно соответствует той или иной симметрии уравнений, описывающих физическую систему. В частности, закон сохранения энергии эквивалентен однородности времени, то есть независимости всех законов, описывающих систему, от момента времени, в который система рассматривается.

Вывод этого утверждения может быть произведён, например, на основе лагранжева формализма^[1]. Если время однородно, то функция Лагранжа, описывающая систему, не зависит явно от времени, поэтому полная её производная по времени имеет вид:

Здесь  — функция Лагранжа,  — обобщённые координаты и их первые и вторые производные по времени соответственно. Воспользовавшись уравнениями Лагранжа, заменим производные на выражение :

Перепишем последнее выражение в виде

Сумма, стоящая в скобках, по определению называется энергией системы и в силу равенства нулю полной производной от неё по времени она является интегралом движения (то есть сохраняется).

Частные формы закона сохранения энергии

Классическая механика

Формулировка

В ньютоновской механике формулируется частный случай закона сохранения энергии — Закон сохранения механической энергии, звучащий следующим образом^[2]

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остаётся постоянной.

Проще говоря, при отсутствии диссипативных сил (например, сил трения) механическая энергия не возникает из ничего и не может исчезнуть никуда.

Примеры

Классическим примером этого утверждения являются пружинный или математический маятники с пренебрежимо малым затуханием. В случае пружинного маятника в процессе колебаний потенциальная энергия деформированной пружины (имеющая максимум в крайних положениях груза) переходит в кинетическую энергию груза (достигающую максимума в момент прохождения грузом положения равновесия) и обратно^[3]. В случае математического маятника^[4] аналогично ведёт себя потенциальная энергия груза в поле силы тяжести.

Вывод из уравнений Ньютона

Закон сохранения механической энергии может быть выведен из второго закона Ньютона^[5], если учесть, что в консервативной системе все силы, действующие на тело, потенциальны и, следовательно, могут быть представлены в виде

,

где  — потенциальная энергия материальной точки ( — радиус-вектор точки пространства). В этом случае второй закон Ньютона для одной частицы имеет вид

,

где  — масса частицы,  — вектор её скорости. Скалярно домножив обе части данного уравнения на скорость частицы и приняв во внимание, что , можно получить

Путём элементарных операций это выражение может быть приведено к следующему виду

Отсюда непосредственно следует, что выражение, стоящее под знаком дифференцирования по времени, сохраняется. Это выражение и называется механической энергией материальной точки. Первый член в сумме отвечает кинетической энергии, второй — потенциальной.

Этот вывод может быть легко обобщён на систему материальных точек^[2].

Термодинамика

В термодинамике исторически закон сохранения формулируется в виде первого принципа термодинамики:

Изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход

или альтернативно^[6]:

Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и совершение работы против внешних сил

В математической формулировке это может быть выражено следующим образом:

,

где введены обозначения  — количество теплоты, полученное системой,  — изменение внутренней энергии системы,  — работа, совершённая системой.

Закон сохранения энергии, в частности, утверждает, что не существует вечных двигателей первого рода, то есть невозможны такие процессы, единственным результатом которых было бы производство работы без каких-либо изменений в других телах^[6].

Гидродинамика

В гидродинамике идеальной жидкости закон сохранения энергии традиционно формулируется в виде уравнения Бернулли: вдоль линий тока остаётся постоянной сумма^[7]

Здесь введены следующие обозначения:  — скорость потока жидкости,  — тепловая функция жидкости,  — ускорение свободного падения,  — координата точки в направлении силы тяжести. Если внутренняя энергия жидкости не меняется (жидкость не нагревается и не охлаждается), то уравнение Бернулли может быть переписано в виде^[8]

где  — давление жидкости,  — плотность жидкости. Для несжимаемой жидкости плотность является постоянной величиной, поэтому в последнем уравнении может быть выполнено интегрирование^[8]:

Электродинамика

В электродинамике закон сохранения энергии исторически формулируется в виде теоремы Пойнтинга^[9][10](иногда также называемой теоремой Умова—Пойнтинга^[11]), связывающей плотность потока электромагнитной энергии с плотностью электромагнитной энергии и плотностью джоулевых потерь. В словесной форме теорема может быть сформулирована следующим образом:

Изменение электромагнитной энергии, заключённой в неком объёме, за некий интервал времени равно потоку электромагнитной энергии через поверхность, ограничивающую данный объём, и количеству тепловой энергии, выделившейся в данном объёме, взятой с обратным знаком.

Математически это выражается в виде (здесь и ниже в разделе использована Гауссова система единиц)

где  — некий объём,  — поверхность, ограничивающая этот объём,

 — плотность электромагнитной энергии,

 — вектор Пойнтинга,

 — плотность тока,  — напряжённость электрического поля,  — индукция электрического поля,  — напряжённость магнитного поля,  — индукция магнитного поля.

Этот же закон математически может быть записан в дифференциальной форме:

Нелинейная оптика

Основная статья: Соотношения Мэнли — Роу

В нелинейной оптике рассматривается распространение оптического (и вообще электромагнитного) излучения в среде с учётом многоквантового взаимодействия этого излучения с веществом среды. В частности, широкий круг исследований посвящён задачам так называемых трёх- и четырёхволновоого взаимодействий, в которых происходит взаимодействие соответственно трёх или четырёх квантов излучения. Поскольку каждый отдельный акт такого взаимодействия подчиняется законам сохранения энергии и импульса, существует возможность сформулировать достаточно общие соотношения между макроскопическими параметрами взаимодействующих волн. Эти соотношения носят название соотношений Мэнли — Роу.

В качестве примера рассмотрим явление сложения частот света: генерацию в нелинейной среде излучения с частотой , равной сумме частот двух других волн и . Этот процесс является частным случаем трёхволновых процессов: при взаимодействии двух квантов исходных волн с веществом они поглощаются с испусканием третьего кванта. Согласно закону сохранения энергии, сумма энергий двух исходных квантов должна быть равна энергии нового кванта:

Из этого равенства непосредственно следует одно из соотношений Мэнли — Роу:

,

которое, собственно, и выражает тот факт, что частота генерируемого излучения равна сумме частот двух исходных волн.

Релятивистская механика

В релятивистской механике вводится понятие 4-вектора энергии-импульса (или просто четырёхимпульса)^[12]. Его введение позволяет записать законы сохранения канонического импульса и энергии в единой форме, которая к тому же является лоренц-ковариантной, то есть не меняется при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую. Например, при движении заряженной материальной точки в электромагнитном поле ковариантная форма закона сохранения имеет вид

,

где  — канонический четырёхимпульс частицы,  — четырёхимпульс частицы,  — энергия частицы,  — четырёхвектор потенциала электромагнитного поля ,  — электрический заряд и масса частицы,  — собственное время частицы.

Также важным является тот факт, что даже при невыполнении закона сохранения энергии-импульса (например, в открытой системе) сохраняется модуль этого 4-вектора, с точностью до размерного множителя имеющий смысл энергии покоя частицы^[12]:

Квантовая механика

В квантовой механике также возможно формулирование закона сохранения энергии для изолированной системы. Так, в шредингеровском представлении при отсутствии внешних переменных полей гамильтониан системы не зависит от времени и можно показать^[13], что волновая функция, отвечающая решению уравнения Шредингера, может быть представлена в виде:

Здесь  — волновая функция системы,  — совокупность переменных, от которых зависит состояние системы в данном представлении,  — собственные функции и собственные значения оператора Гамильтона,  — постоянная Планка,  — некоторые постоянные комплексные коэффициенты, характеризующие состояние системы. По определению средней энергией квантовой системы, описываемой волновой функцией, называется интеграл

где  — гамильтониан системы. Несложно видеть, что этот интеграл не зависит от времени:

где также использовано свойство ортонормированности собственных функций гамильтониана^[14]. Таким образом, энергия замкнутой системы сохраняется.

Следует, однако, отметить, что по сравнению с классической механикой у квантового закона сохранения энергии имеется одно существенное отличие. Дело в том, что для экспериментальной проверки выполнения закона необходимо провести измерение, представляющее собой взаимодействие исследуемой системы с неким прибором. В процессе измерения система, вообще говоря, более не является изолированной и её энергия может не сохраняться (происходит обмен энергией с прибором). В рамках классической физики, однако, это влияние прибора всегда может быть сделано сколь угодно малым, в то время как в квантовой механике имеются фундаментальные ограничения на то, насколько малым может быть возмущение системы в процессе измерения. Это приводит к так называемому принципу неопределённости Гейзенберга, который в математической формулировке может быть выражен в следующем виде:

,

где имеет смысл среднеквадратичного отклонения измеренного значения энергии от среднего значения при проведении серии измерений,  — продолжительность взаимодействия системы с прибором в каждом из измерений.

В связи с наличием этого фундаментального ограничения на точность измерений в квантовой механике часто говорят о законе сохранения средней энергии (в смысле среднего значения энергии, полученного в результате серии измерений).

