Εξοικονόμηση ενέργειας και μετασχηματισμός
Η έννοια της εξοικονόμησης ενέργειας
Ένας θεμελιώδης νόμος που έχει τηρηθεί για όλα τα φυσικά φαινόμενα απαιτεί τη διατήρηση της ενέργειας - δηλαδή, ότι η συνολική ενέργεια δεν αλλάζει σε όλες τις πολλές αλλαγές που συμβαίνουν στη φύση. Η εξοικονόμηση ενέργειας δεν είναι περιγραφή οποιασδήποτε διαδικασίας που συμβαίνει στη φύση, αλλά μάλλον είναι μια δήλωση ότι η ποσότητα που ονομάζεται ενέργεια παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από το πότε αξιολογείται ή ποιες διαδικασίες - πιθανώς συμπεριλαμβανομένων των μετασχηματισμών ενέργειας από τη μία μορφή στην άλλη— προχωρήστε μεταξύ διαδοχικών αξιολογήσεων.
Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας εφαρμόζεται όχι μόνο στη φύση ως σύνολο αλλά και σε κλειστά ή απομονωμένα συστήματα μέσα στη φύση. Έτσι, εάν τα όρια ενός συστήματος μπορούν να καθοριστούν με τέτοιο τρόπο ώστε καμία ενέργεια να μην προστίθεται ούτε να αφαιρείται από το σύστημα, τότε η ενέργεια πρέπει να διατηρείται εντός αυτού του συστήματος ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες των διαδικασιών που συμβαίνουν μέσα στα όρια του συστήματος. Ένα επακόλουθο αυτής της δήλωσης κλειστού συστήματος είναι ότι όποτε η ενέργεια ενός συστήματος όπως καθορίζεται σε δύο διαδοχικές αξιολογήσεις δεν είναι η ίδια, η διαφορά είναι ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας που είτε έχει προστεθεί είτε αφαιρεθεί από το σύστημα στο χρονικό διάστημα που μεσολαβεί μεταξύ των δύο αξιολογήσεων.
Η ενέργεια μπορεί να υπάρχει σε πολλές μορφές μέσα σε ένα σύστημα και μπορεί να μετατραπεί από τη μία μορφή στην άλλη εντός του περιορισμού του νόμου περί διατήρησης. Αυτές οι διαφορετικές μορφές περιλαμβάνουν βαρυτική, κινητική, θερμική, ελαστική, ηλεκτρική, χημική, ακτινοβόλο, πυρηνική και μαζική ενέργεια. Είναι η καθολική εφαρμογή της έννοιας της ενέργειας, καθώς και η πληρότητα του νόμου της διατήρησής της σε διαφορετικές μορφές, που την καθιστά τόσο ελκυστική και χρήσιμη.
Μετασχηματισμός ενέργειας
Ένα ιδανικό σύστημα
Ένα απλό παράδειγμα ενός συστήματος στο οποίο η ενέργεια μετατρέπεται από τη μία μορφή στην άλλη παρέχεται στην ρίψη μιας σφαίρας με μάζα m στον αέρα. Όταν η μπάλα ρίχνεται κατακόρυφα από το έδαφος, η ταχύτητά της και έτσι η κινητική της ενέργεια μειώνεται σταθερά μέχρι να ξεκουραστεί στιγμιαία στο υψηλότερο σημείο της. Στη συνέχεια αντιστρέφεται, και η ταχύτητα και η κινητική της ενέργεια αυξάνονται σταθερά καθώς επιστρέφει στο έδαφος. Η κινητική ενέργεια Ε k της μπάλας κατά τη στιγμή που έφυγε από το έδαφος (σημείο 1) ήταν το ήμισυ το προϊόν της μάζας και το τετράγωνο της ταχύτητας, ή 1 / 2 mv 1 2, και μειώθηκε σταθερά στο μηδέν στο υψηλότερο σημείο (σημείο 2). Καθώς η μπάλα αυξήθηκε στον αέρα, κέρδισε την βαρυτική δυναμική ενέργεια Ε σ. Το δυναμικό με αυτή την έννοια δεν σημαίνει ότι η ενέργεια δεν είναι πραγματική, αλλά ότι αποθηκεύεται σε κάποια λανθάνουσα μορφή και μπορεί να αξιοποιηθεί για να κάνει δουλειά. Η βαρυτική δυνητική ενέργεια είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται σε ένα σώμα λόγω της θέσης του στο βαρυτικό πεδίο. Η δυναμική βαρυτική ενέργεια μάζας m παρατηρείται ότι δίδεται από το προϊόν της μάζας, το ύψος h που επιτυγχάνεται σε σχέση με κάποιο ύψος αναφοράς και την επιτάχυνση g ενός σώματος που προκύπτει από τη βαρύτητα της Γης που τραβά πάνω του, ή mgh. Τη στιγμή που η μπάλα άφησε το έδαφος στο ύψος h 1 η πιθανή ενέργεια της E p1 είναι mgh 1. Στο υψηλότερο σημείο, η δυνητική της ενέργεια E p2 είναι mgh 2. Εφαρμόζοντας το νόμο της εξοικονόμησης ενέργειας και υποθέτοντας ότι δεν υπάρχει τριβή στον αέρα, αυτά συμπληρώνουν για να σχηματίσουν τις ακόλουθες εξισώσεις:
Σε αυτό το εξιδανικευμένο παράδειγμα, η κινητική ενέργεια της μπάλας στο επίπεδο του εδάφους μετατρέπεται σε εργασία ανύψωσης της μπάλας σε h 2 όπου η δυναμική της βαρυτική ενέργεια έχει αυξηθεί κατά mg (h 2 - h 1). Καθώς η μπάλα πέφτει πίσω στο επίπεδο του εδάφους h 1, αυτή η βαρυτική δυναμική ενέργεια θα μετατρέπεται πίσω σε κινητική ενέργεια και ολική ενέργεια του σε h 1 και πάλι είναι 1 / 2 mv 1 2 + MGH 1. Σε αυτήν την αλυσίδα γεγονότων η κινητική ενέργεια της μπάλας είναι αμετάβλητη στο h 1. έτσι η εργασία που γίνεται στην μπάλα από τη δύναμη της βαρύτητας που ενεργεί σε αυτόν τον κύκλο γεγονότων είναι μηδέν. Αυτό το σύστημα λέγεται ότι είναι συντηρητικό.
