Примеры механическая энергия превращается во внутреннюю: Приведите примеры превращения механической энергии… — Физика

Содержание

Приведите примеры превращения механической энергии… — Физика

Вопросы:

1. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую.
2. Приведите примеры перехода энергии от одного тела к другому.
3. Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому её значение сохраняется?
4. В чём состоит закон сохранения энергии?
5. Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?

Ответы:

1. Ручным насосом можно накачать мяч или воздушный шарик, при этом механическая энергия движения поршня превращается во внутреннюю энергию воздуха под давлением.
Нагрев воздушных масс у поверхности земли приводит к превращению внутренней энергии в механическую — ветер.

2. Ртутный термометр действует за счет полученной энергии от человеческого тела. В электроплитке происходит нагрев массивной металлической пластины, от контакта, с которой нагревается кастрюля или чайник с водой, т. е. происходит передача энергии от одного тела к другому.

3. Опыт по смешиванию воды разной температуры — наглядный пример передачи внутренней энергии от одного объекта другому, при котором полная энергия системы сохраняется.

4. Закон сохранения и превращения энергии — один из основных законов природы. Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

5. Закон сохранения и превращения энергии дает научную основу для разнообразных расчетов во всех областях науки и техники. Например, в механике зная внутреннюю энергию неподвижного тела мы можем найти какую максимальную кинетическую энергию оно может приобрести (снаряд), зная потенциальную энергию сгорания топлива, мы можем предсказать какое топливо лучше (двигатель). В результате открытия закона сохранения энергии было например доказано, что невозможно создать вечный двигатель первого (при его работе выделяется энергия) и второго рода (работает вечно, от одного «толчка»). Зная энергетический баланс системы ученые и инженеры могут предсказать, какая часть энергии может быть превращена в «полезную» работу.

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году. Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов. Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п. г.. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела. Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной. В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

E = mgH.

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

В 2021 году казахстанские школьники будут сдавать по-новому Единое национальное тестирование. Помимо того, что главный школьный экзамен будет проходить электронно, выпускникам предоставят возможность испытать свою удачу дважды. Корреспондент zakon.kz побеседовал с вице-министром образования и науки Мирасом Дауленовым и узнал, к чему готовиться будущим абитуриентам.

— О переводе ЕНТ на электронный формат говорилось не раз. И вот, с 2021 года тестирование начнут проводить по-новому. Мирас Мухтарович, расскажите, как это будет?

— По содержанию все остается по-прежнему, но меняется формат. Если раньше школьник садился за парту и ему выдавали бумажный вариант книжки и лист ответа, то теперь тест будут сдавать за компьютером в электронном формате. У каждого выпускника будет свое место, огороженное оргстеклом.

Зарегистрироваться можно будет электронно на сайте Национального центра тестирования. Но, удобство в том, что школьник сам сможет выбрать дату, время и место сдачи тестирования.

Кроме того, в этом году ЕНТ для претендующих на грант будет длиться три месяца, и в течение 100 дней сдать его можно будет два раза.

— Расскажите поподробнее?

— В марте пройдет тестирование для желающих поступить на платной основе, а для претендующих на грант мы ввели новые правила. Школьник, чтобы поступить на грант, по желанию может сдать ЕНТ два раза в апреле, мае или в июне, а наилучший результат отправить на конкурс. Но есть ограничение — два раза в один день сдавать тест нельзя. К примеру, если ты сдал ЕНТ в апреле, то потом повторно можно пересдать его через несколько дней или в мае, июне. Мы рекомендуем все-таки брать небольшой перерыв, чтобы еще лучше подготовиться. Но в любом случае это выбор школьника.

— Система оценивания останется прежней?

— Количество предметов остается прежним — три обязательных предмета и два на выбор. Если в бумажном формате закрашенный вариант ответа уже нельзя было исправить, то в электронном формате школьник сможет вернуться к вопросу и поменять ответ, но до того, как завершил тест.

Самое главное — результаты теста можно будет получить сразу же после нажатия кнопки «завершить тестирование». Раньше уходило очень много времени на проверку ответов, дети и родители переживали, ждали вечера, чтобы узнать результат. Сейчас мы все автоматизировали и набранное количество баллов будет выведено на экран сразу же после завершения тестирования.
Максимальное количество баллов остается прежним — 140.

— А апелляция?

