Zákon zachování energie

Rozbalit box

Obsah boxu

Zákon zachování energie je jedním ze základních a nejdůležitějších principů ve fyzice, který konstatuje, že celková energie izolované soustavy zůstává v čase konstantní. Energii nelze vytvořit ani zničit, pouze se může přeměňovat z jedné formy na druhou, nebo přecházet mezi tělesy. Tento zákon má široké uplatnění napříč všemi oblastmi fyziky a je klíčový pro pochopení mnoha přírodních jevů a technologických procesů.

⏳ Historie

Myšlenky vedoucí k formulaci zákona zachování energie se objevovaly postupně v průběhu staletí. Již v roce 1673 Christiaan Huygens ve svém díle Horologium oscillatorium vyslovil princip týkající se změny pohybové energie. Podobně se jím zabýval i Daniel Bernoulli. Jean d'Alembert pak poprvé odvodil zákon o změně pohybové energie na základě dynamických principů Galilea a Isaaca Newtona.

Za jednoho z prvních, kdo předpověděl zákon o zachování energie, je považován Michail Lomonosov, který jej formuloval v roce 1748. Nezávisle na něm a později Julius Robert von Mayer v roce 1842 vyslovil postulát, že "Z ničeho nelze energii vytvořit ani ji zničit". V „učesané“ a obecně uznávané podobě zazněl tento zákon 23. července 1847 v berlínské fyzikální společnosti z úst Hermanna Helmholtze, který prohlásil: „Součet kinetické a potenciální energie v izolovaném systému zůstává stálý!“.

V 20. století Albert Einstein v rámci své Speciální teorie relativity ukázal, že zákon zachování hmotnosti a zákon zachování energie jsou ve skutečnosti dvěma aspekty jednoho širšího zákona – zákon zachování hmotnosti a energie (E=mc²). To znamená, že i když se v běžných chemických reakcích odchylky od těchto zákonů neprojeví, při jaderných dějích, kde dochází k velkým energetickým změnám, je přeměna hmotnosti na energii a naopak znatelná.

📝 Definice a formulace

Zákon zachování energie je fundamentální princip, který říká, že celková energie izolované soustavy zůstává konstantní. Energie se nemůže ztratit ani vzniknout z ničeho; pouze se přeměňuje z jedné formy na druhou, nebo se přenáší mezi různými částmi soustavy či s okolím.

Nejjednodušší formulace zní:

"Energii nelze vyrobit ani zničit, ale pouze přeměnit na jiný druh energie."

Přesnější formulace pro klasickou mechaniku často hovoří o mechanické energii (součet kinetické a potenciální energie):

"Celková mechanická energie izolované soustavy zůstává konstantní, pokud na ni působí pouze konzervativní síly."
"Při všech dějích v soustavě těles se mění jedna forma energie v jinou, nebo přechází energie z jednoho tělesa na druhé; celková energie soustavy těles se však nemění."

V termodynamice je zákon zachování energie vyjádřen jako první termodynamický zákon, který říká, že změna vnitřní energie soustavy je rovna součtu dodaného tepla a vykonané práce.

Moderní teoretická fyzika spojuje zákony zachování se symetriemi fyzikálních systémů. Podle Noetherové teorému je zákon zachování energie přímým důsledkem symetrie fyzikálních zákonů vůči časovému posunutí. To znamená, že fyzikální zákony jsou stejné v jakémkoli časovém okamžiku.

🔄 Druhy energie a jejich přeměny

Energie se v přírodě vyskytuje v mnoha různých formách, které se mohou vzájemně přeměňovat. Celková energie soustavy však zůstává zachována. Mezi hlavní druhy energie patří:

Kinetická energie (pohybová energie): Energie spojená s pohybem tělesa. Čím větší je hmotnost tělesa a jeho rychlost, tím větší je jeho kinetická energie.
Potenciální energie (polohová energie): Energie, kterou má těleso vzhledem ke své poloze v silovém poli nebo vzhledem ke svému stavu (např. deformace pružiny). Příkladem je gravitační potenciální energie (energie tělesa ve výšce nad zemí) nebo potenciální energie pružnosti (energie stlačené či natažené pružiny).
Vnitřní energie: Součet kinetické a potenciální energie všech částic tvořících soustavu (atomů, molekul). Projevuje se například jako tepelná energie.
Chemická energie: Energie uložená v chemických vazbách látek. Uvolňuje se nebo spotřebovává při chemických reakcích (např. spalování paliv).
Elektrická energie: Energie spojená s pohybem nebo polohou elektrických nábojů v elektrickém poli.
Jaderná energie: Energie uložená v atomových jádrech, uvolňovaná při jaderných reakcích (např. štěpení nebo fúze).
Energie záření: Energie přenášená elektromagnetickým zářením (např. světlo, rentgenové záření).