Общая теория относительности

Основная статья: Проблема законов сохранения в общей теории относительности

Являясь обобщением специальной теории относительности, общая теория относительности пользуется обобщением понятия четырёхимпульса — тензором энергии-импульса. Закон сохранения формулируется для тензора энергии-импульса системы и в математической форме имеет вид^[15]

где точка с запятой выражает ковариантную производную.

В общей теории относительности закон сохранения энергии, строго говоря, выполняется только локально. Связано это с тем фактом, что этот закон является следствием однородности времени, в то время как в общей теории относительности время неоднородно и испытывает изменения в зависимости от наличия тел и полей в пространстве-времени. Следует отметить, что при должным образом определённом псевдотензоре энергии-импульса гравитационного поля можно добиться сохранения полной энергии гравитационно взаимодействующих тел и полей, включая гравитационное^[16]. Однако на данный момент не существует общепризнанного способа введения энергии гравитационного поля, поскольку все предложенные варианты обладают теми или иными недостатками. Например, энергия гравитационного поля принципиально не может быть определена как тензор относительно общих преобразований координат^[17].

История открытия

История до XIX века

Философские предпосылки к открытию закона были заложены ещё античными философами. Ясную, хотя ещё не количественную, формулировку дал в «Началах философии» (1644) Рене Декарт^[18]:

Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит своё собственное движение.

Аналогичную точку зрения выразил в XVIII веке М. В. Ломоносов^[19]. В письме к Эйлеру он формулирует свой «всеобщий естественный закон» (5 июля 1748 года), повторяя его в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760)^[20][21]:

Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает^[22].

XIX век

Одним из первых экспериментов, подтверждавших закон сохранения энергии, был эксперимент Жозефа Луи Гей-Люссака, проведённый в 1807 году. Пытаясь доказать, что теплоёмкость газа зависит от объёма, он изучал расширение газа в пустоту и обнаружил, что при этом его температура не изменяется. Однако, объяснить этот факт ему не удалось^[19].

В начале XIX века рядом экспериментов было показано, что электрический ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое действия. Такое многообразие подвигло М. Фарадея выразить мнение, заключающееся в том, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга^[23]. Эта точка зрения, по своей сути, предвосхищает закон сохранения энергии.

Сади Карно

Сади Карно — французский физик, выполнивший первые работы по установлению количественой связи между работой и теплотой.

Первые работы по установлению количественной связи между совершённой работой и выделившейся теплотой были проведены Сади Карно^[23]. В 1824 году им была опубликована небольшая брошюра «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (фр. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а développer cette puissance^[24]), которая вначале не получила большой известности, и была случайно обнаружена Клапейроном через 10 лет после издания. Клапейрон придал изложению Карно современную аналитическую и графическую форму и переопубликовал работу под тем же названием в журнале «Journal de l’Ecole Polytechnique». Позднее была также перепечатана в «Анналах Поггендорфа». После ранней смерти Карно от холеры остались дневники, которые были опубликованы его братом. В них, в частности, Карно пишет^[25]:

Доподлинно неизвестно, какие именно размышления привели Карно к этому выводу, но по своей сути они являются аналогичными современным представлениям о том, что совершённая над телом работа переходит в его внутреннюю энергию, то есть теплоту. Также в дневниках Карно пишет^[26]:

Однако, ему не удалось найти более точное количественное соотношение между совершённой работой и выделившимся теплом.

Джеймс Джоуль

Установка Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Груз, расположенный справа, заставлял лопасти, погруженные в воду, вращаться, в результате чего вода нагревалась.

Количественное доказательство закона было дано Джеймсом Джоулем в ряде классических опытов. Он помещал в сосуд с водой соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита. Джоуль измерял количество теплоты, выделявшееся в результате трения в катушке, в случаях замкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита. Сравнивая эти величины он пришёл к выводу, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату силы тока и создаётся механическими силами. Далее Джоуль усовершенствовал установку, заменив вращение катушки рукой на вращение, производимое падающим грузом. Это позволило связать величину выделяемого тепла с изменением энергии груза^[19][27]:

Эти результаты были изложены на физико-математической секции Британской ассоциации в его работе 1843 года «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла»^[28].

В работах 1847—1850 годов Джоуль даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них.

Роберт Майер

Роберт Майер первым выдвинул гипотезу об универсальности закона сохранения энергии

Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер^[19]. При исследовании законов функционирования человека у него возник вопрос, не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу. Если количество теплоты не изменялось бы, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путём перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменяется, то, следовательно, работа и тепло должны быть как-то связаны между собой и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме^[23]:

Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам

Ему же принадлежит обобщение закона сохранения энергии на астрономические тела. Майер утверждает, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должна сопровождаться химическими превращениями или механической работой на Солнце:

Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе

Свои мысли Майер изложил в работе 1841 года «О количественном и качественном определении сил»^[29], которую послал сначала в ведущий на тот момент журнал «Annalen der Physik und Chemie», где она была отклонена главным редактором журнала Иоганном Поггендорфом, после чего статья была опубликована в «Annalen der Chemie und Pharmacie», где оставалась незамеченной до 1862 года, когда её обнаружил Клаузиус.

Герман Гельмгольц

Герман Гельмгольц первым ввёл представление о потенциальной энергии

Рассуждения Майера и опыты Джоуля доказали эквивалентность механической работы и теплоты, показав, что количество выделяемой теплоты равно совершённой работе и наоборот, однако, формулировку в точных терминах закону сохранения энергии первым дал Герман Гельмгольц^[23]. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц связывал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей^[30]. В своих рассуждениях он шёл от механистической концепции устройства материи, представляя её как совокупность большого количество материальных точек, взаимодействующих между собой посредством центральных сил. Исходя из такой модели, Гельмгольц свёл все виды сил (позднее получивших название видов энергии) к двум большим типам: живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (потенциальной энергии). Закон сохранения этих сил был им сформулирован в следующем виде^[31]:

В этой цитате под живой силой Гельмгольц понимает кинетическую энергию материальных точек, а под силой напряжения — потенциальную. Мерой произведённой работы Гельмгольц предложил считать половину величины mq² (где m — масса точки, q — её скорость) и выразил сформулированный закон в следующей математической форме^[31]:

понимая под и скорости тела в положениях и соответственно, а под  — «величину силы, которая действует по направлению r» и «считается положительной, если имеется притяжение, и отрицательной, если наблюдается отталкивание…»^[30] Таким образом, главным нововведением Гельмгольца стало введение понятия потенциальных сил и потенциальной энергии, что позволило в дальнейшем обобщить закон сохранения энергии на все разделы физики. В частности, опираясь на закон сохранения энергии, он вывел закон электромагнитной индукции Фарадея.

Введение термина «энергия»

Переход от понятия «живой силы» к понятию «энергии» произошёл в начале второй половине XIX века и был связан с тем, что понятие силы уже было занято в ньютоновской механике. Само понятие энергии в этом смысле было введено ещё в 1807 году Томасом Юнгом в его «Курсе лекций по естественной философии и механическому искусству» (англ. «A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts»)^[32][33]. Первое строгое определение энергии дал Уильям Томсон в 1852 году в работе «Динамическая теория тепла»^[23][34]:

Под энергией материальной системы в определённом состоянии мы понимаем измеренную в механических единицах работы сумму всех действий, которые производятся вне системы, когда она переходит из этого состояния любым способом в произвольно выбранное нулевое состояние

Оригинальный текст  (англ.)  

«mechanical energy of a body in a given state,» will denote the mechanical value of the effects the body would produce in passing from the state in which it is given, to the standard state

Философское значение закона

Открытие закона сохранения энергии оказало влияние не только на развитие физических наук, но и на философию XIX века. С именем Роберта Майера связано возникновение так называемого естественно-научного энергетизма — мировоззрения, сводящего всё существующее и происходящее к энергии, её движению и взаимопревращению. В частности, материя и дух в этом представлении являются формами проявления энергии. Главным представителем этого направления энергетизма является немецкий химик Вильгельм Оствальд, высшим императивом философии которого стал лозунг «Не растрачивай понапрасну никакую энергию, используй её!»^[35]