— Если сдающий не будет согласен с какими-то вопросами, посчитает их некорректными, то он сразу же на месте сможет подать заявку на апелляцию. Не нужно будет ждать следующего дня, идти в центр тестирования, вуз или школу, все это будет электронно.

— С учетом того, что школьникам не придется вручную закрашивать листы ответов, будет ли изменено время сдачи тестирования?

— Мы решили оставить прежнее время — 240 минут. Но теперь, как вы отметили, школьникам не нужно будет тратить час на то, чтобы правильно закрасить лист ответов, они спокойно смогут использовать это время на решение задач.

— Не секрет, что в некоторых селах и отдаленных населенных пунктах не хватает компьютеров. Как сельские школьники будут сдавать ЕНТ по новому формату?

— Задача в том, чтобы правильно выбрать время и дату тестирования. Центры тестирования есть во всех регионах, в Нур-Султане, Алматы и Шымкенте их несколько. Школьники, проживающие в отдаленных населенных пунктах, как и раньше смогут приехать в город, где есть эти центры, и сдать тестирование.

— На сколько процентов будет обновлена база вопросов?

— База вопросов ежегодно обновляется как минимум на 30%. В этом году мы добавили контекстные задания, то что школьники всегда просили. Мы уделили большое внимание истории Казахстана и всемирной истории — исключили практически все даты. Для нас главное не зазубривание дат, а понимание значения исторических событий. Но по каждому предмету будут контекстные вопросы.

— По вашему мнению система справится с возможными хакерскими атаками, взломами?

— Информационная безопасность — это первостепенный и приоритетный вопрос. Центральный аппарат всей системы находится в Нур-Султане. Связь с региональными центрами сдачи ЕНТ проводится по закрытому VPN-каналу. Коды правильных ответов только в Национальном центре тестирования.

Кроме того, дополнительно через ГТС КНБ (Государственная техническая служба) все тесты проходят проверку на предмет возможного вмешательства. Здесь все не просто, это специальные защищенные каналы связи.

— А что с санитарными требованиями? Нужно ли будет школьникам сдавать ПЦР-тест перед ЕНТ?

— ПЦР-тест сдавать не нужно будет. Требование по маскам будет. При необходимости Центр национального тестирования будет выдавать маски школьникам во время сдачи ЕНТ. И, конечно же, будем измерять температуру. Социальная дистанция будет соблюдаться в каждой аудитории.

— Сколько человек будет сидеть в одной аудитории?

— Участники ЕНТ не за семь дней будут сдавать тестирование, как это было раньше, а в течение трех месяцев. Поэтому по заполняемости аудитории вопросов не будет.

— Будут ли ужесточены требования по дисциплине, запрещенным предметам?

— Мы уделяем большое внимание академической честности. На входе в центры тестирования, как и в предыдущие годы, будут стоять металлоискатели. Перечень запрещенных предметов остается прежним — телефоны, шпаргалки и прочее. Но, помимо фронтальной камеры, которая будет транслировать происходящее в аудитории, над каждым столом будет установлена еще одна камера. Она же будет использоваться в качестве идентификации школьника — как Face ID. Сел, зарегистрировался и приступил к заданиям. Мы применеям систему прокторинга.

Понятно, что каждое движение абитуриента нам будет видно. Если во время сдачи ЕНТ обнаружим, что сдающий использовал телефон или шпаргалку, то тестирование автоматически будет прекращено, система отключится.

— А наблюдатели будут присутствовать во время сдачи тестирования?

— Когда в бумажном формате проводили ЕНТ, мы привлекали очень много дежурных. В одной аудитории было по 3-4 человека. При электронной сдаче такого не будет, максимум один наблюдатель, потому что все будет видно по камерам.

— По вашим наблюдениям школьники стали меньше использовать запрещенные предметы, к примеру, пользоваться телефонами?

— Практика показывает, что школьники стали ответственнее относиться к ЕНТ. Если в 2019 году на 120 тыс. школьников мы изъяли 120 тыс. запрещенных предметов, по сути у каждого сдающего был телефон. То в прошлом году мы на 120 тыс. школьников обнаружили всего 2,5 тыс. телефонов, и у всех были аннулированы результаты.

Напомню, что в 2020 году мы также начали использовать систему искусственного интеллекта. Это анализ видеозаписей, который проводится после тестирования. Так, в прошлом году 100 абитуриентов лишились грантов за то, что во время сдачи ЕНТ использовали запрещенные предметы.

