אנו מסבירים מהו עקרון שימור האנרגיה, כיצד הוא פועל וכמה דוגמאות מעשיות לחוק הפיזיקלי הזה.
מהו עקרון שימור האנרגיה?
עקרון שימור האנרגיה או חוק שימור אנרגיה, המכונה גם העיקרון הראשון של התרמודינמיקה, קובע כי הכמות הכוללת של אֵנֶרְגִיָה במערכת פיזיקלית מבודדת (כלומר, ללא כל אינטראקציה עם מערכות אחרות) היא תמיד תישאר זהה, למעט כאשר היא הופכת לסוגים אחרים של אנרגיה.
זה מתמצה בעקרון שהאנרגיה ב עוֹלָם זה לא יכול להיווצר או להרוס, רק להפוך אותו לצורות אחרות של אנרגיה, כמו אנרגיה חשמלית ב אנרגיה קלורית (כך פועלים נגדים) או באנרגיית אור (כך פועלות נורות). לפיכך, בעת ביצוע עבודות מסוימות או בנוכחות תגובות כימיות מסוימות, נראה שכמות האנרגיה הראשונית והסופית השתנתה אם לא נלקחים בחשבון התמורות שלה.
על פי עקרון שימור האנרגיה, כאשר מכניסים כמות מסוימת של חום (Q) למערכת, היא תמיד תהיה שווה להפרש בין הגידול בכמות האנרגיה הפנימית (ΔU) בתוספת ה- עבודה (ו) עשה על ידי אמר מערכת. בדרך זו, יש לנו את הנוסחה: Q = ΔU + W, שממנו עולה כי ΔU = Q - W.
עיקרון זה חל גם על תחום הכִּימִיָה, מכיוון שהאנרגיה המעורבת בתגובה כימית תטוה להישמר תמיד, בדיוק כמו המסה, למעט מקרים שבהם האחרונה הופכת לאנרגיה, כפי שמצוין על ידי הנוסחה המפורסמת של אלברט איינשטיין של E = m.c2, כאשר E הוא אנרגיה, m הוא מסה, ו-c הואמהירות האור. משוואה זו היא בעלת חשיבות עליונה בתיאוריות רלטיביסטיות.
אנרגיה, אם כן, אינה אבודה, כפי שכבר נאמר, אך היא יכולה להפסיק להיות שימושית לביצוע עבודה, על פי החוק השני של התרמודינמיקה:אנטרופיה (הפרעה) של מערכת נוטה לגדול ככל שהמזג אווירבמילים אחרות, מערכות נוטות בהכרח לחוסר סדר.
פעולתו של חוק שני זה בהתאם לראשון היא המונעת את קיומן של מערכות מבודדות השומרות את האנרגיה שלהן שלמה לנצח (כגון תְנוּעָה תמידי, או התוכן החם של תרמוס). זה שלא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה לא אומר שהיא נשארת ללא שינוי.
דוגמאות לעקרון שימור האנרגיה
נניח שיש ילדה במגלשה, במנוחה. רק אחד פועל על פיו אנגריה פוטנציאלית של כוח המשיכהלכן, האנרגיה הקינטית שלו היא 0 J. כשהוא מחליק במגלשה, לעומת זאת, המהירות שלו עולה וכך גם אנרגיה קינטית, אך כאשר מאבדים גובה, האנרגיה הפוטנציאלית הכבידה שלו פוחתת גם היא. לבסוף, הוא מגיע למהירות מלאה ממש בסוף ההחלקה, עם האנרגיה הקינטית המקסימלית שלו. אבל הגובה שלו ירד ושלו אנרגיה פוטנציאלית אנרגיית הכבידה תהיה 0 J. אנרגיה אחת הופכת לאחרת, אך הסכום של שניהם תמיד יניב את אותה כמות במערכת המתוארת.
דוגמה אפשרית נוספת היא פעולת נורה, שמקבלת כמות מסוימת של כוח חשמלי על ידי הפעלת המתג והפיכתו ל אנרגיית אור ובאנרגיה תרמית, כשהנורה מתחממת. הכמות הכוללת של האנרגיה החשמלית, התרמית והאור זהה, אך היא עברה טרנספורמציה מחשמלית לאור ותרמית.