Příklady přeměn energie:

Padající kámen: Má velkou potenciální energii ve výšce. Při pádu se tato energie přeměňuje na kinetickou energii (kámen zrychluje). Při dopadu se kinetická energie přemění na vnitřní energii (teplo), zvuk a deformaci.
Vodní elektrárna: Potenciální energie vody zadržené v nádrži se při pádu přeměňuje na kinetickou energii, která roztáčí turbínu. Turbína pohání generátor, který kinetickou energii přeměňuje na elektrickou energii.
Spalovací motor: Chemická energie paliva se uvolňuje při spalování a přeměňuje se na tepelnou energii, která expandujícími plyny koná práci a přeměňuje se na kinetickou energii pohybu pístů a následně celého vozidla.

💡 Aplikace a význam

Zákon zachování energie je jedním z nejzákladnějších pilířů moderní vědy a techniky. Jeho pochopení a aplikace jsou klíčové v mnoha oblastech:

Energetika: Návrh a optimalizace elektráren (vodní, tepelné, jaderné), obnovitelných zdrojů (větrné, solární) a distribučních sítí. Všechny tyto systémy pracují na principu přeměny jedné formy energie na druhou.
Strojírenství: Konstrukce motorů, turbín, mechanizmů a dalších strojů, kde je efektivní přeměna energie zásadní.
Doprava: Pohyb automobilů, letadel a vlaků, kde se chemická energie paliv přeměňuje na kinetickou energii.
Meteorologie a klimatologie: Pochopení energetické bilance atmosféry a Země jako celku, což je klíčové pro studium počasí a klimatických změn.
Biologie a medicína: Procesy v živých organismech, jako je metabolismus, kde se chemická energie potravy přeměňuje na mechanickou práci, tepelnou energii a další formy.
Chemie: Studium termochemických reakcí a energetických změn v chemických systémech.

Zákaz konstrukce perpetuum mobile prvního druhu, tedy stroje, který by z ničeho konal práci nebo vyráběl energii, je přímým důsledkem zákona zachování energie.

🔬 Zákon zachování energie v různých oblastech fyziky

Zákon zachování energie je univerzální a projevuje se v různých formách v rámci různých fyzikálních teorií:

Klasická mechanika: Zde se často hovoří o zákon zachování mechanické energie, který platí pro soustavy, kde působí pouze konzervativní síly (např. gravitační síla, síla pružnosti). V takových případech je součet kinetické a potenciální energie konstantní. Pokud jsou přítomny nekonzervativní síly (např. tření, odpor vzduchu), mechanická energie se nezachovává, ale přeměňuje se na jiné formy energie, nejčastěji na vnitřní energii (teplo).
Termodynamika: Jak již bylo zmíněno, zákon zachování energie je zde vyjádřen prvním termodynamickým zákonem. Ten popisuje vztah mezi teplem, prací a změnou vnitřní energie systému.
Elektromagnetismus: Energie je zde uložena v elektrických a magnetických polích. Zákony zachování energie se aplikují na elektromagnetické vlny a elektrické obvody.
Kvantová mechanika: V kvantovém světě je energie také zachována, i když její projevy mohou být složitější kvůli principům kvantování energie a neurčitosti.
Teorie relativity: Albert Einstein sjednotil zákony zachování hmotnosti a energie do jediného zákona zachování hmotnosti a energie, vyjádřeného slavnou rovnicí E=mc². To ukazuje, že hmotnost a energie jsou ekvivalentní a mohou se vzájemně přeměňovat, což je patrné například u jaderných a štěpných reakcí.

👶 Pro laiky

Představte si energii jako peníze, které máte v kapse a na bankovním účtu. Celkové množství peněz, které vlastníte, se nezmění, pokud je jen přesouváte z kapsy na účet nebo z jedné kapsy do druhé. Můžete mít hodně peněz v kapse (to by byla třeba kinetická energie – pohyb, aktivita) a málo na účtu, nebo naopak. Ale součet je vždy stejný.

Když jdete do obchodu a něco si koupíte, peníze nezmizí – jen se přesunou k obchodníkovi. Stejně tak energie nikdy nezmizí. Když například jedete na kole do kopce, spotřebováváte energii z jídla (peníze z účtu) a přeměňujete ji na polohovou energii (peníze v kapse, protože jste výš a můžete sjet dolů). Když pak jedete z kopce, polohová energie se přemění zpět na pohybovou energii (peníze se přesunou z kapsy do aktivity).

Někdy se část energie "ztratí" jako teplo (třeba když se vám zahřejí brzdy na kole nebo se zapotíte při jízdě do kopce). Ale i toto teplo je jen jiná forma energie, která se rozptýlí do okolí. Celkově se ve vesmíru žádná energie neztratí ani nevznikne, jen se neustále mění a přelévá z jedné formy do druhé.

Zdroje