Примечания

1. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. — Издание 4-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 25. — 215 с. — («Теоретическая физика», том I). — ISBN 5-02-013850-9
2. ↑ ^{1 2} Савельев И. В. Глава 3. Работа и энергия // Курс общей физики. Механика. — 4-е изд. — М.: Наука, 1970. — С. 89—99. — ISBN 5-17-002963-2
3. ↑ Савельев И. В. Глава 9. Колебательное движение // Курс общей физики. Механика. — 4-е изд. — М.: Наука, 1970. — С. 228—229. — ISBN 5-17-002963-2
4. ↑ Савельев И. В. Глава 9. Колебательное движение // Курс общей физики. Механика. — 4-е изд. — М.: Наука, 1970. — С. 234—235. — ISBN 5-17-002963-2
5. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1979. — Т. I. Механика. — С. 123—147. — 520 с.
6. ↑ ^{1 2} Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — С. 37—41.
7. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Гидродинамика. — М., 1986. — С. 24—25. — («Теоретическая физика», том VI).
8. ↑ ^{1 2} Г. Ламб Гидродинамика. — М., Л.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1947. — С. 36—38. — 928 с. — 8000 экз.
9. ↑ J. D. Jackson. Classical Electrodynamics. — 2nd Ed. — John Wiley & Sons, Inc., 1975. — С. 189—190. — 848 с. — ISBN 047143132X
10. ↑ И. Е. Тамм §92. Теорема Пойнтинга. Поток энергии // Основы теории электричества. — 10-е изд., испр. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — С. 346—351. — 504 с. — 25 500 экз. — ISBN 5-02-014244-1
11. ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1977. — Т. III. Электричество. — С. 364. — 688 с.
12. ↑ ^{1 2} Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 45—49. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
13. ↑ Д. И. Блохинцев. Основы квантовой механики. — 7-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2004. — С. 125—127. — 672 с. — 2000 экз. — ISBN 5-8114-0554-5
14. ↑ Д. И. Блохинцев. Основы квантовой механики. — 7-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2004. — С. 94—97. — 672 с. — 2000 экз. — ISBN 5-8114-0554-5
15. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 352. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
16. ↑ Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — С. 362—368. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7
17. ↑ А. В. Петров. Законы сохранения в ОТО и их приложения. Конспект лекций.
18. ↑ Кудрявцев П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1974. — Т. I (глава VI). — С. 148.
19. ↑ ^{1 2 3 4} 100 великих научных открытий / Д. К. Самин. — М.: Вече, 2002. — С. 90—93. — 480 с. — 25 000 экз. — ISBN 5-7838-1085-1
20. ↑ Михаил Васильевич Ломоносов. Избранные произведения в 2-х томах. М.: Наука. 1986
21. ↑ Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX в. — М.: Наука, 1969
22. ↑ В латинском тексте письма говорится о сохранении движения — в русском переводе речь идет о сохранении силы. В письме М. В. Ломоносов впервые объединяет в одной формулировке законы сохранения материи и движения и называет это «всеобщим естественным законом».
23. ↑ ^{1 2 3 4 5} В. М. Дуков История формулировки закона сохранения энергии (рус.) // Физика : Учебно-методическая газета. — М.: Издательский дом «Первое сентября», 2002. — № 31/02.
24. ↑ Sadi Carnot. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а développer cette puissance. — 1824. — 102 с. (русский перевод В. Р. Бурсиана и Ю. А. Круткова: Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу на сайте nature.web.ru)
25. ↑ Sadi Carnot. Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à développer oette puissance. — Paris: Gauthier-Villar, Imprimeur-Libraire, 1878. — С. 94. — 102 с.
26. ↑ Sadi Carnot. Réflexions sur la puissance motrice du feu, et sur les machines propres à développer oette puissance. — Paris: Gauthier-Villar, Imprimeur-Libraire, 1878. — С. 95. — 102 с.
27. ↑ Donald S. L. Cardwell. James Joule: A Biography. — Manchester University Press, 1991. — С. 57. — 333 с. — ISBN 0-7190-3479-5
28. ↑ James Prescott Joule. On the Calorific Effects of Magneto-Electricity, and on the Mechanical Value of Heat. — 1843. — 32 с.
29. ↑ von J. R. Mayer Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur (нем.) // Annalen der Chemie und Pharmacie. — 1842. — Т. 42. — С. 233—240.
30. ↑ ^{1 2} Кудрявцев, П. С. Открытие закона сохранения и превращения энергии // Курс истории физики. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Просвещение, 1982. — 448 с.
31. ↑ ^{1 2} Hermann von Helmholtz. Über die Erhaltung der Kraft. — Berlin: Druck und Verlag von G. Reimer, 1847. — С. 17. — 72 с.
32. ↑ Thomas Young. A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts: in two volumes. — London: Joseph Johnson, 1807. — Т. Vol. 1. — 796 с.
33. ↑ Thomas Young. A course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts: in two volumes. — London: Joseph Johnson, 1807. — Т. Vol. 2. — 738 с.
34. ↑ William Thomson Kelvin. On the dynamical theory of heat. — 1852.
35. ↑ Энергетизм // Философский энциклопедический словарь. — 2010.

Литература

Законы сохранения в механике. Механическая работа, мощность, энергия, закон сохранения импульса, закон сохранения энергии, равновесие твердых тел

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена — только преобразована из одной формы энергии в другую. Это означает, что система всегда имеет одинаковое количество энергии, если только она не добавляется извне. Это особенно сбивает с толку в случае неконсервативных сил, когда энергия преобразуется из механической энергии в тепловую, но общая энергия остается неизменной. Единственный способ использовать энергию — это преобразовывать энергию из одной формы в другую.

Таким образом, количество энергии в любой системе определяется по следующему уравнению:

[математика] U_ {T} = U_ {i} + W + Q [/ математика]

• [math] U_T [/ math] — это полная внутренняя энергия системы.
• [math] U_i [/ ​​math] — начальная внутренняя энергия системы.
• [математика] W [/ математика] — это работа, выполняемая системой или в ней.
• [math] Q [/ math] — тепло, добавляемое к системе или отводимое от нее.

Также можно определить изменение внутренней энергии системы, используя уравнение:
[математика] \ Дельта U = W + Q [/ математика]

Это также утверждение первого закона термодинамики.

Хотя эти уравнения чрезвычайно эффективны, они могут затруднить понимание силы утверждения. Вывод состоит в том, что энергию нельзя создать из ничего. Общество должно откуда-то получать энергию, хотя есть много скрытых мест, откуда можно получить ее (некоторые источники являются первичным топливом, а некоторые источники — потоками первичной энергии).

В начале 20 ^-го -го века Эйнштейн понял, что даже масса является формой энергии (это называется эквивалентностью массы и энергии).8 м / с [/ математика].

Для дальнейшего чтения

Чтобы узнать больше о физике закона сохранения энергии, см. Раздел «Гиперфизика» или о том, как это связано с химией, см. Вики-страницу UC Davis по химии.

Сохранение энергии

Сохранение энергии — фундаментальное понятие физики.
вместе с
сохранение массы
и
сохранение импульса.
В некоторой проблемной области количество энергии остается постоянным.
и энергия не создается и не разрушается.Энергия может быть преобразована из
одна форма в другую (потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую
энергия), но полная энергия внутри домена остается фиксированной.

Термодинамика — это раздел физики
который имеет дело с энергией и работой системы. Как упоминалось на
слайд свойств газа, термодинамика
только с крупномасштабным откликом системы, который мы можем наблюдать
и измерять в экспериментах. В ракетостроении мы больше всех
интересуется термодинамикой в ​​изучении
двигательные установки
и понимание высокоскоростных потоков.

На некоторых отдельных слайдах мы обсудили
состояние статического газа,
свойства
которые определяют состояние, и
первый закон
термодинамики применительно к любой системе в целом.
На этом слайде мы выводим полезную форму уравнения сохранения энергии
для газа, начиная с первого закона термодинамики.
Если называть внутреннюю энергию газа E , то
работа, выполняемая газом W , и тепло, передаваемое газу Q ,
тогда первый закон термодинамики указывает, что между состоянием «1» и
состояние «2»:

E2 — E1 = Q — W

Аэрокосмические инженеры обычно упрощают термодинамический анализ
с использованием интенсивных переменных; переменные, не зависящие от
масса газа.Мы называем эти переменные
специфический
переменные. Мы создаем «конкретную» переменную, беря свойство,
значение зависит от массы системы и деления ее на массу
системы.
Многие из государственных объектов, перечисленных на этом слайде,
например работа и внутренняя энергия зависят от общей массы газа.
Мы будем использовать «специфические» версии этих переменных.
Инженеры обычно используют строчные буквы для обозначения «конкретных».
версия переменной. Тогда наше первое уравнение закона становится:

e2 — e1 = q — w

Поскольку мы рассматриваем движущийся газ, мы добавляем термин удельной кинетической энергии
к внутренней энергии на левой стороне.2) / 2

и уравнение первого закона становится:

e2 — e1 + k2 — k1 = q — w

Есть две части конкретной работы для
движущийся газ. Некоторые работы, называемые валковые работы (wsh) , являются
используется для перемещения жидкости или вращения вала, в то время как остальная часть
работа идет на изменение состояния
газ. Для
давление p и
удельный объем v , работа дана по:

w = (p * v) 2 — (p * v) 1 + wsh

Подставляя:

e2 — e1 + k2 — k1 = q — (p * v) 2 + (p * v) 1 — wsh

Если мы проведем небольшую алгебру по первому закону термодинамики,
мы можем начать группировать некоторые члены уравнений.2/2

Полная удельная энтальпия аналогична полному давлению в
Уравнение Бернулли; оба выражения
включают «статическое» значение плюс половину квадрата
скорость.

