3.2 Однородность времени и закон сохранения энергии

Энергия – это единая количественная мера различных форм движения и взаимодействия всех видов материи. Под движением в широком смысле слова понимают любое изменение материи. Различным формам движения соответствуют разные формы энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д.

Механическая энергия (Е_м) – энергия тел при их механическом движении. Механическая энергия подразделяется на кинетическую (Е_кин.) и потенциальную (Е_пот.)

Кинетической энергией материальной точки массой m, движущейся со скоростью V, называется величина Е_кин.= mV²/2. Кинетическая энергия системы материальных точек равна сумме кинетических энергией отдельных точек системы.

Кинетическая энергия зависит от системы отсчета и в этом смысле является относительной величиной. Так, сидящий человек массой 60 кг не имеет кинетической энергии в системе отсчета, связанной с земной поверхностью, но в СО, связанной с Солнцем, обладает Е_кин.≈33 МДж.

Потенциальной называется часть механической энергии системы, связанная с взаимным расположением частей системы и определяемая характером сил, действующих между ними. Потенциальной энергией обладает тело, поднятое над поверхностью Земли, деформированная пружина и т.д. Среди возможных состояний системы особое значение имеет состояние устойчивого равновесия – состояние, которое не изменяется при малом внешнем воздействии на систему. В состоянии устойчивого равновесия потенциальная энергия системы минимальна, многие явления природы объясняются стремлением потенциальной энергии к минимуму. Так, шарообразность массивных небесных тел (звезд, планет) объясняется тем, что этой формой достигается минимум потенциальной гравитационной энергии взаимодействия частиц этих тел.

Внутренней (тепловой) энергией называется сумма кинетической энергии теплового движения атомов и молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Электромагнитное поле является носителем электромагнитной энергии. Частным видом электромагнитной энергии является энергия электрического тока, широко используемая человеком.

Ядерная энергия связана с взаимодействием протонов и нейтронов в ядре и может высвобождаться, например, при реакциях деления тяжелых ядер или при синтезе легких.

Однородность времени (сдвиговая симметрия) приводит к закону сохранения энергии: при любых процессах полная энергия изолированной системы не изменяется; энергия может только превращаться из одного вида в другой и передаваться от одного тела системы к другому.

Закон сохранения энергии – фундаментальный закон природы, выполняющийся на всех структурных уровнях организации материи. Не существует явлений и процессов, для которых этот закон не имел бы места. Нарушение закона сохранения энергии свидетельствовало бы о нарушении однородности времени.

Все явления и процессы в природе – от самых простых до самых сложных – протекают с сохранением энергии. Общий запас энергии во Вселенной с момента ее образования до наших дней остается постоянным. Появление высокоупорядоченных структур (от атомов и молекул до звезд и галактик) и явление жизни связано с последовательными превращениями одних форм энергии в другие. Часть энергии обязательно переходит в самую низшую форму – теплоту.

Различные случаи выполнения закона сохранения энергии будут рассмотрены далее.