مفهوم بقای انرژی یک اصل اساسی در رشته های مختلف علوم از جمله فیزیک، شیمی و مکانیک کلاسیک است. این اصل بیان می کند که انرژی کل در یک سیستم ایزوله در طول زمان ثابت می ماند، اگرچه می تواند شکل ها را تغییر دهد. درک این مفهوم برای درک چگونگی انتقال و تبدیل انرژی در سناریوهای مختلف بسیار مهم است.
انرژی ظرفیت انجام کار یا ایجاد تغییرات فیزیکی است. به اشکال مختلفی مانند انرژی جنبشی (انرژی حرکت)، انرژی پتانسیل (انرژی ذخیره شده)، انرژی حرارتی (گرما)، انرژی شیمیایی (ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی) و بسیاری موارد دیگر وجود دارد. اصل بقای انرژی به ما می گوید که در حالی که انرژی می تواند از شکلی به شکل دیگر منتقل یا تبدیل شود، مقدار کل انرژی در یک سیستم بسته تغییر نمی کند.
در فیزیک، به ویژه در قلمرو مکانیک کلاسیک، یک مثال واضح از بقای انرژی از طریق تأثیر متقابل انرژی جنبشی و پتانسیل دیده می شود. یک آونگ را در نظر بگیرید. در بالاترین نقطه، تمام انرژی به صورت انرژی پتانسیل گرانشی است که با معادله \(U = mgh\) به دست می آید، که در آن \(m\) جرم است، \(g\) شتاب ناشی از گرانش است و \(h\) ارتفاع است. همانطور که آونگ به سمت پایین حرکت می کند، این انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می شود که با \(K = \frac{1}{2}mv^2\) محاسبه می شود که در آن \(v\) سرعت است. در پایین ترین نقطه چرخش، انرژی آونگ تماماً جنبشی است. همانطور که به سمت بالا حرکت می کند، انرژی جنبشی دوباره به انرژی پتانسیل تبدیل می شود. با وجود این دگرگونی‌ها، انرژی کل (سینتیک + پتانسیل) ثابت می‌ماند، با این فرض که هیچ انرژی در اثر مقاومت هوا یا اصطکاک از دست نمی‌رود.
از نظر شیمی، پایستگی انرژی در واکنش های شیمیایی مشاهده می شود. هنگامی که مواد واکنش می دهند، انرژی شیمیایی یا جذب یا آزاد می شود. یک واکنش گرمازا انرژی آزاد می کند، معمولاً به شکل گرما، که نشان می دهد انرژی کل محصولات کمتر از واکنش دهنده ها است. برعکس، یک واکنش گرماگیر انرژی را جذب می کند، به این معنی که محصولات انرژی بیشتری دارند. با وجود این تفاوت ها در توزیع انرژی، کل انرژی قبل و بعد از واکنش ثابت می ماند. به عنوان مثال، در احتراق گاز هیدروژن برای تشکیل آب، \(2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l) + Energy\) انرژی آزاد می شود، اما مجموع انرژی در جهان بدون تغییر باقی می ماند.
در حالی که بقای انرژی یک مفهوم محوری است، اغلب در کنار بقای تکانه در مکانیک کلاسیک مورد مطالعه قرار می گیرد. تکانه، که به عنوان حاصل ضرب جرم و سرعت یک جسم ( \(p = mv\) ) تعریف می شود، در سیستم های بسته نیز حفظ می شود. یک راه جالب برای مشاهده این از طریق برخوردهای الاستیک است که در آن هیچ انرژی جنبشی از بین نمی رود. مجموع لحظه و مجموع انرژی اجسام در حال برخورد قبل و بعد از برخورد ثابت می‌مانند و بقای دوگانه تکانه و انرژی را نشان می‌دهند.
آزمایشی که هر دو اصل را نشان می‌دهد، شامل استفاده از آونگی با گهواره‌ای از توپ‌های معلق در یک خط است. هنگامی که یک توپ در انتها بلند می شود و رها می شود، به خط برخورد می کند و فقط توپ در انتهای مخالف حرکت می کند. این نشان دهنده بقای تکانه و انرژی است، زیرا انرژی و تکانه منتقل شده از طریق توپ ها منجر به حرکت توپ نهایی با انرژی جنبشی معادل انرژی پتانسیل اولیه توپ اول می شود.
قوانین بقای انرژی پیامدهای عمیقی فراتر از قلمرو علم نظری دارند. در زندگی روزمره، استفاده بهینه از انرژی و تبدیل انرژی از شکلی به شکل دیگر در فناوری ها و صنایع مختلف نقش محوری دارد. به عنوان مثال، در نیروگاه ها، انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت های فسیلی از طریق احتراق به انرژی حرارتی تبدیل می شود. سپس از این انرژی حرارتی برای تولید انرژی مکانیکی در توربین ها استفاده می شود که در نهایت به انرژی الکتریکی برای استفاده جامعه تبدیل می شود. در طول این فرآیند، اصل بقای انرژی پابرجاست، زیرا انرژی کل ثابت می ماند و صرفاً در حال تغییر شکل برای تامین نیازهای انسان است.
مفهوم بقای انرژی سنگ بنای علم است که درک اساسی از نحوه عملکرد جهان را ارائه می دهد. با درک این موضوع که انرژی را نمی توان ایجاد کرد یا از بین نمی برد، بلکه فقط تبدیل می شود، بینشی در مورد عملکرد همه چیز از واکنش های شیمیایی میکروسکوپی گرفته تا مکانیک گسترده اجرام آسمانی به دست می آوریم. علاوه بر این، این اصل ما را در ایجاد فناوری‌های پایدار و تلاش‌هایمان برای استفاده بهینه از انرژی راهنمایی می‌کند. همانطور که ما عمیق تر به اسرار جهان می پردازیم، بقای انرژی همچنان به عنوان یک چراغ راهنما باقی می ماند، یک حقیقت اساسی که پدیده های مختلف را به یک درک منسجم از جهان طبیعی پیوند می دهد.
