قانون پایستگی انرژی (اصل بقای انرژی)

در یک سیستم ایزوله (سیستمی که هیچ تبادل انرژی و ماده با محیط بیرون ندارد) مقدار انرژی ثابت است. انرژی نه به وجود می آید و نه از بین می رود بلکه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود.

با بیان نظریه نسبیت انیشتین، انرژی و جرم چون به هم وابسته اند قانون پایستگی جرم و انرژی ارائه شد. این قانون از نظر علمی یکی از قوی ترین قانون هاست. قدرت این اصل به حدی است که فیلسوف یونانی، امانوئل کانت آن را یک اصل پیش از تجربه (بی نیاز از تجربه) می خواند.

تاریخچه:
اولین بار در قرن هفدهم فیلسوف و ریاضی دان آلمانی به نام لایبنیتز به نیروی زنده یا انرژی و پایستگی آن اشاره کرد. در سال 1807 فیزیک دان انگلیسی به نام یانگ کلمه انرژی را به کار گرفت. او گفت در فرآیندهای مکانیکی (در غیاب اصطکاک) مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل ثابت است اما به هم می توانند تبدیل شوند.

در اواسط قرن نوزدهم قانون اول ترمودینامیک به طور هم زمان توسط مایر، ژول و هلمهولتز به طور جداگانه مطرح شد. قانون اول ترمودینامیک همان قانون پایستگی انرژی است که در صورت وجود اصطکاک و گرما نیز صادق است.

در سال های 1856-1865 با معرفی انرژی الکترومغناطیسی توسط ماکسول قانون پایستگی انرژی در سه زمینه مکانیک، ترمودینامیک و الکترومغناطیس تعریف شد. در اواخر قرن نوزدهم قانون پایستگی انرژی، همه انرژی های شناخته شده تا آن زمان (گرما، مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی و تابشی) را شامل می شد.

تا اینکه در آغاز قرن بیستم با بیان نظریه نسبیت توسط آلبرت انیشتین این تئوری که قانون پایستگی انرژی از قانون پایستگی جرم جدا نیست توسط این دانشمند بزرگ ارائه شد و قانون پایستگی جرم - انرژی - تکانه خطی بیان شد.

تعریف قانون پایستگی انرژی:
در جهان هستی همواره واکنش های مختلفی در حال انجام است. یا مواد با یکدیگر ترکیب شده و مواد جدیدی ساخته می شود یا ترکیبات مختلف به مواد دیگر تجزیه می شود. در این حین ممکن است ویژگی های فیزیکی زیادی مثل حجم، چگالی، مقاومت گرمایی و الکتریکی تغییر کند. اما جرم و انرژی در سیستم منزوی ثابت و پایسته خواهد بود.

کمیت های بسیاری در فیزیک ثابت و پایسته (یعنی با گذشت زمان تغییر نمی کنند) هستند. کمیت های انرژی، تکانه و تکانه زاویه ای از این قبیل هستند که از پایستگی آن ها می توان برای پیش بینی فرآیندهای فیزیکی استفاده کرد. انرژی ممکن است به صورت های دیگری چون پتانسیل، گرمایی، الکتریکی و گرانشی تبدیل شود اما مقدار آن ثابت است. بر اساس این قانون جرم می تواند به انرژی و بالعکس انرژی به جرم البته با سرعت بسیار (در حد سرعت نور) بالا تبدیل شود.

اصل بقای انرژی فقط در سیستم های ایزوله (منزوی) نسبت به محیط تعریف می شود. اگر توپی روی سطحی که اصطکاک دارد حرکت کند چون سطح روی توپ کار انجام می دهد و از آن انرژی می گیرد از قانون پایستگی انرژی اطاعت نمی کند. قانون پایستگی انرژی در کتاب های درسی علوم پایه هفتم و نهم و فیزیک پایه دهم آورده شده است.

سیستم چیست ؟
به مجموعه ای از اشیا به عنوان مثال یک جسم که تأثیرات فیزیکی مثل نیرو (به عنوان مثال حرکت جسم) در آن بررسی می شود سیستم می گویند. به جهان اطراف سیستم به جز سیستم، محیط می گویند. سیستم و محیط توسط مرز سیستم از هم جدا می شود.

وقتی یک بادکنک بادشده در هواست، بادکنک سیستم، هوای اطراف آن محیط و پوسته بادکنک مرز بین سیستم و محیط است. سیستم منزوی و ایزوله که برای تعریف قانون بقای انرژی لازم است، سیستمی است که با محیط بیرون تبادل ماده و انرژی نداشته باشد.

انرژی چیست ؟
به توانایی انجام کار انرژی می گویند که انواع مختلفی چون انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل، انرژی گرمایی، انرژی الکترومغناطیسی، انرژی شیمیایی، انرژی الکتریکی و انرژی هسته ای دارد.

اصل پایستگی انرژی با ثابت بودن مجموع انرژی های جنبشی و پتانسیل بیان می شود و این بقای انرژی تا زمانی خواهد بود که نیروهای پایستار عمل کنند و انرژی کل همیشه باقی است. برای انجام هر کاری حتی حرکت کردنمان به انرژی احتیاج داریم. انرژی هرجسم جنبش ذرات بنیادی آن است که از معادله معروف انیشتین (E = mc2) مقدار آن به دست می آید.

تلاش برای نقض قانون پایستگی انرژی:
در گذشته یک مخترع آلمانی به نام اورفیرئوس چرخی با اتصالات پیچیده ساخت که دائم می چرخید (محرک دائمی). حتی با چندین آزمایش معلوم شد این چرخ دائم می چرخد. اما خیلی زود مشخص شد که این مخترع حیله کرده و شخصی را در محفظه ای جدا گذاشته تا این چرخ را بچرخاند. او نتوانست قانون پایستگی انرژی را نقض کند.

همچنین در سال 1800 ساعتی ساخته شد که بدون کوک کار می کرد. اما مشخص است که بر اثر اختلاف فشارهوا کوک این ساعت انجام می شود و این گزینه نیز قانون بقای انرژی را نقض نمی کند.

تلاشی بتا:
تلاشی دیگر برای نقض قانون پایستگی انرژی واکنش رادیواکتیو (تجزیه کربن) است که وقتی نوترون در اثر تجزیه تبدیل به الکترون و پروتون می شود کاهش انرژی در سمت راست معادله مشاهده شد. نیلز بور با این واکنش قانون بقای انرژی را نقض شده می دانست اما پائولی ذره ای به سمت راست واکنش اضافه کرد و گفت این ذره کشف نخواهد شد.

اما پادنوترینو با کشف ذره ای شبیه ذره گفته شده پائولی به این ناقض قانون بقای انرژی پایان داد. بر طبق این قانون هیچ قت انرژی از هیچ به جود نمی آید و اگر در آزمایش این قانون نقض شود علت فقط در درست و دقیق منزوی نکردن سیستم و خطای آزمایش است.

کاربرد قانون پایستگی انرژی در فیزیک:
وقتی انرژی در یک سیستم پایاست، در یک فرآیند در فیزیک انرژی ابتدایی و انتهایی براساس قانون پایستگی انرژی که انرژی از بین نمی رود برابر قرار داده می شود و بر این اساس می توان یک کمیت را به دست آورد.

به عنوان مثال وقتی جرم متصل به فنر فشرده شده که دارای انرژی پتانسیل است رها شود، این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. با مساوی قرار دادن این دو انرژی سرعت جرم به دست می آید.