1.7. Поясните понятие «энергия». Какие виды энергии Вы знаете? в каких системах она сохраняется и как закон сохранения энергии связан со свойствами пространства-времени?

Энергия-(от греч. energeia - energia - действие, деятельность) – это характеристика движения и взаимодействия тел, их способности совершать изменения во внешнем мире. Энергия эквивалентна величине запаса работы, как физического понятия, содержащейся в той или иной материальной системе.

Часто можно встретить упрощённое определение энергии как способности тела совершать работу. Будучи удобным в механике, это определение, тем не менее, не вполне точно, так как не всегда всю энергию можно перевести в механическую работу .

Выделяют следующие разновидности энергии:

• кинетическая энергия

• потенциальная энергия (или, в более общем случае, энергия взаимодействия тел)

• внутренняя энергия в термодинамике, а также её разновидности (свободная энергия, потенциал Гиббса, энтальпия)

• энергия связи и связанные с ней энергия химической реакции, энергия ядерной реакции

• энергия покоя в теории относительности

• энергия полей, в частности, энергия электромагнитного поля и лучистая энергия, переносимая электромагнитным излучением

• энергия вакуума в квантовой теории поля

• тёмная энергия в космологии

Основное утверждение про энергию носит название закон сохранения энергии и заключается в том, что полная энергия замкнутой системы не изменяется во времени.

Закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Проще говоря, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Энергия может проявляться во многих видах, среди них: механическая, электромагнитная, гравитационная, ядерная, тепловая, химическая и т.д. Одни виды энергии могут превращаться в другие, но при этом общее ее количество не изменяется - соблюдается закон сохранения энергии. Этот закон выполняется во всех процессах, протекающих во Вселенной, и позволяет рассматривать их в едином комплексе.

При любых преобразованиях энергии некоторая ее часть расходуется на нагревание вещества, т.е. тепловая - внутренняя - энергия системы, т.е. вещества тел, участвующих во взаимодействии, увеличивается. Энергия любого вида может переходить в тепловую - внутреннюю -энергию без остатка, но внутренняя энергия не может переходить в энергию других своих видов целиком. Она путем теплообмена расходуется на нагревание всего окружающего, в том числе, находящегося вне системы вещества, т.к. в реальных условиях ни одна система, в которой производится работа, не может оказаться полностью изолирована от окружающей среды. Любые преобразования энергии из одного вида в другой обязательно увеличивают долю тепловой энергии.

Таким образом, во Вселенной все время увеличивается количество энергии, которая не способна совершить физической работы. Мера возрастания такой внутренней или тепловой энергии индицируется возрастанием величины энтропии. Исходя из сказанного, можно предвидеть, что в будущем, правда, через очень большой промежуток времени, наступит “тепловая смерть Вселенной”. При этом почти все виды энергии, кроме энергии физических полей, перейдут в тепловую, а температура всего вещества во Вселенной уравняется.

Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Например, в классической механике закон проявляется в сохранении механической энергии (суммы потенциальной и кинетической энергий). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики и говорит о сохранении энергии в сумме с тепловой энергией.

Частный случай - Закон сохранения механической энергии - механическая энергия консервативной механической системы сохраняется во времени. Проще говоря, при отсутствии сил типа трения механическая энергия не возникает из ничего и не может никуда исчезнуть.

Закон сохранения энергии - это интегральный закон. Это значит, что он складывается из действия дифференциальных законов и является свойством их совокупного действия. Например, иногда говорят, что невозможность создать вечный двигатель обусловлена законом сохранения энергии. Но это не так. На самом деле, в каждом проекте вечного двигателя срабатывает один из дифференциальных законов и именно он делает двигатель неработоспособным. Закон сохранения энергии просто обобщает этот факт.

Согласно теореме Нётер¹, закон сохранения механической энергии является следствием однородности времени.