Що таке енергія і чи може вона зникнути?

Спочатку окреслімо систему

Уявімо межу навколо того, що досліджуємо. Усередині — система, зовні — її оточення. Межа може бути уявною: для обліку енергії не обов’язково будувати коробку.

Якщо стежити тільки за кулькою, поза обліком залишаться Земля, повітря, нитка й підвіс. Коли рука відхиляє кульку, вона передає енергію всередину обраної системи. Коли кулька штовхає повітря, енергія може виходити з неї. Передавання енергії через дію сили під час переміщення називають роботою. Тому запас енергії окремого тіла не зобов’язаний залишатися сталим.

Для нашого маятника зручно взяти ширшу систему: кулька, Земля, нитка, опора й навколишнє повітря. Тепер багато того, що було обміном із зовнішнім світом, стає внутрішнім перерозподілом. Почнемо відлік після того, як відпустили кульку: роботу руки до початку руху вже враховано початковим запасом.

Правило балансу просте: зміна енергії системи дорівнює енергії, що надійшла, мінус енергія, що вийшла. Якщо система ізольована, тобто не обмінюється енергією з оточенням, її загальна енергія стала. У реальній кімнаті межу можуть перетинати звук, випромінювання чи енергія рухомого повітря; їх теж потрібно врахувати, якщо вони істотні. OpenStax: обмін енергією та перший закон термодинаміки.

Висота обмінюється зі швидкістю

Спершу подумки усуньмо тертя в підвісі й опір повітря. Нитка легка, не розтягується, а її верхній кінець нерухомий. Такий ідеальний маятник допоможе відокремити один процес від іншого.

Піднята кулька та Земля мають більшу гравітаційну потенціальну енергію, ніж тоді, коли кулька внизу. Це енергія їхньої взаємодії, яка залежить від взаємного положення. Нуль цього відліку оберемо в найнижчій точці траєкторії.

Кулька падає вздовж дуги, і тяжіння розганяє її. Зменшується потенціальна енергія, зростає кінетична енергія — енергія руху. У нижній точці швидкість найбільша. Потім кулька піднімається з іншого боку: кінетична енергія зменшується, потенціальна зростає. За наших ідеальних умов вона повернеться на початкову висоту. OpenStax: потенціальна енергія системи.

Суму кінетичної та потенціальної енергії називають механічною енергією. В ідеальному маятнику ця сума стала. Кулька у верхній точці на мить нерухома, але її механічна енергія не нульова: лишається потенціальна частина. Отже, навіть відсутність руху ще не означає відсутності енергії.

Тертя прибирає енергію з видимого гойдання

Повернімо повітря та реальний підвіс. Кулька приводить у рух повітря, а в місцях тертя деформується й взаємодіє речовина. Узгоджений рух маятника поступово передає енергію багатьом дрібним рухам та взаємодіям. Частина може спочатку бути енергією звуку чи повітряних потоків, а згодом теж розсіятися.

Зростає внутрішня енергія — енергія мікроскопічних рухів і взаємодій частинок речовини. Зміна розподілена між кулькою, опорою й повітрям; вона може бути замалою, щоб відчути нагрівання рукою. Менше енергії залишається в механічному гойданні, тому наступна вершина нижча. Загальне збереження енергії не вимагає збереження саме механічної частини.

Тут важлива точність слів. Теплота — це енергія, передана через різницю температур; внутрішня енергія — запас, що описує стан системи. Тертя може збільшити внутрішню енергію через механічний процес і без початкової різниці температур. Після цього тепліша опора може передавати енергію прохолоднішому оточенню вже шляхом теплопередачі. Фраза «енергія перетворилася на тепло» в побуті зрозуміла, але приховує ці два різні кроки.

Це розрізнення має експериментальну опору. У дослідах Джоуля вантажі, що опускалися, обертали лопаті у воді, а термометр показував зростання її температури. Механічний процес змінював внутрішню енергію води; це не був випадок її нагрівання від гарячішого тіла. OpenStax: внутрішня енергія, теплота та досліди Джоуля.

Порівняйте нижче два проходження нижньої точки: ідеальне та умовне з втратами механічної енергії. Чи зменшується загальна довжина енергетичної смуги, коли зменшується її частина руху? Числа 0,70 і 0,30 J спеціально обрані для зрозумілого балансу; це не вимір реального маятника й не розрахунок сили опору.

В останньому стані кулька нерухома внизу, тому обидві механічні частини відносно обраного нуля дорівнюють нулю. Додаткова енергія, з якою почалося гойдання, лишилася в системі як приріст внутрішньої енергії. Ми не стверджуємо, що початкова внутрішня енергія кімнати була нульовою: смуги показують лише зміни, пов’язані з цим запуском.

Енергія може перетинати межу і зі світлом

Щоб передати енергію, не обов’язково торкатися тіла чи переносити до нього речовину. Сонячне випромінювання проходить крізь майже порожній простір, досягає Землі, а поглинання може збільшити внутрішню енергію поверхні. Видиме світло та інфрачервоне випромінювання належать до електромагнітного випромінювання; для його поширення матеріальне середовище не потрібне. OpenStax: передача енергії випромінюванням.

Тож якщо наша система — лише освітлений предмет, світло приносить енергію ззовні. Якщо предмет випромінює енергію назовні, її запас може зменшуватися. У схемі маятника такий обмін ми занедбали; для нагрівання планети або охолодження космічного апарата він може бути головним.

Перевірте себе: після запуску маятника частина енергії пішла зі звуком за межу обраної кімнати. Чи мусить сума енергій усередині кімнати залишитися такою самою?

Ні. Кімната в цьому описі вже обмінюється енергією з оточенням. Щоб замкнути баланс, треба додати енергію, винесену звуковою хвилею, або розширити систему до середовища, яке її отримало. Слово «зберігається» не дозволяє пропустити потік через межу.

Маятник зупинився, бо початковий запас перестав бути енергією його видимого гойдання. Щоб перевірити, чи щось справді «зникло», треба назвати систему, врахувати інші форми енергії та її надходження й вихід. На прикладі Сонячної системи можна знайти і рух тіл, і перенесення енергії сонячним світлом. Далі в курсі розглянемо саме світло та швидкість його поширення.