Последняя, ​​наиболее полезная форма уравнения энергии:
дано в красной рамке.

ht2 — ht1 = q — wsh

Для компрессора или
силовая турбина, нет внешнего тепла
поток в газ и член «q» установлен равным нулю. в
горелки, работы не выполняются и «wsh»
срок установлен на ноль.

Деятельность:

Экскурсии

Навигация ..

Руководство для начинающих Домашняя страница

Сохранение энергии | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните закон сохранения энергии.
• Опишите некоторые из множества форм энергии.
• Определите эффективность процесса преобразования энергии как долю оставшейся полезной энергии или работы, а не преобразованную, например, в тепловую энергию.

Закон сохранения энергии

Энергия, как мы уже отметили, сохраняется, что делает ее одной из важнейших физических величин в природе. Закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом:

Общая энергия постоянна в любом процессе. Он может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общая сумма остается неизменной.

Мы исследовали некоторые формы энергии и способы ее передачи из одной системы в другую.Это исследование привело к определению двух основных типов энергии — механической энергии (KE + PE) и энергии, передаваемой через работу, выполняемую неконсервативными силами ( W _nc ). Но энергия принимает многие другие формы, проявляясь многими различными способами, и нам нужно иметь возможность справиться со всем этим, прежде чем мы сможем написать уравнение для приведенного выше общего утверждения сохранения энергии.

Другие виды энергии, помимо механической энергии

На этом этапе мы имеем дело со всеми другими формами энергии, объединяя их в одну группу, называемую другая энергия (OE).Тогда мы можем сформулировать сохранение энергии в виде уравнения как KE _i + PE _i + W _nc + OE _i = KE _f + PE _f + OE _f .

Все виды энергии и работы могут быть включены в это очень общее заявление о сохранении энергии. Кинетическая энергия — это KE, работа, выполняемая консервативной силой, представлена ​​PE, работа, выполняемая неконсервативными силами, равна W _nc , а все другие энергии включены как OE.Это уравнение применимо ко всем предыдущим примерам; в этих ситуациях OE было постоянным, поэтому оно вычиталось и не учитывалось напрямую.

Установление соединений: полезность принципа энергосбережения

Тот факт, что энергия сохраняется и имеет множество форм, делает ее очень важной. Вы обнаружите, что энергия обсуждается во многих контекстах, потому что она участвует во всех процессах. Также станет очевидным, что многие ситуации лучше всего понять с точки зрения энергии, и что проблемы часто легче всего концептуализировать и решать, рассматривая энергию.

Когда OE играет роль? Один пример происходит, когда человек ест. Пища окисляется с выделением углекислого газа, воды и энергии. Часть этой химической энергии преобразуется в кинетическую энергию, когда человек движется, в потенциальную энергию, когда человек меняет высоту, и в тепловую энергию (другая форма OE).

Некоторые из многих форм энергии

Какие еще формы энергии? Вы, вероятно, можете назвать ряд форм энергии, которые еще не обсуждались. Многие из них будут рассмотрены в следующих главах, но давайте подробно остановимся на некоторых здесь. Электроэнергия — это обычная форма, которая преобразуется во многие другие формы и действительно работает в широком диапазоне практических ситуаций. Топливо, такое как бензин и продукты питания, несут химическую энергию , которая может быть передана системе путем окисления. Химическое топливо также может производить электрическую энергию, например, в батареях. Батареи, в свою очередь, могут производить свет, который представляет собой очень чистую форму энергии. Фактически, большинство источников энергии на Земле — это запасенная энергия из энергии, которую мы получаем от Солнца.Мы иногда называем это излучением или электромагнитным излучением, которое включает видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Ядерная энергия происходит из процессов, которые преобразуют измеримые количества массы в энергию. Ядерная энергия преобразуется в энергию солнечного света, в электрическую энергию на электростанциях и в энергию передачи тепла и взрыва в оружии. Атомы и молекулы внутри всех объектов находятся в беспорядочном движении. Эта внутренняя механическая энергия от случайных движений называется тепловой энергией , потому что она связана с температурой объекта.Эти и все другие формы энергии могут быть преобразованы друг в друга и могут работать.

В таблице 1 указано количество энергии, накопленной, используемой или высвобождаемой различными объектами и в различных явлениях. Диапазон энергий, разнообразие типов и ситуаций впечатляет.

Стратегии решения проблем для энергетики

Вы найдете следующие стратегии решения проблем полезными всякий раз, когда имеете дело с энергией. Стратегии помогают в организации и укреплении энергетических концепций.Фактически, они используются в примерах, представленных в этой главе. Знакомые общие стратегии решения проблем, представленные ранее, включающие определение физических принципов, известных и неизвестных, проверочные единицы и т. Д., По-прежнему актуальны.

Шаг 1. Определите интересующую систему и определите, какая информация предоставляется и какое количество должно быть рассчитано. Эскиз поможет.

Шаг 2. Изучите все задействованные силы и определите, знаете ли вы или получаете ли вы потенциальную энергию от работы, выполняемой силами.Затем используйте шаг 3 или шаг 4.

Шаг 3. Если вы знаете потенциальные энергии сил, которые входят в проблему, тогда все силы консервативны, и вы можете применить закон сохранения механической энергии просто в терминах потенциальной и кинетической энергии. Уравнение, выражающее сохранение энергии: KE _i + PE _i = KE _f + PE _f .

Шаг 4. Если вы знаете потенциальную энергию только для некоторых сил, возможно потому, что некоторые из них неконсервативны и не имеют потенциальной энергии, или если есть другие энергии, которые нелегко трактовать с точки зрения силы и работы, то необходимо использовать закон сохранения энергии в самом общем виде.

KE _i + PE _i + W _NC + OE _i = KE _f + PE _f + OE _f .

В большинстве задач один или несколько членов равны нулю, что упрощает их решение. Не рассчитывайте W _c , работа сделана консервативными силами; он уже включен в условия PE.

Шаг 5. Вы уже определили типы работы и энергии (на шаге 2).Перед тем как найти неизвестное, по возможности исключите члены , чтобы упростить алгебру. Например, выберите h = 0 в начальной или конечной точке, чтобы PE _g был равен нулю. Затем привычным способом решите неизвестное.

Шаг 6. Проверьте ответ, чтобы убедиться, что он разумный . Решив проблему, еще раз проверьте формы работы и энергии, чтобы убедиться, что вы правильно составили уравнение сохранения энергии.Например, работа, выполняемая против трения, должна быть отрицательной, потенциальная энергия внизу холма должна быть меньше, чем наверху, и так далее. Также убедитесь, что полученное числовое значение является разумным. Например, конечная скорость скейтбордиста, спускающегося по наклонной рампе высотой 3 м, в разумных пределах может составлять 20 км / ч, но , а не 80 км / ч.

Преобразование энергии

Рис. 1. Солнечная энергия преобразуется в электрическую с помощью солнечных элементов, которые используются для запуска двигателя в этом летательном аппарате, работающем на солнечной энергии.(кредит: НАСА)

Преобразование энергии из одной формы в другую происходит постоянно. Химическая энергия пищи преобразуется в тепловую в процессе метаболизма; световая энергия преобразуется в химическую энергию посредством фотосинтеза. В более крупном примере химическая энергия, содержащаяся в угле, преобразуется в тепловую энергию, когда он сгорает, превращая воду в пар в бойлере. Эта тепловая энергия пара, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию при вращении турбины, которая соединена с генератором для производства электроэнергии.(Во всех этих примерах не вся начальная энергия преобразуется в упомянутые формы. Этот важный момент обсуждается позже в этом разделе.)

Другой пример преобразования энергии происходит в солнечном элементе. Солнечный свет, падающий на солнечный элемент (см. Рисунок 1), производит электричество, которое, в свою очередь, может использоваться для запуска электродвигателя. Энергия преобразуется из первичного источника солнечной энергии в электрическую, а затем в механическую.

КПД

Даже если энергия сохраняется в процессе преобразования энергии, выход полезной энергии или работы будет меньше, чем потребляемая энергия. Эффективность Eff процесса преобразования энергии определяется как

[латекс] \ displaystyle \ text {Эффективность} (Eff) = \ frac {\ text {полезная энергия или выход работы}} {\ text {общее количество потребляемой энергии}} = \ frac {W _ {\ text {out}}} {E _ {\ text {in}}} \\ [/ latex]

В таблице 2 перечислены некоторые показатели эффективности механических устройств и деятельности человека.Например, на угольной электростанции около 40% химической энергии угля становится полезной электрической энергией. Остальные 60% преобразуются в другие (возможно, менее полезные) формы энергии, такие как тепловая энергия, которая затем выделяется в окружающую среду через дымовые газы и градирни.