— Сколько средств выделено на проведение ЕНТ в этом году?

Если раньше на ЕНТ требовалось 1,5 млрд тенге из-за распечатки книжек и листов ответов, то сейчас расходы значительно сокращены за счет перехода на электронный формат. Они будут, но несущественные.

— Все-таки почему именно в 2021 году было принято решение проводить ЕНТ в электронном формате. Это как-то связано с пандемией?

— Это не связано с пандемией. Просто нужно переходить на качественно новый уровень. Мы апробировали данный формат на педагогах школ, вы знаете, что они сдают квалификационный тест, на магистрантах, так почему бы не использовать этот же формат при сдаче ЕНТ. Тем более, что это удобно, и для школьников теперь будет много плюсов.

Физика — 10

— Что происходит при падении тела и его остановке на поверхности Земли?

— Можно ли в этом случае сказать, что “как кинетическая, так и потенциальная энергия тела равны нулю, то есть механическая энергия исчезает и нарушается закон сохранения энергии ”?

Механическая энергия тел, составляющих замкнутую систему, не исчезает! Механическая энергия превращается в другой вид энергии — внутреннюю энергию системы: в результате соударения тела с поверхностью Земли система нагревается и ее внутренняя энергия увеличивается.

Можно привести примеры превращения энергии также и в других замкнутых системах. Например, в системе автомобиль-шоссе при торможении движущего автомобиля его кинетическая энергия в результате трения превращается во внутреннюю энергию нагретых покрышек.

Таким образом, говоря о законе сохранения полной энергии, подразумевается сохранение всех видов энергии (механической, внутренней, электромагнитной и другие), превращающихся друг в друга, в замкнутой системе:
Энергия не исчезает и не возникает из ничего, она превращается из одного вида в другой.

Исследование-2. Применение
Задача 2. Тело бросили вертикально вверх с начальной скоростью 10 м/сек. Какова скорость этого тела на высоте 3,2 м (сопротивление воздуха не учитывать; g = 10 м/с2)?
Обсуждение результатов:
● Какой энергией обладает тело, брошенное вертикально вверх, на высоте h?
● Какой формулой выражается закон сохранения механической энергии для этого тела?
● Как определить скорость тела на высоте 3,2 м?

Применение в повседневной жизни:
На рисунке представлены три разные
точки траектории движения тела, падающего с определенной высоты.

  • Чему равна полная механическая энергия тела в каждой из этих точек (сопротивление воздуха не учитывать)?

Провести самооценку:

  1. Какие понятия повторили на уроке? Что из этого вы хорошо поняли, а что осталось вам не ясным?
  2. При каких условиях полная механическая энергия сохраняется?
  3. При каких условиях полная энергия сохраняется?
  4. В какой вид энергии может превратиться частично полная механическая энергия в результате трения тела?
  5. Какие превращения энергии происходят в следующих явлениях:
    a) падение массы воды в водопаде;
    b) шарик, скатывающийся по наклонному желобу Галилея.
  6. Тело бросили вертикально вверх с начальной скоростью 6,4 м/с. На какой высоте кинетическая и потенциальная энергии системы “Земля-тело” будут одинаковые?

ЧТО ВЫ УЗНАЛИ?
Запишите в рабочем листке определения нижеприведенных понятий: “полная механическая энергия”, “закон сохранения полной механической энергии”, “однородность времени”,” закон сохранения полной энергии”.

Тест по физике Закон сохранения и превращения энергии 8 класс

Тест по физике Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 7 заданий и предназначен для проверки знаний к главе Тепловые явления.

1. Закон сохранения механической энергии утверждает, что

1) движущиеся тела обладают кинетической энергией
2) поднятые на высоту или деформированные тела обладают потенциальной энергией
3) кинетическая энергия тела переходит в потенциальную и наоборот
4) при всех превращениях энергии полная механическая энергия остается постоянной

2. Какая формула выражает закон сохранения механической энергии?

3. В каком из приведенных случаев происходит превращение ме­ханической энергии во внутреннюю энергию?

1) Кусочек свинца ударами молотка расплющивают в пла­стинку
2) Горный поток воды, перетекая с уступа на уступ, попадает наконец в речное русло на равнине
3) Самолет идет на посадку и приземляется
4) Упавший на пол мяч отскакивает от него

4. В каком из названных здесь примеров внутренняя энергия превращается в механическую?

