Уақыттың біртектілігі. Энергияның сақталу және айналу заңдары

Кіріспе

Энергияның сақталу заңдары оқшауланған жүйеде жалпы энергия тұрақты болып қалатынын көрсетеді. Бұл энергияның пайда болуы да, жойылуы да мүмкін емес, тек бір түрден екіншісіне түрленетінін білдіреді. Екінші жағынан, энергия айналымының концепциясы әдетте процестердің қайтымдылығы идеясымен байланысты, онда энергия жүйеде айнала алады, әртүрлі формаларды алады, бірақ оның жалпы көлемін сақтайды. Бұл заңдарды негізгі түсіну тек физикада ғана емес, ғылымның, техниканың және технологияның барлық салаларында, сондай-ақ күнделікті өмірде ресурстар мен энергияны пайдалануды түсінуге және оңтайландыруға көмектесетін принципті маңыздылыққа ие. Энергияның сақталу заңдары оқшауланған жүйеде жалпы энергия өзгеріссіз қалатын физиканың негізгі принциптері болып табылады. Бұл энергияның пайда болуы немесе жойылуы мүмкін емес, тек бір түрден екіншісіне түрленетінін білдіреді.

Энергияның сақталу заңдарына механикалық жүйелердегі энергияның сақталу заңы, жылу процестеріндегі энергияның сақталу заңы, ядролық реакциялардағы энергияның сақталу заңы мысал бола алады.

Энергия циклі деп энергияның циклді түрде бір түрден екіншісіне ауысатын процестерін айтады. Мысалы, экожүйелерде органикалық заттардың фотосинтез, тұтыну және ыдырау процестері арқылы энергия айналымы жүреді.

Бұл ұғымдар бірге энергияның қоршаған ортамен қалай әрекеттесетінін және оны қалай тиімді пайдалануға және сақтауға болатынын түсінуге көмектеседі.

Негізгі бөлім

Энергияның сақталу заңы – эмпирикалық түрде бекітілген табиғаттың іргелі заңы, ол оқшауланған физикалық жүйе үшін жүйенің параметрлерінің функциясы болып табылатын және энергия деп аталатын скаляр физикалық шаманы енгізуге болатындығын айтады, ол уақыт. Энергияның сақталу заңы нақты шамалар мен құбылыстарға қолданылмайтындықтан, барлық жерде және әрқашанда қолданылатын жалпы заңдылықты көрсететіндіктен, оны заң емес, энергияның сақталу принципі деп атауға болады.

Негіздік тұрғыдан алғанда, Нетер теоремасы бойынша энергияның сақталу заңы уақыттың біртектілігінің салдары болып табылады, яғни жүйе қарастырылған уақыттан бастап физика заңдарының тәуелсіздігі. Бұл мағынада энергияның сақталу заңы әмбебап, яғни физикалық табиғаты өте әртүрлі жүйелерге тән. Оның үстіне бұл сақталу заңының әрбір нақты жүйеде орындалуы бұл жүйенің жалпы айтқанда әр түрлі жүйелер үшін ерекшеленетін оның нақты динамика заңдарына бағынуымен негізделеді.

Физиканың әртүрлі салаларында тарихи себептерге байланысты энергияның сақталу заңы дербес тұжырымдалған, сондықтан энергияның әртүрлі түрлері енгізілген. Энергияның бір түрінен екіншісіне ауысуы мүмкін, бірақ энергияның жеке түрлерінің қосындысына тең жүйенің толық энергиясы сақталады. Дегенмен, энергияны әртүрлі түрлерге бөлудің шарттылығына байланысты мұндай бөлу әрқашан бір мәнді бола алмайды.

Энергияның әрбір түрі үшін сақталу заңының әмбебаптан ерекшеленетін өзіндік тұжырымы болуы мүмкін. Мысалы, классикалық механикада механикалық энергияның сақталу заңы, термодинамикада – термодинамиканың бірінші бастамасы, ал электродинамикада – Пойнтинг теоремасы тұжырымдалған.

Заңның негізгі мағынасы

Энергияның сақталу заңының іргелі мағынасын Нетер теоремасы ашады. Бұл теорема бойынша әрбір сақталу заңы физикалық жүйені сипаттайтын теңдеулердің сол немесе басқа симметриясына бірегей сәйкес келеді. Атап айтқанда, энергияның сақталу заңы уақыттың біртектілігіне, яғни жүйе қарастырылған уақыттан бастап жүйені сипаттайтын барлық заңдардың тәуелсіздігіне тең.

Энергияның сақталу заңының ерекше формалары

Ньютондық механикада энергияның сақталу заңының ерекше жағдайы – механикалық энергияның сақталу заңы тұжырымдалған, ол келесідей естіледі

Араларында