Исследования PhET: массы и пружины

Реалистичная лаборатория масс и пружин.Подвесьте массы к пружинам и отрегулируйте жесткость и демпфирование пружины. Вы даже можете замедлить время. Перенесите лабораторию на разные планеты. На диаграмме показаны кинетическая, потенциальная и тепловая энергии каждой пружины.

Щелкните, чтобы запустить моделирование.

Сводка раздела

• Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия постоянна в любом процессе. Энергия может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общее количество остается неизменным.
• Когда рассматриваются все формы энергии, сохранение энергии записывается в форме уравнения как KE _i + PE _i + W _nc + OE _i = KE _f + PE _f + OE _f , где OE — , все другие формы энергии , кроме механической энергии.
• Обычно встречающиеся формы энергии включают электрическую энергию, химическую энергию, лучистую энергию, ядерную энергию и тепловую энергию.
• Энергия часто используется для выполнения работы, но невозможно преобразовать всю энергию системы для работы.
• Эффективность Eff машины или человека определяется как [латекс] \ text {Eff} = \ frac {{W} _ {\ text {out}}} {{E} _ {\ text {in} }} \\ [/ latex], где Вт, , _из — полезная рабочая мощность, а E, , _в — потребляемая энергия.

Концептуальные вопросы

1. Рассмотрим следующий сценарий. Автомобиль, для которого трение не является незначительным, ускоряется на спуске с холма, и бензин заканчивается после короткого расстояния. Водитель позволяет машине двигаться дальше вниз по склону, затем вверх и по небольшому гребню.Затем он спускается с холма на заправочную станцию, где тормозит до остановки и заправляет бак бензином. Определите формы энергии, которыми обладает автомобиль, и то, как они изменяются и передаются в этой серии событий. (См. Рисунок 2.)

   Рис. 2. Автомобиль, испытывающий существенное трение, едет вниз по склону, преодолевает небольшой гребень, затем снова спускается по склону и останавливается на заправочной станции.

2. Автомобиль, испытывающий существенное трение, едет вниз по склону, преодолевает небольшой гребень, затем снова спускается по склону и останавливается на заправочной станции.
3. Автомобиль едет по инерции, пересекает гребень, затем снова спускается с горы и, наконец, останавливается на заправке. Каждая из этих позиций помечена стрелкой, направленной вниз.
4. Опишите передачу энергии и трансформацию копья, начиная с момента, когда спортсмен поднимает копье, и заканчивая тем, что копье застревает в земле после броска.
5. Нарушают ли устройства с КПД меньше единицы закон сохранения энергии? Объяснять.
6. Перечислите четыре различных формы или типа энергии. Приведите один пример преобразования каждой из этих форм в другую.
7. Перечислите преобразования энергии, которые происходят при езде на велосипеде.

Задачи и упражнения

1. Используя значения из Таблицы 1, сколько молекул ДНК могло бы быть разрушено энергией, переносимой одним электроном в луче старомодной телевизионной трубки? (Эти электроны сами по себе не опасны, но они создают опасные рентгеновские лучи.Более поздние модели ламповых телевизоров имели экранирование, которое поглощало рентгеновские лучи, прежде чем они ускользнули и подверглись воздействию зрителей.)
2. Используя соображения энергии и допуская незначительное сопротивление воздуха, покажите, что камень, брошенный с моста на высоте 20,0 м над водой с начальной скоростью 15,0 м / с, ударяется о воду со скоростью 24,8 м / с независимо от направления метания.
3. Если бы энергия термоядерных бомб использовалась для обеспечения мировых энергетических потребностей, сколько из 9-мегатоннных бомб потребовалось бы для годового запаса энергии (с использованием данных из Таблицы 1)? Это не так надумано, как может показаться — существуют тысячи ядерных бомб, и их энергия может быть захвачена в результате подземных взрывов и преобразована в электричество, как это делает природная геотермальная энергия.
4. (a) Использование синтеза водорода для получения энергии — мечта, которая может быть реализована в следующем столетии. Термоядерный синтез мог бы быть относительно чистым и почти безграничным источником энергии, как видно из таблицы 1. Чтобы проиллюстрировать это, подсчитайте, сколько лет нынешние энергетические потребности мира могут быть удовлетворены за счет одной миллионной энергии синтеза водорода в Мировом океане. (б) Как это время соотносится с исторически значимыми событиями, такими как продолжительность стабильной экономической системы?

Глоссарий

закон сохранения энергии: общий закон, согласно которому полная энергия постоянна в любом процессе; энергия может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общее количество остается прежним

электрическая энергия: энергия, переносимая потоком заряда

химическая энергия: энергия вещества, хранящаяся в связях между атомами и молекулами, которая может высвобождаться в химической реакции

лучистая энергия: энергия, переносимая электромагнитными волнами

ядерная энергия: энергия, выделяемая в результате изменений в атомных ядрах, таких как слияние двух легких ядер или деление тяжелого ядра

тепловая энергия: энергия внутри объекта из-за случайного движения его атомов и молекул, которая составляет температуру объекта

эффективность: показатель эффективности затраченной энергии для выполнения работы; полезная энергия или работа, деленная на общее количество потребляемой энергии

Избранные решения проблем и упражнения

1.2} = 24,8 \ text {м / с} \\ [/ latex]

4. (а) 25 × 10 ⁶ лет; (б) Это намного, намного больше, чем человеческие масштабы времени.

Закон сохранения энергии

Сохранение энергии

Энергия и теплофизика

Закон сохранения энергии

Руководство для преподавателей
для 14-16

Энергия сохраняется.Что это на самом деле означает и почему?

Вода в водоеме более или менее сохранена. Таким образом, количество воды всегда можно рассчитать исходя из количества, которое было там некоторое время назад: плюс количество, которое поступило, минус количество, которое ушло (возможно, вам придется учитывать испарение, а также вода сливается).

Еще один способ сказать то же самое — воду нельзя создать или уничтожить. Чтобы было что-то большее, оно должно войти; чтобы было меньше, он должен погаснуть.

Энергия похожа. Если вы возьмете любой объем пространства, то общая энергия внутри этого объема в данный момент времени всегда будет тем количеством, которое было там раньше, плюс общее количество, прошедшее через поверхность, минус общее количество, которое было вышел через поверхность.

Другой способ сказать то же самое — энергия не может быть произведена или уничтожена. Чтобы было что-то большее, оно должно было откуда-то исходить; чтобы там было меньше, он должен был уйти в другое место.Это также означает, что энергия — это величина, которую можно вычислить. Практическое значение для обучения здесь состоит в том, что важно делать выводы об изменениях энергии — сколько на входе, сколько на выходе — а не просто говорить об этом в целом.

Законы сохранения, такие как сохранение энергии, составляют основу физики. На самом деле они не являются утверждениями о знаниях, но содержат неявные предположения и определения. Однако они связаны с миром природы и содержат экспериментальные знания.

Возникновение физики энергии

К началу 19 века паровые машины получили широкое распространение. И физики, и инженеры стремились понять их, разработав «теорию паровых двигателей». В течение 1840-х годов в рамках этого процесса несколько ключевых людей разработали концепцию энергии и ее сохранения: Майер, Джоуль, Гельмгольц и Томсон.

Юлиус Майер, немецкий физик, был первым, кто сформулировал закон сохранения энергии в научной статье 1842 года.Майер экспериментально определил механический эквивалент тепла от тепла, выделяющегося при сжатии газа (не понимая, что тепло можно объяснить с точки зрения кинетической теории).

В 1847 году другой немецкий физик, Герман фон Гельмгольц, сформулировал тот же принцип в книге под названием О сохранении силы . В отличие от Майера, Гельмгольц рассматривал тепло как движущуюся материю. Идея сохранения возникла из его интереса к животному (телесному) теплу. Возможно, он не знал о предыдущей работе Майера.

Между 1839 и 1850 годами английский пивовар Джеймс Джоуль провел замечательную серию экспериментов, стремясь объединить электрические, химические и тепловые явления, продемонстрировав их взаимопревращаемость и их количественную эквивалентность. Его численные результаты и заключение были опубликованы в Philosophical Transactions of the Royal Society под заголовком О механическом эквиваленте тепла .

Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) сделал следующий шаг, рассматривая проблему необратимых тепловых процессов, до этого времени просто противоречие между Карно и Джоуль.Карно в своей теории тепловых двигателей 1824 г. утверждал, что тепло может теряться; совсем недавно Джоуль утверждал, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но может быть уничтожена. В научной статье Томсона 1851 года The Dynamical Equivalent of Heat он утверждал, что энергия была «потеряна для человека безвозвратно, но не потеряна в материальном мире». Таким образом, Томсон был первым человеком, который понял, что все изменения энергии связаны с ее рассеянием.