1) Первобытный человек добывал огонь трением одного куска дерева о другой
2) Крышка чайника, в котором кипит вода, подпрыгивает
3) Распиливающая бревно пила нагревается
4) От вращающегося точильного камня, когда к нему прижи­мают лезвие ножа, отлетают искры — раскаленные части­цы металла

5. При теплопередаче более холодное тело получает такое коли­чество теплоты, какое

1) необходимо для его нагревания
2) нужно, чтобы температура тел выровнялась
3) отдает тело с более высокой температурой, остывая до об­щей одинаковой температуры

6. Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии — выполняется

1) в тех явлениях, в которых происходит превращение меха­нической энергии из одного вида в другой
2) когда механическая энергия превращается во внутреннюю энергию
3) когда внутренняя энергия превращается в механическую
4) всегда-при любых явлениях, происходящих в природе

7. При забивании молотом в грунт сваи произведена работа 12 кДж. Какая энергия и на сколько изменилась при этом?

1) Внутренняя энергия сваи; на 12 кДж
2) Внутренняя энергия сваи и молота; на 12 кДж
3) Механическая энергия молота и сваи; на 6 кДж каждого из этих тел
4) Внутренняя энергия сваи, молота и грунта; в сумме на 12 кДж

Ответы на тест по физике Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах
1-4
2-3
3-1
4-2
5-3
6-4
7-4

Законы сохранения энергии — Электронный учебник по законам сохранения

Если тело некоторой массы m двигалось под действием приложенных сил, и его скорость изменилась от  до  то силы совершили определенную работу A.

Работа всех приложенных сил равна работе равнодействующей силы 

Работа равнодействующей силы. .A = F1s cos α1 + F2s cos α2 = F1ss + F2ss = Fрss = Fрs cos α

Между изменением скорости тела и работой, совершенной приложенными к телу силами, существует связь. Эту связь проще всего установить, рассматривая движение тела вдоль прямой линии под действием постоянной силы  В этом случае векторы силы  перемещения  скорости  и ускорения  направлены вдоль одной прямой, и тело совершает прямолинейное равноускоренное движение. Направив координатную ось вдоль прямой движения, можно рассматривать F, s, υ и a как алгебраические величины (положительные или отрицательные в зависимости от направления соответствующего вектора). Тогда работу силы можно записать как A = Fs. При равноускоренном движении перемещение s выражается формулой 

Отсюда следует, что 

Это выражение показывает, что работа, совершенная силой (или равнодействующей всех сил), связана с изменением квадрата скорости (а не самой скорости).

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела: 

Работа приложенной к телу равнодействующей силы равна изменению его кинетической энергии.  

Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии. Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения.

Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью  равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость: 

Если тело движется со скоростью  то для его полной остановки необходимо совершить работу 

В физике наряду с кинетической энергией или энергией движения важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными.

Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю. Это утверждение поясняет рисунок ниже

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Работа консервативной силы A1a2 = A1b2. Работа на замкнутой траекторииA = A1a2 + A2b1 = A1a2 – A1b2 = 0

Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести  Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещения  на ось OY, направленную вертикально вверх: 

ΔA = Fт Δs cos α = –mgΔs y,

где Fт = Fтy = –mg – проекция силы тяжести, Δsy – проекция вектора перемещения. При подъеме тела вверх сила тяжести совершает отрицательную работу, так как Δsy > 0. Если тело переместилось из точки, расположенной на высоте h1, в точку, расположенную на высоте h2 от начала координатной оси OY , то сила тяжести совершила работу 

A = –mg (h2 – h1) = –(mgh2 – mgh1).

Работа силы тяжести

Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh, взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести 

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Если рассматривать движение тел в поле тяготения Земли на значительных расстояниях от нее, то при определении потенциальной энергии необходимо принимать во внимание зависимость силы тяготения от расстояния до центра Земли (закон всемирного тяготени). Для сил всемирного тяготения потенциальную энергию удобно отсчитывать от бесконечно удаленной точки, т. е. полагать потенциальную энергию тела в бесконечно удаленной точке равной нулю. Формула, выражающая потенциальную энергию тела массой m на расстоянии rот центра Земли, имеет вид: 

где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная.

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Можно просто удлинить пружину на величину x, или сначала удлинить ее на 2x, а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях сила упругости совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A, взятой с противоположным знаком : 

где k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, т. е. сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину 

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x1, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком: 

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой посредством сил упругости.

