Warum erschöpft sich Energie nicht?

Kinetische Energie ist eine Eigenschaft von sich bewegenden Objekten, nicht etwas, das sich bewegende Objekte verbrauchen. Ein sich bewegendes Objekt kann seine kinetische Energie ebensowenig durch Bewegung erschöpfen, wie ein rotes Objekt seine Röte dadurch erschöpfen kann, dass es rot ist.

Energie wird konserviert, das heißt nicht erzeugt oder vernichtet, sondern nur zwischen Formen übertragen.

Es erfordert Energie, um ein Objekt zu beschleunigen, dies wird Arbeit an dem Objekt genannt. Diese Energie wird in kinetische Energie umgewandelt. Die Energie wird in der Geschwindigkeit des Objekts gespeichert, es ist nicht so, dass das Objekt die Energie aufwenden muss, um sich fortzubewegen.

Im wirklichen Leben gibt es jedoch Reibungskräfte, die wirken, um ein Objekt zu verlangsamen. Die Kräfte geben die Energie des Objekts als Wärme ab, und um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, muss mehr Arbeit am Objekt verrichtet werden.

Energie ist nur dann sinnvoll, wenn wir damit Arbeit verrichten können, zB ein Objekt beschleunigen. Um Arbeit zu verrichten, müssen wir einen Energiespeicher haben, der energiereicher ist als die Umgebung. Die Dissipation von Energie im Laufe der Zeit ist mit der Zunahme der Entropie verbunden, und daher wäre es richtig zu sagen, dass die Menge an nutzbarer Energie mit der Zeit abnimmt.

Denken Sie darüber nach, was mit der verbrauchten kinetischen Energie passiert. Wenn das Energieerhaltungsgesetz gilt, muss es doch irgendwohin gehen, oder? In den meisten Fällen führt die Reibung dazu, dass das Objekt seine kinetische Energie in Form von Wärme verliert. Wenn es jedoch keine Reibung gibt oder das Objekt auf andere Weise seine kinetische Energie verliert, nimmt die kinetische Energie nicht ab. Beispielsweise verliert eine Rakete im Weltraum nicht ihre kinetische Energie und bewegt sich ewig weiter.

Eine Analogie, die ich dabei gefunden habe, stammt von Alice in Quantumland , die Energie mit Geld vergleicht.

Geld gibt es in verschiedenen Formen: Bargeld, Ersparnisse auf Bankkonten, Aktien usw. Wenn wir etwas mit Geld kaufen, wird das Geld nicht aufgebraucht oder vernichtet, sondern einfach an jemand anderen weitergegeben. Im Allgemeinen können wir sagen, dass eine Person einen bestimmten Geldbetrag hat, und wir können sagen, wie viel davon in welcher Form vorhanden ist. Eine Person kann etwas Geld von einer Art in eine andere umwandeln, indem sie Geld von einem Bankkonto abhebt oder einige Aktien verkauft.

Ebenso hat ein System bei Energie eine gegebene Gesamtenergie in verschiedenen Formen: Wärme, potentielle Energie, kinetische Energie usw. Energie kann zwischen diesen Formen innerhalb eines Systems umgewandelt werden und die Gesamtmenge bleibt gleich. zB Wenn ein Objekt einen Abhang hinabrutscht, wird potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt, aber die Summe bleibt gleich. Theoretisch bewegt sich ein Objekt ohne äußere Kräfte mit der gleichen Geschwindigkeit weiter und hat die gleiche kinetische Energie ohne Verluste (Newtons erstes Gesetz), aber in der realen Welt sind sich bewegende Objekte fast immer Reibung ausgesetzt, was einige verursacht der kinetischen Energie in Wärme umzuwandeln.

Das kann man ganz einfach beobachten. Wenn Sie Ihre Hand durch die Luft bewegen, erreicht sie eine bestimmte Geschwindigkeit. Wenn Sie es über Ihre andere Hand streichen lassen, werden Sie feststellen, dass es langsamer wird und Ihre Hände heiß werden. Dies ist eine Übertragung von kinetischer Energie auf Wärmeenergie durch Reibung. (Entschuldigung, wenn ich das Experiment nicht sehr gut beschrieben habe).

Denken Sie daran, wenn wir sagen, dass ein System Energie verliert oder erschöpft, meinen wir im Wesentlichen, dass das System positive Arbeit an einem anderen System leistet, so dass die geleistete Arbeit die Menge an Energie ist, die an das andere System übertragen wird.

Damit ein Objekt einen Teil seiner kinetischen Energie verliert, muss es etwas positive Arbeit an etwas leisten, in den meisten Fällen tut es dies, um Reibung zu überwinden.

Es tut.

Die Gesetze der Thermodynamik besagen grundsätzlich, dass jede Wechselwirkung zwischen Objekten dazu führt, dass ein Teil der Energie dieser Wechselwirkung als Abwärme verschwendet wird. Dadurch nimmt die nutzbare Energiemenge im Universum kontinuierlich ab, während die Menge an Abwärme langsam steigt. Der Punkt, an dem die gesamte Energie des Universums in Abwärme umgewandelt wurde, wird als „Wärmetod des Universums“ bezeichnet.

Glücklicherweise ist die Rate, mit der dies auftritt, sehr gering, und das Universum enthält viel Energie, sodass dies in Milliarden und Abermilliarden von Jahren nicht passieren wird.

Aufgrund der Symmetrie durch Verschiebung in der Zeit bleibt die Energie erhalten. Darf ich von Noether daran erinnern, dass Energie kein Ding ist, sondern eine Menge.

Aber die Intuition, die wir auf der Erde in uns selbst aufbauen, ist, dass die Energie auf eine bestimmte Weise genutzt wird. Tatsächlich wird die Energie nicht verbraucht, aber ihre Natur ändert sich .

Die Energie eines isolierten Systems bleibt erhalten. Wenn Ihr sich bewegendes Objekt isoliert ist, bleibt die Energie erhalten.

Wenn das Objekt einem Luftwiderstand, einer Flüssigkeitsviskosität, ausgesetzt wird, wird die Energie teilweise in Flüssigkeitsbewegung und Flüssigkeitserwärmung umgewandelt, und gleichzeitig ändert sich die Geschwindigkeit. In$\sum\vec F = m \vec a$links kommen die Kräfte aus der Umgebung (Flüssigkeiten) und rechts beschleunigt das Objekt (negativ oder positiv). In Ihrem Fall (explizit ein isoliertes sich bewegendes Objekt) gibt es keine Kraft, daher keine Beschleunigung, daher konstante kinetische Energie.