Збереження енергії
Повна енергія ізольованої системи зберігається, хоча може переходити між кінетичною, потенціальною, внутрішньою, електромагнітною та іншими формами. Коли “механічна енергія втрачається” через тертя, вона не зникає, а переходить переважно у внутрішню енергію системи й оточення.
Кінетична енергія
Для нерелятивістської частинки K=½mv². Теорема роботи й енергії каже W_net=ΔK, тому зміна швидкості може бути знайдена з роботи результуючої сили без явного розрахунку часу.
Потенціальна енергія
Для консервативних взаємодій зручно визначити U так, що робота сили дорівнює −ΔU. Поблизу Землі U_g≈mgh, а для ідеальної пружини U_s=½kx².
Механічна енергія
Якщо діють лише консервативні сили, K+U стала. Якщо є тертя, K+U може зменшитися, але повний баланс із внутрішньою енергією залишається точним.
Перший закон термодинаміки
Залежно від конвенції ΔU=Q−W, де W — робота системи над оточенням. Потрібно чітко фіксувати знак, бо різні підручники використовують різні домовленості.
Межа системи
Падаючий предмет можна розглядати окремо — тоді гравітація виконує зовнішню роботу. Якщо система “Земля+предмет”, гравітаційна потенціальна енергія є внутрішньою для системи. Обидва описи дають той самий фізичний результат.
Потужність
Потужність — швидкість передавання енергії: P=dE/dt. Два двигуни можуть виконати однакову роботу, але той, що зробить це швидше, має більшу потужність.
ККД
Корисна енергія не може перевищувати вхідну. Низький ККД означає, що більша частина енергії перейшла в небажані форми, найчастіше внутрішню енергію, а не була знищена.
Другий закон
Збереження кількості енергії не означає, що всі перетворення однаково можливі. Другий закон обмежує якість енергії та напрям спонтанних процесів через ентропію.
Енергетичний баланс у відкритій системі
Якщо система обмінюється енергією з оточенням, її власна енергія не зобов’язана бути сталою. Потрібно явно враховувати тепло, механічну роботу, електричну передачу, потоки маси чи випромінювання. Наприклад, батарея, що живить лампу, втрачає хімічну вільну енергію, а оточення отримує світло та тепло. Якщо розглядати лише лампу, енергія “з’являється” через електричну роботу на межі; якщо систему розширити до батареї й лампи, це внутрішнє перетворення. Закон збереження стає найкориснішим тоді, коли межа системи та всі канали переносу сформульовані явно.
Вправа
Брусок ковзає з тертям і зупиняється. Чи зникла його початкова кінетична енергія?
Розв’язання
Ні. Вона переважно стала внутрішньою енергією бруска та поверхні, частково звуком і деформацією.