Свойством консервативности наряду с силой тяжести и силой упругости обладают некоторые другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия между заряженными телами. Сила трения не обладает этим свойством. Работа силы трения зависит от пройденного пути. Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Х. Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи.

К задаче Христиана Гюйгенса.   – сила натяжения нити в нижней точке траектории

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде: 

Обратим внимание на то, что сила  натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы.

При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести: 

Из этих соотношений следует: 

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами  и  направленными в противоположные стороны: 

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равно 

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение.

Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии

Один из проектов «вечного двигателя». Почему эта машина не будет работать?

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

Физика для 7 класса. Пёрышкин, Родина. 1969 г. DjVu

Учебник прислал Данил Насердинов.
_____________________

      ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

      ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И РАБОТА

      1. ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ

      Мы знаем, что тела состоят из молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении. Движение каждой отдельной молекулы — движение механическое. Можно определить пройденный путь и среднюю скорость движения отдельной молекулы. Можно представить, как она сталкивается с другими молекулами тела. На рисунке 1 изображен отрезок траектории отдельной молекулы газа, увеличенный в миллионы раз.

      Но движение всех вместе взятых молекул — это очень сложное движение. Вспомним, что в 1 см3 газа содержится примерно 25 000 000 000 000 000 000 (2,5 101Э) молекул. И каждая молекула движется по очень сложной траектории. Трудно даже представить себе картину этого общего движения молекул тела. Миллиарды миллиардов маленьких частиц движутся с большими скоростями в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, отчего меняются их скорости, и снова движутся до следующего столкновения.

      Мы уже знаем, что со скоростью движения молекул тела связана его температура («Физика», 6-й класс, § 12). Поэтому беспорядочное движение молекул, связанное с температурой тела, называют тепловым движением.

      Знания о внутреннем строении вещества, о тепловом движении позволяют объяснить причины тепловых явлений. Эти явления имеют большое значение в жизни человека. Примерами их являются изменения температуры воздуха в течение суток и года, таяние льда и замерзание воды, плавление и отвердевание металлов, испарение воды и выпадение росы (см. цветную вклейку).

     

      1. Что мы знаем о движении Одной молекулы тела?

      2. Почему общее движение молекул тела является очень сложным?

      3. Почему беспорядочное движение молекул называют тепловым движением? 4. Приведите примеры тепловых явлений.

     

      2. ПЕРЕХОД МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВО ВНУТРЕННЮЮ ЭНЕРГИЮ

      В физике изучают механические, тепловые, световые, электрические и другие явления. Мы уже ознакомились с некоторыми механическими явлениями. Мы знаем, что существует два вида механической энергии: потенциальная и кинетическая. Потенциальной энергией обладают тела, которые взаимодействуют друг с другом — притягиваются или отталкиваются. Например, потенциальной энергией обладает камень, поднятый над Землей, сжатая или растянутая пружина, сжатый газ.

      Кинетической энергией обладают движущиеся тела: текущая вода, ветер, катящийся мяч, летящая пуля. Величина кинетической энергии зависит от массы движущегося тела и от его скорости.

      Потенциальная и кинетическая энергия — это два вида механической энергии тела, они могут превращаться друг в друга. Примеры такого превращения энергии были рассмотрены в учебнике 6-го класса («Физика», 6-й класс, § 111).

      Рассмотрим еще пример превращения энергии.

      Свинцовый шар бросают вверх так, чтобы при обратном движении вниз он ударился о свинцовую плитку. Подбрасывая вверх шар, мы сообщаем ему кинетическую энергию. Пока шар летит вверх (рис. 2), его скорость, а следовательно, и кинетическая энергия уменьшается. Зато постепенно возрастает потенциальная энергия: ведь шар поднимается все выше и выше. В самой верхней точке пути шар на мгновение останавливается и его кинетическая энергия обращается в нуль. Потенциальная же энергия в этой точке становится наибольшей. После этого шар падает вниз. Скорость его увеличивается, а высота подъема уменьшается. Следовательно, его кинетическая энергия возрастает, а потенциальная энергия уменьшается. После того как шар ударится о свинцовую плитку (рис. 3), он остановится. И кинетическая, и потенциальная энергия его относительно плиты будут равны нулю.

      Означает ли это, что механическая энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Механическая энергия превратилась в другую форму. Что же представляет собой эта другая форма энергии?

