نشرح ما هو مبدأ الحفاظ على الطاقة وكيف يعمل وبعض الأمثلة العملية لهذا القانون الفيزيائي.
ما هو مبدأ الحفاظ على الطاقة؟
مبدأ حفظ الطاقة أو قانون الحفاظ على الطاقة، المعروف أيضًا باسم المبدأ الأول للديناميكا الحرارية ، ينص على أن المبلغ الإجمالي لـ طاقة في نظام فيزيائي معزول (أي بدون أي تفاعل مع أنظمة أخرى) سيبقى دائمًا كما هو ، إلا عندما يتم تحويله إلى أنواع أخرى من الطاقة.
يتلخص هذا في مبدأ أن الطاقة في كون لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها ، بل تتحول فقط إلى أشكال أخرى من الطاقة ، مثل الطاقة الكهربائية في طاقة السعرات الحرارية (هذه هي طريقة عمل المقاومات) أو في الطاقة الضوئية (هكذا تعمل المصابيح الكهربائية). ومن ثم ، عند القيام بوظائف معينة أو في وجود تفاعلات كيميائية معينة ، يبدو أن كمية الطاقة الأولية والنهائية قد تغيرت إذا لم تؤخذ تحولاتها في الاعتبار.
وفقًا لمبدأ حفظ الطاقة ، عند إدخال كمية معينة من الحرارة (Q) في نظام ما ، فستكون دائمًا مساوية للفرق بين الزيادة في كمية الطاقة الداخلية (ΔU) بالإضافة إلى مهنة (W) أدلى به قال النظام. بهذه الطريقة ، لدينا الصيغة: س = ΔU + Wومنه يتبع ذلك ΔU = Q - دبليو.
ينطبق هذا المبدأ أيضًا على مجالكيمياء، نظرًا لأن الطاقة المتضمنة في تفاعل كيميائي ستظل محفوظة دائمًا ، تمامًا مثلالجماعية، إلا في الحالات التي يتحول فيها الأخير إلى طاقة ، كما هو مبين في صيغة ألبرت أينشتاين الشهيرة ه = مك 2، حيث E هي الطاقة ، و m كتلة ، و cسرعة الضوء. هذه المعادلة ذات أهمية قصوى في النظريات النسبية.
الطاقة ، إذن ، لا تُفقد ، كما قيل سابقًا ، ولكن يمكن أن تتوقف عن أن تكون مفيدة لأداء العمل ، وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية:غير قادر علي (اضطراب) نظام ما يميل إلى الزيادة حيث أنطقسبعبارة أخرى ، تميل الأنظمة حتمًا إلى الفوضى.
إن عمل هذا القانون الثاني وفقًا للأول هو ما يمنع وجود أنظمة معزولة تحافظ على طاقتها سليمة إلى الأبد (مثل حركة دائمة ، أو المحتويات الساخنة من الترمس). هذه الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها لا يعني أنها تبقى دون تغيير.
أمثلة على مبدأ الحفاظ على الطاقة
لنفترض أن هناك فتاة على شريحة ، في حالة راحة. واحد فقط يعمل على ذلك طاقة الجاذبية الكامنةلذلك ، فإن طاقتها الحركية تساوي 0 ج.عندما تنزلق لأسفل الشريحة ، من ناحية أخرى ، تزداد سرعتها وكذلك تزداد الطاقة الحركية، ولكن عند فقدان الارتفاع ، تتناقص أيضًا طاقة وضع الجاذبية. أخيرًا ، تصل إلى أقصى سرعة عند نهاية الشريحة مباشرةً ، بأقصى طاقتها الحركية. لكن طوله سينخفض وطوله الطاقة الكامنة ستكون طاقة الجاذبية 0 J. تتحول إحدى الطاقات إلى طاقة أخرى ، لكن مجموع كلاهما سينتج دائمًا نفس المقدار في النظام الموصوف.
مثال آخر محتمل هو تشغيل المصباح الكهربائي ، الذي يتلقى كمية معينة من الطاقة الكهربائية من خلال تفعيل المفتاح وتحويله إلى الطاقة الضوئية وفي الطاقة الحرارية ، حيث ترتفع درجة حرارة المصباح. إن المقدار الإجمالي للطاقة الكهربائية والحرارية والضوء هو نفسه ، لكن تم تحويله من كهربائية إلى طاقة ضوئية وحرارية.