От энергии к термодинамике

Во второй половине XIX века Томсон и другие ученые (включая Клаузиуса, Ренкина, Максвелла, а затем и Больцмана) продолжали развивать эти идеи.Постепенно утвердились кинетическая теория и наука термодинамика, с сохранением энергии в качестве Первого закона и диссипации энергии в качестве Второго закона.

Можно ли нарушить закон сохранения энергии?

[1]
История физики / GUO Yi-ling, Chen Huijun ed Издательство: Пекин: Издательство Университета Цинхуа, 1993.7.

[2]
Консультации по теоретической механике и постановки задач; Автор: Гао Юньфэн, Ли Цзюньфэн, изд. Гао Юньфэн. Цзюньфэн; Издатель: Beijing Tsinghua University Press.

[3]
Физика; Автор: Чжу Фэн, редактор; Издатель: Beijing Tsinghua University Press.

[4]
Антивещество — абсолютное зеркало мира; Автор: Гордон — Фрейзер; Пресса: Шанхайская научно-техническая образовательная пресса.

ЗАКОН КИТАЙСКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ

Постоянный комитет Всекитайского собрания народных представителей

Распоряжение президента Китайской Народной Республики

№ 90

Закон Китайской Народной Республики об энергосбережении, принятый на 28-м заседании Постоянного комитета
Восьмого Всекитайского собрания народных представителей 1 ноября 1997 г. обнародована и вступает в силу с 1 ноября 1997 г.

Президент Китайской Народной Республики: Цзян Цзэминь

1 ноября 1997 г.

Закон Китайской Народной Республики об энергосбережении Содержание Глава I Общие положения

Глава II Управление по энергосбережению

Глава III Рациональное использование энергии

Глава IV Технологический прогресс в энергосбережении

Глава V Юридическая ответственность

Глава VI Дополнительное положение

Глава I Общие положения

Статья 1

Этот Закон принят с целью содействия энергосбережению во всем обществе, улучшения использования энергии и экономические показатели,
защита окружающей среды, обеспечение национального социально-экономического развития и удовлетворение потребностей людей к существованию.

Статья 2

Упомянутые в настоящем Законе энергоресурсы — уголь, сырая нефть, природный газ, электроэнергия, кокс, угольный газ, тепловая энергия, готовая
нефтепродукты, сжиженный нефтяной газ, биологическая энергия и все другие ресурсы, из которых напрямую получается полезная энергия
или путем обработки или преобразования.

Статья 3

Упомянутое в настоящем Законе энергосбережение означает усиление управления использованием энергии, принятие мер.
которые технологически осуществимы, экономически рациональны и приемлемы для окружающей среды и общества, сокращение потерь и отходов
во всех звеньях от производства энергии до потребления и более эффективного и рационального использования энергетических ресурсов.

Статья 4

Энергосбережение представляет собой долгосрочную стратегическую политику экономического развития страны.

Государственный совет и народные правительства провинций, автономных районов и муниципалитетов, непосредственно подчиняющихся центральному правительству
должны активизировать работу по энергосбережению, рационально корректировать промышленные структуры, структуры предприятий, структуры продукции и
структура потребления энергии, содействие технологическому прогрессу в области энергосбережения, снижение энергопотребления на единицу продукции
стоимость и потребление энергии на единицу продукции, улучшение разработки, обработки и преобразования, транспортировки или передачи
и снабжение энергией, постепенно улучшать использование энергии и способствовать развитию экономики энергосберегающего типа.

Государство поощряет разработку и использование новых энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Статья 5

Государство формулирует политику энергосбережения, составляет план энергосбережения и интегрирует его в национальную социально-экономическую систему.
план развития, обеспечивает рациональное использование энергетических ресурсов и согласовывает его с экономическим развитием и окружающей средой.
защита.

Статья 6

Государство поощряет и поддерживает исследования и распространение достижений науки и технологий в области энергосбережения, повышает известность
и образование в области энергосбережения, популяризирует научные знания в области энергосбережения и повышает осведомленность
все люди в энергосбережении.

Статья 7

Все подразделения и физические лица должны выполнять обязательства по энергосбережению и иметь право сообщать об актах расточительства.
в энергоресурсах.

Народные правительства всех уровней награждают подразделения и отдельных лиц, добившихся выдающихся достижений в области энергосбережения.
или исследования и распространение науки и технологий в области энергосбережения.

Статья 8

Управление, регулирующее работу по энергосбережению при Государственном совете, отвечает за надзор за энергосбережением.
и администрация по всей стране.Соответствующие департаменты Государственного совета несут ответственность за работу по энергосбережению.
надзор и администрация в рамках их соответствующих функций и обязанностей.

Отделы, регулирующие работу органов местного самоуправления по энергосбережению на уровне уезда или выше, должны отвечать за
надзор за энергосбережением и управление в соответствующих административных областях. Соответствующие ведомства
органов местного самоуправления на уровне уезда или выше несут ответственность за работу по надзору за энергосбережением и
администрации в рамках своих соответствующих функций и обязанностей.

Глава II Управление по энергосбережению

Статья 9

Государственный совет и органы местного самоуправления на всех уровнях должны усилить руководство работой по энергосбережению и
ежегодно занимаются планированием, координацией, надзором, инспектированием и продвижением работ по энергосбережению.

Статья 10

Государственный совет и народные правительства провинций, автономных районов и муниципалитетов, непосредственно подчиняющихся центральному правительству.
должны, в соответствии с политикой равного упора на экономию энергии и развитие энергоресурсов и уделять первоочередное внимание
к энергосбережению, и на основе сравнительной аутентификации технологии, экономики и окружающей среды энергосбережения
и освоение энергоресурсов, выбор инвестиционных проектов в области энергосбережения и освоения энергоресурсов по достоинству
и составить план инвестиций в энергетику.

Статья 11

Государственный совет и народные правительства провинций, автономных районов и муниципалитетов, непосредственно подчиняющихся центральному правительству.
организует фонды энергосбережения в фонды капитального строительства и технологической трансформации для использования в поддержку
рационального использования энергии и освоения новых энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Муниципальные и окружные народные власти должны организовать фонды энергосбережения с учетом фактических условий, которые будут использоваться в
поддержка рационального использования энергии и освоения новых энергоресурсов и возобновляемых источников энергии.

Статья 12

Технико-экономическое обоснование инвестиционного проекта с основными фондами должно включать конкретное подтверждение рационального использования энергии.

Проектирование и строительство инвестиционного проекта с основными фондами должны соответствовать стандартам рационального использования энергии.
и стандарты энергосберегающего проектирования.

Орган экспертизы и утверждения не должен утверждать строительство в соответствии с законом проекта, не отвечающего требованиям
стандарты рационального использования энергии и стандарты энергосберегающего проектирования; отсутствие приемочных проверок проекта, несоблюдение
стандарты рационального использования энергии и стандарты энергосберегающего проектирования должны соблюдаться.

Статья 13

Запрещается новое строительство энергоемких промышленных объектов с устаревшими технологиями и тяжелыми отходами энергоресурсов.
Разработать каталог и конкретные меры по запрету нового строительства энергоемких промышленных объектов.
Департаментом управления энергосбережением при Государственном совете совместно с соответствующими департаментами в соответствии с
Государственный совет.

Статья 14

Компетентный административный отдел стандартизации при Государственном совете разрабатывает государственные стандарты для энергетики.
сохранение.

В случае отсутствия государственных стандартов, как указано в предыдущем параграфе, соответствующие департаменты при Государственном совете могут
сформулировать соответствующие торговые стандарты энергосбережения и представить их в компетентный административный отдел стандартизации в соответствии с
Государственный совет для протокола.

Стандарты энергосбережения, которые должны быть сформулированы, должны быть технологически современными и экономически рациональными, которые должны постоянно обновляться.
усовершенствованный и улучшенный.

Статья 15

Департамент управления энергосбережением при Государственном совете вместе с соответствующими департаментами
при Госсовете усилить надзор за торговыми предприятиями, производящими широкомасштабную энергопотребляющую продукцию, призвать их
принять меры по энергосбережению и приложить усилия для обновления конструкции и технологии производства продукции, а также для постепенного снижения энергопотребления.
потребление на единицу продукции соответствующих торгов.

Статья 16

Департаменты управления энергосбережением народных правительств на уровне провинции или выше должны, совместно
с заинтересованными отделами соответствующего уровня сформулировать потолки энергопотребления на единицу продукции для продукции
поглощение энергии в процессе производства.

Расчет потолков по потреблению энергии на единицу продукции должен быть научным и рациональным.

Статья 17

В государстве действует система ликвидации устаревших энергоемких продуктов и оборудования.

Каталог энергоемких продуктов и оборудования, которые должны быть выведены из обращения, должен быть определен и опубликован Министерством энергетики.
Управление сохранения при Государственном совете совместно с соответствующими департаментами при Государственном совете. Специфический
меры по реализации должны быть сформулированы отделом управления энергосбережения при Госсовете в
взаимодействие с соответствующими ведомствами при Государственном совете.