      Рассматривая шар и плиту после удара, мы заметим, что шар немного сплющился, а на плите образовалась небольшая вмятина, т. е. шар и плита при ударе деформировались.

      Измерив сразу же после удара температуру шара и плиты (а это можно сделать), мы обнаружим, что они нагрелись.

      Таким образом, в результате удара шара о плитх изменилось состояние этих тел — они деформировались и нагрелись. Но если изменилось состояние тел. то изменилась и энергия частиц, из которых состоят тела.

      Действительно, мы уже знаем, что при нагревании тела увеличивается средняя скорость движения молекул, а следовательно, увеличивается их средняя кинетическая энергия. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом — притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются. При деформации же тела изменяется взаимное расположение его молекул, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

      Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.

      К внутренней энергии относят также и ту энергию, которую называют атомной энергией.

      При изучении тепловых явлений учитывают только энергию молекул, потому что она главным образом изменяется в этих явлениях. Поэтому в дальнейшем, говоря о внутренней энергии тела, мы будем понимать под ней кинетическую и потенциальную энергию молекул тела.

      Вернемся теперь к нашему опыту со свинцовым шаром и плитой. На основании этого опыта можно сделать следующий вывод. При остановке тела механическое движение прекращается, но зато усиливается беспорядочное (тепловое) движение его молекул. Механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела.

     

      1. Какие превращения энергии происходят при подъеме шара, брошенного вверх, и при его падении?

      2. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их соударения?

      3. В какую энергию превращается механическая энергия шара при ударе его о плиту?

      4. Какую энергию называют внутренней энергией тела?

     

      3. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

      Кинетическая и потенциальная энергия всех молекул данного тела, как было сказано в предыдущем параграфе, составляет внутреннюю энергию этого тела.

      Нетрудно заключить, что кинетическая энергия молекул, а также потенциальная их энергия не зависит от того, движется ли само тело или покоится.

      Так, например, кинетическая и потенциальная энергия молекул свинцового шара (§ 2) не зависит от того, лежит ли шар на плите, приподнят ли он над ней или движется относительно нее.

      Таким образом, энергия молекул тела не зависит ни от движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Имея всегда какой-то запас внутренней энергии, тело одновременно может обладать механической энергией. Например, летящий на некоторой высоте над землей самолет, кроме внутренней энергии, обладает еще механической энергией — потенциальной и кинетической.

      Кинетическая и потенциальная энергия одной молекулы — это очень маленькая величина, так как масса молекулы мала. Но молекул в теле множество, поэтому внутренняя энергия тела, равная сумме энергий всех молекул, достаточно велика.

      Так, кинетическая энергия одной молекулы водорода при комнатной температуре равна 0. 000.000 000 000 000 000 005 дж (5-10’21 дж). Расчеты показывают, что сумма кинетических энергий всех молекул водорода, содержащихся в 1 мя его при тех же условиях, равна 140 000 дж,— это уже значительная величина.

      Приведем такое сравнение. Если поднять на высоту 3 м громадный ковочный молот массой 5 т, то его потенциальная энергия будет составлять тоже около 140 000 дж. Но потенциальную энергию молота легче использовать, чем внутреннюю энергию 1 мъ водорода. Достаточно отпустить молот, и, падая на деталь, он совершит полезную работу: его потенциальная энергия будет использована.

      Но не так просто и не всегда возможно использовать внутреннюю энергию тел. Способам ее использования уделяют большое внимание в науке. Успехи техники связаны с тем, насколько человечество научилось «извлекать» внутреннюю энергию тел. Отсюда видно, что ее значение очень велико.

      Внутренняя энергия тела не является какой-то постоянной величиной: у одного и того же тела она может изменяться. При повышении температуры тела внутренняя энергия тела увеличивается, так как увеличивается средняя скорость, а значит, и кинетическая энергия молекул этого тела. С понижением же температуры, наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается.

      Внутренняя энергия меняется при переходе тела из одного состояния в другое, а также при деформации тела, при раздроблении его на мелкие части, так как во всех этих случаях меняется взаимное расположение частиц, а значит, и их потенциальная энергия. Например, внутренняя энергия водяного пара значительно больше внутренней энергии такого же количества воды. Ведь при переходе воды из жидкого состояния в пар промежутки между молекулами увеличиваются, поэтому увеличивается потенциальная энергия отдельных молекул.

