חוק שימור האנרגיה

חוק שימור האנרגיה קובע שסך כל האנרגיה במערכת מבודדת נשמר וקבוע. זה אומר שאם האנרגיה משתנה, היא רק משנה את צורתה או את מיקומה בתוך המערכת, אבל הכמות הכוללת נשארת זהה.

דוגמה פשוטה: גוף בנפילה חופשית מאבד אנרגיה פוטנציאלית, אנרגיה שקשורה לגובה שלו, והאנרגיה הזאת הופכת לאנרגיה קינטית, אנרגיה של תנועה. אם נזרוק גוף כלפי מעלה, הוא יעבור מאנרגיה קינטית חזרה לאנרגיה פוטנציאלית, ובטווחים מתאימים יחזור בדיוק לגובה ההתחלתי.

על פי תורת היחסות, מסה יכולה להפוך לאנרגיה ולהפך. המסה מקושרת לאנרגיית המנוחה של הגוף, כלומר אפילו גוף שנמצא במנוחה יש לו אנרגיה בגלל המסה שלו. המעבר בין מסה לאנרגיה מתואר בנוסחה המפורסמת E=mc^2. בעקבות זאת מגדירים כיום את המסה בעיקר כאנרגיית מנוחה, ולא משתמשים עוד במושג מסת תנועה.

כוחות בסיסיים כמו כוח הכבידה והכוח החשמלי הם כוחות משמרים (כוח שמאפשר להגדיר עבורו אנרגיית פוטנציאל כתלות במיקום). עבור כוחות אלה ניתן להראות שסכום האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית נשאר קבוע. בהקשר הזה מוגדרת גם האנרגיה הקינטית כ־mv^2/2, והיא מתווספת או יורדת ביחס לאנרגיה הפוטנציאלית כך שסך האנרגיה נשמר.

כוחות לא משמרים קיימים גם הם, כמו כוח החיכוך. חיכוך מוריד אנרגיה קינטית, אבל מייצר חום, אנרגיה תרמית, שהיא תנועה אקראית של חלקיקים. החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע שגם כאן האנרגיה הכוללת נשמרת, רק משתנה הצורה שלה.

לפי משפט נתר (Noether), חוק שימור האנרגיה נובע מסימטריה של חוקי הטבע תחת הזזות בזמן, כלומר אם חוקי הטבע לא משתנים עם הזמן, האנרגיה נשמרת. משמע חוקי שימור נוספים קשורים גם הם לסימטריות כאלה.

האנרגיה האפלה שהתקבלה בגלל התצפיות על התרחבות היקום איננה נשמרת במובן הקלאסי. צפיפותה נראית קבועה בזמן, ולכן כמותה הכוללת גדלה כשהיקום מתרחב.

חוק שימור האנרגיה אומר: בכמות סגורה של דברים, הכמות הכוללת של האנרגיה לא משתנה.

גוף שנופל: במקום גבוה יש לו אנרגיה בגלל הגובה (אנרגיה פוטנציאלית). כשהוא נופל, האנרגיה הזאת הופכת לאנרגיה של תנועה (אנרגיה קינטית). אם נזרוק את הגוף למעלה, התהליך יסתובב הפוך.

איינשטיין גילה שמסה יכולה להפוך לאנרגיה ולהפך. גם דבר שעומד במקום יש לו אנרגיה בגלל המסה שלו (אנרגיית מנוחה).

כוח הכבידה והכוח החשמלי מאפשרים להגדיר אנרגיה לפי המקום של הגוף. כשפועלים כוחות כאלה בלבד, סכום האנרגיה של הגובה והמהירות נשאר קבוע.

כוחות כמו החיכוך לא משמרים אנרגיה בתור תנועה. הם הופכים תנועה לחום. החוק הראשון של התרמודינמיקה אומר שעדיין הכול נשמר, רק בצורת חום.

לפי מדידות, יש סוג אנרגיה שנקרא אנרגיה אפלה. הצפיפות שלה נשארת קבועה, ולכן הכמות הכוללת שלה גדלה כשהיקום מתרחב.