§14. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах
В механике энергия может менять свою форму: потенциальная энергия превращается в кинетическую и наоборот. Если отсутствуют силы трения и другие потери, то сумма этих энергий остаётся неизменной. Это выражает закон сохранения механической энергии.
Однако в реальных условиях трение есть всегда, поэтому часть механической энергии неизбежно преобразуется во внутреннюю энергию тел. Например, при столкновении шарика с твёрдой поверхностью часть его механической энергии идёт на нагрев и деформацию. Тогда полная энергия системы описывается выражением
E = Eмех + U,
где Eмех — механическая, а U — внутренняя энергия.
Полная энергия может изменяться, если на систему действуют внешние силы (совершается работа A) или ей передаётся тепло (Q). Эти процессы описываются обобщённым соотношением:
∆E = ∆Eмех + ∆U = A + Q.
Если система замкнута и не взаимодействует с внешней средой (то есть A = 0 и Q = 0), её полная энергия остаётся неизменной: ∆E = 0. При этом механическая энергия может уменьшаться, но только настолько, насколько увеличивается внутренняя. Это соотношение
∆Eмех = –∆U
является одним из проявлений закона сохранения энергии.
В тепловых процессах, когда механическая энергия остаётся неизменной (∆Eмех = 0), изменение внутренней энергии определяется суммой работы и переданного тепла:
∆U = A + Q.
Если же система изолирована от внешней среды и теплообмен отсутствует, выполняется закон теплового баланса:
Qотд = Qпол,
то есть количество теплоты, которое отдаёт одна часть системы, полностью воспринимается другой.