Статья 18

Предприятия могут в соответствии с принципом добровольности и в соответствии с положениями государства, касающимися качества продукции
аутентификации, обратитесь в органы аутентификации, признанные отделом по надзору и администрированию качества продукции.
при Государственном совете или отделах, уполномоченных отделом по надзору за качеством продукции и администрации при
Государственный совет по проверке подлинности энергопотребляющих продуктов энергосбережения; предприятия, прошедшие аутентификацию, должны
получить сертификат проверки качества энергосбережения и использовать знак проверки качества энергосбережения на потребляющих энергию
продукты или их упаковки.

Статья 19

Статистические управления всех народных правительств на уровне округа или выше должны совместно с соответствующими департаментами
на соответствующем уровне, хорошо поработать в статистике состояния потребления и использования энергии и опубликовать бюллетень
через регулярные промежутки времени обнародовать состояние потребления энергии на единицу продукции основных энергопотребляющих продуктов и т. д.

Статья 20

Государство должно усилить управление энергосбережением в отношении основных энергопотребляющих единиц.

Основными энергопотребляющими единицами являются следующие энергопотребляющие агрегаты:

(1)

энергопотребляющие агрегаты с совокупным годовым потреблением энергии более 10 000 тонн условного угля;

(2)

энергопотребляющих агрегата с совокупным годовым потреблением энергии более 5000 тонн и менее 10000 тонн условного угля
заинтересованными ведомствами при Государственном совете или отделами управления энергосбережением народных правительств
провинций, автономных районов и муниципалитетов, находящихся в непосредственном подчинении центрального правительства.

Департаменты управления энергосбережением всех народных правительств на уровне округа или выше должны организовать
ведомства, осуществляющие надзор и инспектирование состояния энергопотребления основных энергопотребляющих объектов,
и может поручить подразделениям тестирование и измерение технической квалификации для проведения тестирования и измерения энергосбережения в
в соответствии с законом.

Требования к энергосбережению, энергосберегающие меры и меры контроля для основных энергопотребляющих агрегатов должны быть сформулированы
департамент управления энергосбережением при Государственном совете совместно с соответствующими департаментами
Государственный совет.

Глава III Рациональное использование энергии

Статья 21

Энергопотребляющая единица должна, в соответствии с принципом рационального использования энергии, улучшать управление энергосбережением,
сформулировать и организовать выполнение энергосберегающих технических мероприятий агрегата по снижению энергозатрат.

Энергопотребляющие подразделения должны проводить обучение по энергосбережению и организовывать соответствующий персонал для участия в энергосбережении
подготовка.

Персонал, не прошедший обучение и тренинг по энергосбережению, не может работать на постах с энергопотребляющим оборудованием.

Статья 22

Энергопотребляющие единицы должны усилить управление количественной оценкой и усовершенствовать систему статистики и анализа энергопотребления.
состояния использования энергии.

Статья 23

Энергопотребляющие единицы создают систему ответственности за энергосбережение и награждают коллективы и отдельных лиц, имеющих
добился успехов в энергосбережении.

Статья 24

Агрегаты

, производящие продукцию с высоким потреблением энергии, должны соблюдать ограничения потребления энергии на единицу продукции, сформулированные в
в соответствии с законом.

Если обстоятельства серьезны, когда потребление энергии превышает потолочные значения потребления энергии на единицу продукции, обработка
осуществляется в установленный срок. Обращение в течение определенного периода времени решается департаментами энергетики.
природоохранная администрация народных правительств на уровне округа или выше в соответствии с кругом ведения, установленным
Государственный совет.

Статья 25

Подразделения и физические лица, производящие и продающие энергопотребляющую продукцию и использующие энергопотребляющее оборудование, должны в течение срока
определяется отделом энергосбережения при Госсовете совместно с заинтересованными ведомствами
при Госсовете прекратить производство и продажу энергоемкой продукции, выведенной из употребления по срочному госзаказу, прекратить использование
энергопотребляющего оборудования, снятого с производства по срочному государственному заказу, и не передавать снятое с производства оборудование в пользование другим лицам.

Статья 26

Подразделения и физические лица, производящие энергоемкие продукты, должны правдиво указывать индекс потребления энергии в описаниях продуктов.
и товарные знаки.

Статья 27

Предприятиям и физическим лицам, производящим энергопотребляющую продукцию, запрещается использовать поддельные идентификационные знаки качества энергосбережения или имитировать
энергосберегающие знаки проверки качества.

Статья 28

Основные энергопотребляющие единицы должны, согласно соответствующим государственным положениям, представлять отчеты о состоянии использования энергии в
регулярные промежутки.Состояние использования энергии включает в себя такое содержание, как информация о потреблении энергии, анализ энергии.
преимущества эффективности использования и энергосбережения, а также меры по энергосбережению.

Статья 29

Основные энергопотребляющие единицы должны создавать посты энергоменеджмента, нанимать персонал энергоменеджмента из числа сотрудников с
знание специальности энергосбережения и практический опыт, а также техническое звание, указанное выше инженера, и подчиняться
административные департаменты энергосбережения народных правительств на уровне округа или выше и соответствующие департаменты
Для записи.

Персонал по управлению энергопотреблением несет ответственность за надзор и проверку состояния использования энергии в соответствующих
единицы измерения.

Статья 30

Рабочие и служащие частей, а также другие городские и сельские жители обязаны в соответствии с государственными предписаниями производить замеры.
и оплачивать сборы за использование таких энергоресурсов, как электричество, угольный газ, природный газ и уголь, производимые предприятиями, и должны
не использовать их бесплатно и не применять договорную систему паушальных выплат.

Статья 31

Подразделения по производству и управлению энергией должны, в соответствии с положениями законов, нормативных актов и договоренностями в контрактах, поставлять
энергия к энергопотребляющим агрегатам.

Глава IV Технологический прогресс в энергосбережении

Статья 32

Государство поощряет и поддерживает развитие современных энергосберегающих технологий, определяет приоритеты и направления
в разработке современных энергосберегающих технологий, устанавливает и совершенствует службу энергосберегающих технологий
система и стимулирует и стандартизирует рынок энергосберегающих технологий.

Статья 33

Государство организует выполнение крупных научно-исследовательских проектов по энергосбережению, демонстрацию энергосбережения.
проектов, предлагает проекты расширения энергосбережения и помогает предприятиям, учреждениям и частным лицам внедрять самые современные
энергосберегающая техника, технологии, оборудование и материалы.

Государство формулирует льготную политику в поддержку демонстрационных проектов энергосбережения и расширения энергосбережения.
проекты.

Статья 34

Государство поощряет внедрение зарубежных современных энергосберегающих технологий и оборудования и запрещает внедрение
устаревших зарубежных энергоемких технологий, оборудования и материалов.

Статья 35

Фонды энергосбережения создаются в фондах научных исследований, создаваемых Государственным советом и народными правительствами.
провинций, автономных районов и муниципалитетов, находящихся в непосредственном подчинении центрального правительства, для использования в самых современных энергосберегающих технологиях.
технологические исследования.

Статья 36

Все народные правительства на уровне уезда или выше должны организовать департаменты, заинтересованные в продвижении научных и
рациональное специализированное производство в соответствии с требованиями энергосбережения в соответствии с государственной промышленной политикой
и политика в области энергосберегающих технологий.

Статья 37

При проектировании и строительстве зданий в соответствии с положениями соответствующих законов и административных правил принимаются меры по энергосбережению.
тип строительных конструкций, материалов, аппаратов и изделий, улучшить изоляционные характеристики и снизить потребление энергии в
отопление, охлаждение и освещение.

Статья 38

Народные правительства на всех уровнях должны, в соответствии с политикой адаптации к местным условиям, мультиэнергетической взаимодополняемости,
комплексное использование и поиск выгод, укрепление энергетического строительства в сельских районах, разработка и использование таких возобновляемых источников энергии.
энергия и новые энергоресурсы, такие как метан, солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия, подземная тепловая энергия и т. д.

Статья 39

Государство поощряет развитие следующих энергосберегающих технологий общего назначения:

(1 )

расширение совместного производства тепловой и электрической энергии и центрального отопления, улучшение использования единиц тепловой энергии,
разработка технологии утилизации тепловой энергии лестничного типа, технологии совместного производства тепла, электроэнергии и холода и
технология тройной поставки тепла, электроэнергии и угольного газа и улучшение комплексного использования тепловой энергии;

(2)

поэтапное осуществление хозяйственной деятельности электродвигателей, дутьевых двигателей, насосного оборудования и систем, разработка электрических
регулирование скорости двигателя технология экономии электроэнергии и электроэнергии электронная технология экономии электроэнергии, разработка, производство
популяризация качественных и недорогих энергосберегающих аппаратов и повышение эффективности использования электроэнергии;

(3)

разработка и расширение таких чистых угольных технологий, как сжигание в проточном слое, бездымное сжигание, газификация, ожижение.
к видам угля в стране и улучшению использования угля;

(4)

разработка и распространение других энергосберегающих технологий общего назначения, проверенных в работе по энергосбережению, на
быть технологически зрелыми и иметь заметные преимущества.

