VI. Định luật bảo toàn năng lợng
3. Bảo toàn năng lượng
Ta hóy giả sử rằng một lực ma sỏt động F tỏc dụng vào vật dao động của hệ vật– lũ xo. Tỏc dụng này làm cho biờn độ dao động giảm dần và cuối cựng dừng lại. Từ thực nghiệm ta thấy rằng sự giảm cơ năng này cú kốm theo sự tăng nhiệt năng của vật và sàn mà vật trượt trờn đú, chỳng trở nờn ấm hơn. nhiệt năng là một dạng của nội năng, vỡ nú liờn kết với chuyển động hỗn độn của cỏc nguyờn tử và phõn tử trong vật. ta kớ hiệu độ thay đổi nhiệt năng là ∆E'.
Vỡ ∆E' là độ thay đổi nhiệt năng của cả vật lẫn sàn trượt, nờn ta chỉ cú thể giải thớch sự chuyển cơ năng thành nhiệt năng nếu ta coi một hệ vật gồm, lũ xo và sàn trượt. Nếu ta cụ lập hệ vật – lũ xo – sàn (để khụng cú vật nào ở ngoài hệ cú thể thay đổi năng lượng cỏc vật trong hệ ).
Thỡ cơ năng mất bởi vật và lũ xo lại khụng mất bởi hệ, mà được chuyển đổi bờn trong hệ thành nhiệt năng
Đối với hệ cụ lập như thế ta đi tới một tiờn đề là: ' 0
K U E
∆ + ∆ + ∆ =
Cỏc giỏ trị của K, U, và E’ cú thể thay đổi đối với một hoặc nhiều vật ở bờn trong hệ cụ lập, nhưng tổng của chỳng lại khụng đổi đối với cả hệ. Phương trỡnh này là sự mở rộng của phương trỡnh ∆ + ∆ =K U 0( bảo toàn cơ năng ), trong đú cú tớnh đến lực ma sỏt.
Như vậy trong mọi trạng huống vật lý ta luụn cú thể đưa thờm vào cỏc đại lượng năng lượng giống như E’, làm cho ta cú thể mở rộng phạm vi định nghĩa của ta về năng lượng và vẫn giữ được định luật bảo toàn năng lượng ở dạng tổng quỏt hơn. Cú nghĩa là luụn luụn cú thể viết cho một hệ cụ lập :
'
K U E
∆ + ∆ + ∆ +(Độ biến đổi sang cỏc dạng năng lượng khỏc ) = 0 Định luật bảo toàn năng lượng tổng quỏt này cú thể phỏt biểu như sau:
Trong một hệ cụ lập năng lượng cú thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khỏc, nhưng năng lượng toàn phần của hệ thỡ khụng đổi.
Điều khẳng định này là một sự tổng quỏt hoỏ đó được thực nghiệm xỏc nhõn. Cho đến nay chưa cú thớ nghiệm hoặc quan sỏt tự nhiờn nào mõu thuẫn với nú.
Nếu cú lực tỏc dụng xuyờn qua biờn giới của hệ và thực hiện cụng A trờn cỏc vật trong hệ thỡ hệ khụng cũn cụ lập, và khụng ỏp dụng được phương trỡnh
' 0
K U E
∆ + ∆ + ∆ =
Nú cho ta biết rằng nếu một cụng A được thực hiện trờn một hệ bơỉ cỏc ngoại lực, thỡ năng lượng tổng cộng chứa trong hệ dưới mọi dạng sẽ tăng một lượng bằng A. Nếu A õm, thỡ cú nghĩa cụng đú thực hiện bởi hệ trờn cỏc vật xung quanh hệ, và năng lượng chứa trong hệ sẽ giảm một cỏch tương ứng. Mặc dự đụi khi tỏ ra tiện lợi nếu xột một hệ là khụng cụ lập đối với cỏc vật xung quanh, nhưng ta đừng bao giờ bị buộc phải làm như vậy. Ta luụn luụn cú thể mở rộng một hệ sao cho cỏc ngoại vật mà chỳng tỏc dụng làm thay đổi hàm lượng năng lượng của hệ thỡ khi đú chỳng lại được xem như là một bộ phận của hệ mở rộng này. hệ mở rộng này, khi đú lại là một hệ cụ lập, và lai ỏp dụng được phương trỡnh ∆ + ∆ + ∆ =K U E' 0. Cỏc lực mới vẫn tiếp tục tỏc dụng nhưng chỳng tỏc dụng ở trong hệ mở rộng : Cụng mà chỳng thực hiện là cụng bờn trong đối với hệ này và khụng nằm trong cụng thực hiện bởi cỏc lực tỏc dụng xuyờn qua biờn giới của hệ
Trong lịch sử vật lý nhiều lần định luật bảo toàn năng lượng tưởng chừng bị thất bại. tuy nhiờn mỗi thất bại bề ngoài như thế luụn luụn kớch thớch nghiờn cứu để tỡm nguyờn nhõn thất bại.
Cho đến nay người ta luụn luụn tỡm được nguyờn nhõn và định luật bảo toàn năng lượng luụn đỳng, cú thể ở dạng tổng quỏt hơn. Nú đó trở thành một trong nhưng tư tưởng cú khả năng thống nhất lớn của khoa học vật lý.