Законы сохранения — физические закономерности, соглас­но которым численные значения некоторых физических вели­чин не изменяются со временем.

Широко известный закон, математически выраженный Эйн­штейном формулой Е=пдс2, относится к законам сохранения. Он является фундаментальным, определяющим границы примени­мости классических представлений при описании свойств мик­ромира. Он позволил не только обосновать периодическую систему элементов, но и объяснить насыщенность электронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др., построить современную теорию элементарных частиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий, микроэлектрони­ку, лазеры, ЭВМ, новые материалы.

В 1845 г. Л. Майер (1820 -1895) издал работу "Органическое движение в связи с обменом веществ", где последовательно и схематично изложил учение о сохранении и превращении энер­гии. Суть этого учения в следующем: в Природе есть весомая и непроницаемая материя, а остальное — силы (энергия). Дви­жение есть сила, оно измеряется величиной "живой силы" (ки­нетической энергии). Поэтому возможны только превращения сил. Источником всех сил на Земле является Солнце. Жизнеде­ятельность живых организмов рассматривается с точки зрения превращения форм энергии. Его метод: разница удельных теплоемкостей приравнивается работе (Ср - Cv = R), где R — соот­ношение теплоемкостей и газовой постоянной. Уравнение носит имя Майера, он же получил экспериментальным путем механи­ческий эквивалент теплоты 4,19 Дж/ккал.

Д. Джоуль и, независимо от него, X. Ленц (1804-1865) от­крыли закон — количество теплоты, выделенной током, про­порционально квадрату силы тока и сопротивлению. Q = I2 R.

Закон сохранения и превращения энергии иногда называют первым началом термодинамики.

В большинстве химических и физических процессов изме­нение массы недоступно измерению, а всеобщий закон сохра­нения массы, применяемый от астрономии до зоологии, был установлен в разных науках по отдельности. Таким образом, в общем случае была разработана единая методика определения энергоемкости веществ на основе сгорания веществ в чистом кислороде, позволяющая без особых потерь передать теплоту воде и измерить ее.

В 1822 г. французский математик Ж. Б. Фурье (1768-1830), исследуя тепловые процессы, вывел дифференциальные урав­нения теплопроводности (закон Фурье) и разработал методы интегрирования в работе "Аналитическая теория тепла", исполь­зуя разложение функций в тригонометрический ряд — ряд Фу­рье. Так вошли в математическую и теоретическую физику ряды Фурье и интеграл Фурье.

Русский академик Г. И. Гесс (1802 - 1850), исследуя хими­ческие реакции, в своем законе связывал сохранение и превращение вещества, включая тепловое, а следовательно, подтвер­дил законы сохранения и превращения энергии.

Вслед за Джоулем, Томсоном (лордом У. Кельвином) (1824 - 1907) и Г. Гельмгольцем (1821 - 1894), Р. Клаузиус (1822 - 1888) применил закон сохранения и превращения энер­гии к электрическим явлениям (1852), обратив внимание на то, что между затраченной работой и полученной теплотой наблю­дается постоянство соотношения только при циклических про­цессах — тело периодически возвращается в исходное состояние.

Томсон применил этот закон к световым явлениям, химичес­ким процессам и жизнедеятельности живых организмов, а за­тем к электрическим и магнитным явлениям, установив выражение для энергии магнитного поля в виде интеграла Фу­рье, взятого по объему.

Итак, закон сохранения и превращения энергии приобрел права всеобщего закона Природы, объединяющего живую и неживую Природу в виде первого начала термодинамики — сохраняется энергия (а не теплота).

Под законами сохранения, наряду с сохранением полной энергии, понимают сохранение импульса и момента импульса — они определяют динамику и галактик, и элементарных частиц, а также ряд других законов сохранения, например закон сохра­нения странности и некоторых квантовых чисел.

Различают два вида энергии: потенциальную и кинетичес­кую.

Понятие потенциальной энергии тела вводится для сил, ра­бота которых определяется только положением начальной и конечной точек траектории. Такие силы называют консерватив­ными. Работа неконсервативных сил зависит от формы тра­ектории, например, силы трения.

Кинетическая энергия — это энергия массы, движущейся под действием неконсервативных сил, а поэтому правильнее говорить о ее приращении, которое равно работе всех сил, приложенных к телу. Это могут быть силы упругости, тяготения, трения и т. д.

Связь симметрии пространства и законов сохранения была изложена немецким математиком Э. Нетер (1882-1935) в фор­ме фундаментальной теории: однородность пространства и времени влечет законы сохранения импульса и энергии, а изот­ропность пространства — сохранения момента импульса и энер­гии.

Установление связи между свойствами пространства и вре­мени и законами сохранения выражается в вариационном прин­ципе.

Закон изменения полной энергии

Сумму кинетической и потенциальной энергий называют пол­ной энергией тела. Она включает кинетическую энергию, кото­рая всегда положительна, и потенциальную, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Таким образом, пол­ная энергия может быть любого знака и равна нулю. Один из важнейших законов механики гласит: приращение полной энер­гии тела равно работе неконсервативных сил.

Закон сохранения полной энергии

Если неконсервативные силы отсутствуют или их работа рав­на нулю, то полная энергия не меняется, то есть имеет одно и то же значение в любой момент времени.

Закон сохранения полной энергии системы тел

Если в замкнутой системе действуют силы трения, то пол­ная энергия системы уменьшается, что не означает ее исчезно­вения. Наличие трения приводит к увеличению кинетической энергии движения молекул и потенциальной энергии их взаи­модействия за счет уменьшения полной энергии. Сохранение полной энергии замкнутой системы, равной сумме полной и внутренней энергий, является частным случаем всеобщего за­кона сохранения и превращения энергии всех форм движения материи.

Закон сохранения энергии в применении к тепловым процес­сам выражен в первом начале термодинамики. При этом в многоатомных молекулах кинетическая энергия складывается из трех независимых частей — энергии движения молекулы как целого, вращательной энергии и колебательной энергии ядер.

Передача тепла возможна, кроме трения, теплопроводнос­тью, конвенцией, излучением.

С законами сохранения энергии тесно связан закон про­порциональности, или взаимосвязи массы и энергии (эта связь совершенно универсальна): изменение массы тела прямо пропорционально изменению полной энергии или приращению ки­нетической и собственной (потенциальной) энергии.

Закон сохранения импульса

Данный закон представляет собой результат симметрии от­носительно параллельного переноса исследуемого объекта в пространстве, суть — однородность пространства. Так, в пус­том пространстве импульс сохраняется во времени, а при нали­чии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил. В случае системы материальных то­чек, их полный импульс определяется как векторная сумма всех импульсов, составляющих систему материальных точек.