Статья 40

Все торги должны формулировать торговую политику в области технологий энергосбережения, разрабатывать и распространять новые энергосберегающие технологии, новые методы,
новое оборудование и новые материалы, ограничение или поэтапный отказ от устаревших энергозатратных технологий, методов, оборудования и материалов.

Статья 41

Департамент управления энергосбережением при Государственном совете вместе с заинтересованными ведомствами
под эгидой Государственного совета устанавливать общие и связанные с торговлей технические цели, требования и меры по энергосбережению,
и своевременно вносить изменения в свете развития экономики и технологий энергосбережения, улучшать использование энергии,
снизить потребление энергии, чтобы позволить использованию энергии в Китае постепенно догонять передовые международные уровни.

Глава V Юридическая ответственность

Статья 42

В отношении нового строительства энергоемкого промышленного объекта, прямо запрещенного государственным заказом в нарушение
положения статьи 13 настоящего Закона, отдел энергосбережения администрации народного правительства на уровне или выше
уездный уровень должен выдвигать предложения, которые должны быть представлены в правительство на соответствующем уровне в соответствии с
к положению, установленному Госсоветом, предписывающему прекратить выпуск данного агрегата в производство или прекратить его использование.

Статья 43

В отношении объекта, производящего тяжелую энергоемкую продукцию, превышающую допустимые пределы потребления энергии на единицу продукции с нарушением
положений статьи 24 настоящего Закона при серьезных обстоятельствах, при которых не проводится лечение, предусмотренное для
лечение в указанный период времени или не соответствует требованиям к лечению, отдел энергосбережения
Администрация народного правительства на уровне уезда или выше может выступить с предложениями, которые должны быть представлены в
народное правительство на соответствующем уровне в соответствии с полномочиями, установленными Государственным советом для того, чтобы распорядиться указанным
блок для приостановки операций для консолидации или закрытия.

Статья 44

В отношении любого подразделения, производящего и продающего энергопотребляющую продукцию, снятие с производства по прямому государственному заказу с нарушением положений.
статьи 25 настоящего Закона отдел по надзору за качеством продукции Народного правительства на уровне или выше
уровень округа должен приказать указанному подразделению прекратить производство и продажу энергопотребляющих продуктов, снятых с производства по специальному государству
заказывать, конфисковывать незаконно произведенные и продаваемые энергопотребляющие продукты, снятые с производства по прямому государственному заказу, и незаконные доходы,
и одновременно наложить штраф более чем на 100% меньше пятикратной суммы незаконного дохода; Департамент промышленности
и коммерческое управление народного правительства на уровне округа или выше может отозвать лицензию на ведение бизнеса.

Статья 45

В отношении любого блока, использующего энергопотребляющее оборудование, выведенное из эксплуатации по прямому государственному заказу в нарушение положений статьи
25 настоящего Закона отдел энергосбережения народного правительства на уровне уезда или выше должен
потребовать от агрегата прекратить его использование и изъять энергопотребляющее оборудование, снятое с производства по специальному государственному заказу; куда
обстоятельства серьезны, отдел энергосбережения администрации народного правительства в округе или выше
уровень может выступать с предложениями, которые должны быть представлены в правительство на соответствующем уровне в соответствии с
полномочия, предписанные Государственным советом, чтобы приказать ему приостановить операции по консолидации или закрыть.

Статья 46

В отношении любого, кто передает выведенное из эксплуатации энергопотребляющее оборудование другим лицам для использования в нарушение положений статьи
25 настоящего Закона, отдел по надзору за качеством продукции Народного правительства на уровне уезда или выше.
конфискует незаконные доходы и одновременно налагает штраф более чем на 100% меньше пятикратной суммы незаконного
прибыль.

Статья 47

В отношении любой единицы, на которой индекс энергопотребления не указан в описании продукта и на товарном знаке в
нарушение положений статьи 26 настоящего Закона, отдел по надзору за качеством продукции управления народного
Правительство на уровне округа или выше должно приказать ему внести исправление в указанный период времени и может наложить
штраф в размере менее 50 000 юаней.

В отношении любого устройства, индекс энергопотребления которого в описании продукта и на товарном знаке не указан.
в соответствии с фактическим состоянием товара в нарушение положений статьи 26 настоящего Закона нарушитель обязан
несут гражданско-правовую ответственность согласно положениям соответствующих законов в дополнение к штрафу согласно положениям
предыдущий абзац.

Статья 48

В отношении любой единицы, имеющей поддельный знак аутентификации энергосберегающего качества или имитирующей аутентификацию энергосберегающего качества.
отметить с нарушением положений статьи 27 настоящего Закона отдел по надзору за качеством продукции Управления
Народное правительство на уровне уезда или выше должно приказать ему открыто внести исправления, конфисковать незаконные доходы и
может одновременно наложить штраф более чем на 100% меньше, чем пятикратную сумму незаконного дохода.

Статья 49

Государственные служащие, злоупотребляющие властью, пренебрегающие своими обязанностями, корыстные проступки в работе по энергосбережению, обязаны, если
составлено преступление, подлежит уголовной ответственности; при отсутствии состава преступления — административные санкции
должны быть наложены.

Глава VI Дополнительное положение

Статья 50

Настоящий Закон вступает в силу с 1 января 1998 года.

«ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ»

Аннотация

Представьте себе велосипедиста, который едет накатом, не крутя педали, по очень гладкой дороге, но с множеством небольших холмов.Когда он взбирается на холм, сила тяжести, конечно, замедлит его; но это снова ускоряет его, когда он спускается с другой стороны. Мы говорим, что гравитация — это консервативная сила, потому что она возвращает велосипедисту столько же кинетической энергии (KE), когда он возвращается на более низкий уровень, сколько она забирала, когда он поднимался на вершину. Поэтому мы присваиваем велосипедисту гравитационную потенциальную энергию (PE) U _g , которая зависит только от его высоты. Потерянная кинетическая энергия преобразуется в этот U _g .Затем, к нашему удовольствию, мы обнаруживаем, что сумма E = K + U _g является (приблизительно) постоянной: U _g больше на вершине каждого холма и меньше внизу, именно так, что его изменение компенсирует изменение кинетической энергии K! Это пример сохранения механической энергии.

Однако, если мы некоторое время понаблюдаем за велосипедистом, мы с разочарованием обнаружим, что K + U _g сохраняется только приблизительно: силы трения постепенно замедляют велосипедиста; и через некоторое время он снова начинает крутить педали, тем самым увеличивая K + U _g .Но еще не все потеряно. Закон сохранения энергии можно сохранить, определив другие виды энергии (например, химическую, тепловую и ядерную), которые производятся действием так называемых неконсервативных сил. Если мы назовем эти немеханические формы энергии E _nc , то E = K + U + E _nc точно сохраняется. Фактически, сохранение энергии — один из великих принципов физики, который сохраняется даже за пределами области действия законов Ньютона.

Другой пример преобразования энергии — производство гидроэлектроэнергии, начиная с воды, накопленной за высокой плотиной.Когда вода устремляется вниз по впускным трубам, она приобретает кинетическую энергию, а затем воздействует на лопасти турбины, приводя их в движение; и, наконец, энергия передается электрически и превращается в тепло в духовке на кухне. Опыт такого рода преобразований энергии привел к формулировке закона сохранения энергии в середине девятнадцатого века: ЭНЕРГИЯ МОЖЕТ ТРАНСФОРМИРОВАТЬСЯ, НО НЕ СОЗДАВАЕТСЯ И НЕ РАЗРУШАЕТСЯ. С тех пор этот закон пережил многие научные и технологические разработки, и наши представления о возможных формах энергии расширились.Когда казалось, что энергия была создана или уничтожена, физики в конечном итоге могли идентифицировать новый источник энергии (например, термоядерную энергию на Солнце) или новый приемник энергии (например, нейтрино в бета-распаде).

В этом модуле мы будем касаться только механической энергии и энергии, которыми обмениваются при выполнении работы. Поэтому мы будем описывать примеры сохранения механической энергии — случай идеального велосипедиста и несохранения механической энергии — случай реального велосипедиста или гидроэлектростанции.Фактически, все практические, физически реализуемые явления включают трение, сопротивление воздуха и подобные эффекты, которые приводят к некоторому нагреву и соответствующей потере механической энергии. Поэтому мы будем иметь дело с идеализированными ситуациями, в которых силы трения отсутствуют или имеют простую форму.