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能量守恒定律是物理学的基本原理,指能量不会凭空产生也不会完全消失,只会在动能、位能、热能、电能等不同形式之间相互转化,其总量始终保持不变。
钟摆在最高点时速度为0,位能达到最大;经过最低点时速度达到最大,动能也达到最大。假设没有空气阻力或摩擦,钟摆在两点之间往复运动时,位能和动能只是相互转化形式,二者相加的力学能总和始终保持不变。
过山车在最高的第一个坡顶储存最大的位能,随后下降过程中位能转化为动能,速度随之加快。因此,游乐设施设计师会将后续的坡道设计得比第一个坡道低,使车厢仅凭剩余能量便能越过接下来的路段。
热力学第一定律是从热和功的角度表述能量守恒定律,内容是:某个系统所吸收的热能,一部分用于提高系统的内能,一部分用于对外做功,其总量保持守恒。也就是说,能量守恒定律不仅适用于力学,也是适用于热、化学、电等一切形式能量的更广泛的普遍原理。
不依靠外部能量供应、能自行永远运转并持续做功的永动机,由于违反能量守恒定律(以及因摩擦产生的热力学第二定律),是无法制造出来的。任何实际机械都会因摩擦或空气阻力等原因,使一部分能量最终以热的形式散失,因此若不持续从外部供给能量,运动终将逐渐停止。
除了动能和位能之外,能量还以热能、化学能(储存于食物或燃料中)、电能、光能、核能等多种形式存在。例如,汽车会依次将燃料的化学能通过燃烧转化为热能,再经由发动机转化为动能加以利用。
能量守恒定律是贯穿力学、热力学、电磁学、化学等物理学与化学几乎所有领域的最基本原理之一。在分析某一现象时,仅仅探究"能量从哪里转移到了哪里",就能解释许多现象。
能量转化过程中产生的实际运动,也可以用力与加速度的关系来解释。请参阅理解牛顿三大运动定律,了解力与运动之间的关系。
即便由于摩擦或空气阻力使动能看似减少,那部分能量并没有真正消失,只是转化为热能或声能等不太容易被察觉的形式。整体能量的总量始终保持守恒。
是的,不过在这种情况下,由于部分质量会根据爱因斯坦的质能等价原理(E=mc²)直接转化为能量,因此更准确的说法是:质量与能量相加的总量保持守恒。