Hoe wordt energie bespaard binnen een gesloten systeem?

De wet van behoud van energie is een belangrijke natuurkundige wet. Kortom, het zegt dat hoewel energie van de ene soort in de andere kan veranderen, de totale hoeveelheid energie niet verandert. Deze wet is alleen van toepassing op gesloten systemen, dat wil zeggen systemen die geen energie kunnen uitwisselen met hun omgeving. Het heelal is bijvoorbeeld een gesloten systeem, terwijl een koffiekopje dat langzaam afkoelt op een aanrechtblad dat niet is.

Als een systeem energie kan uitwisselen met zijn omgeving, is het geen gesloten systeem en is energiebesparing niet van toepassing. De aarde is bijvoorbeeld geen gesloten systeem omdat het zowel warmte van de zon kan ontvangen als warmte de ruimte in kan stralen. Omdat het een open systeem is, kan de totale energie ervan veranderen. Het universum als geheel is een gesloten systeem omdat het voor zover we weten niet in contact staat met andere systemen of universums. Bijgevolg blijft de totale energie van het heelal onveranderd.

Energie kan veel verschillende vormen aannemen. Een object dat beweegt, heeft bijvoorbeeld kinetische energie of bewegingsenergie. Een object dat hoog boven de grond wordt geheven, heeft potentiële zwaartekrachtenergie omdat de zwaartekracht aan het object trekt en ervoor zorgt dat het "wil" vallen. Licht van de zon is energie in de vorm van straling. De moleculen in je voedsel hebben chemische potentiële energie die je via de spijsvertering kunt extraheren, en je lichaam heeft energie in de meest voor de hand liggende vorm: warmte.

In het universum als geheel wordt energie nooit vernietigd - het verandert alleen van vorm. Wanneer een steen bijvoorbeeld valt, wordt het zwaartekrachtpotentieel dat het bezat vanwege zijn hoogte omgezet in kinetische energie, en wanneer het de grond raakt, wordt die kinetische energie omgezet in warmte. Planten nemen straling op en zetten de energie die het bevat om in chemische potentiële energie die je op zijn beurt weer extraheert als je je voedsel eet. Een elektriciteitscentrale neemt chemische potentiële energie in steenkool en zet deze om in elektrische energie. In al deze scenario's verandert energie gewoon van vorm.

De eerste wet van de thermodynamica is een andere manier om de wet van behoud van energie uit te drukken. Het zegt dat voor elk systeem de verandering in de totale energie gelijk is aan de hoeveelheid werk die het doet minus de hoeveelheid energie die eraan wordt overgedragen als warmte. Dit is slechts een andere manier om hetzelfde idee uit te leggen, omdat de energie van het systeem constant blijft tenzij het energie ontvangt in de vorm van arbeid of warmte.