      Можно сказать, что внутренняя энергия тела зависит от состояния этого тела. С изменением состояния тела меняется и его внутренняя энергия.

     

      1. Зависит ди внутренняя энергия тела от того, обладает само тело кинетической и потенциальной энергией или нет?

      2. Какую энергию легче использовать: механическую или внутреннюю?

      3. Почему внутренняя энергия тела увеличивается при повышении температуры тела?

      4. Как и почему меняется внутренняя энергия тела при деформации тела и переходе его в другое состояние?

     

      4. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА

      I. Внутренняя энергия тела изменяется при изменении скорости движения его молекул. Какими же способами можно увеличить или уменьшить эту скорость? Обратимся к опыту.

      На подставке (рис. 4) укреплена тонкостенная латунная трубка, в которую налито немного эфира, трубка плотно закрыта пробкой. Трубку обвивают веревкой и быстро двигают веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое время эфир закипит и его пар вытолкнет пробку. Этот опыт показывает, что внутренняя энергия эфира увеличилась: ведь он нагрелся и даже закипел. Это увеличение внутренней энергии произошло в результате работы, совершенной при натирании веревкой трубки.

      Тела нагреваются также при ударах, разгибании и сгибании, вообще при деформации. Во всех этих случаях за счет совершенной работы увеличивается внутренняя энергия тел.

      Итак, внутреннюю энергию тела можно увеличить путем совершения работы над телом.

      Если же работу совершает само тело, то внутренняя энергия его при этом уменьшается. Это можно наблюдать на следующем опыте.

      Берут толстостенный стеклянный сосуд, закрытый пробкой. Через специальное отверстие в сосуд накачивают воздух. Через некоторое время пробка выскакивает из сосуда (рис. 5). В тот момент, когда пробка выскочит, в сосуде появится туман. Его появление означает, что воздух в сосуде стал холоднее (вспомните, что и на улице туман появляется во время похолодания).

      Находящийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершает работу. Эту работу он совершает за счет своей внутренней энергии, которая при

      этом уменьшается, об ее уменьшении мы судим по охлаждению воздуха в сосуде.

      2. Известно, однако, что внутреннюю энергию тела можно изменить и другим способом, без совершения работы. Без совершения работы нагреваются чайник с водой, стоящий на плите, металлическая ложка, опущенная в стакан с горячим чаем, печь, в которой разведен огонь, крыша дома, освещаемая лучами солнца, и т. п. Во всех этих случаях тоже повышается температура тел, а.значит, увеличивается и их внутренняя энергия. Как объяснить ее увеличение?

      Как, например, нагревается холодная металлическая ложка, опущенная в горячий чай? Скорости теплового движения частиц горячей воды больше скоростей частиц холодного металла. В тех местах, где ложка соприкасается с водой, частицы горячей воды передают часть своей кинетической энергии частицам холодного металла. Поэтому энергия частиц воды в среднем уменьшается, а энергия частиц металла увеличивается: температура воды уменьшается, а температура ложки увеличивается — температуры их постепенно выравниваются. С уменьшением кинетической энергии молекул воды уменьшается и внутренняя энергия всей воды, находящейся в стакане, а внутренняя энергия ложки увеличивается.

      Ту часть внутренней энергии, которая перешла от воды к ложке, называют количеством теплоты. Для нее применяют также названия: «теплота» или «тепло». Поэтому и тот способ изменения внутренней энергии, при котором над телом не совершается работа, а энергия передается от одних частиц к другим, называют передачей теплоты или теплопередачей.

      Итак, внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением механической работы или теплопередачей.

      Когда тело уже нагрето, мы не можем указать, каким из двух способов это было сделано. Так, держа в руках нагретую стальную спицу, мы не можем сказать, каким способом ее нагрели — натирая ее или помещая в пламя.

      1. Приведите примеры, показывающие, что внутренняя энергия тела увеличивается при совершении над телом работы.

      2. Опишите опыт, показывающий, что за счет своей внутренней энергии тело может совершить работу. 3. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела способом теплопередачи. 4. Объясните с точки зрения молекулярного строения вещества теплопередачу. 5. Какими двумя способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

      Положите пятикопеечную монету на лист фанеры или деревянную доску. Прижмите монету к доске и двигайте ее быстро то в одну, то н другую сторону. Заметьте, сколько раз надо передвинуть монету, чтобы она стала теплой, горячен. Сделайте вывод о связи между проделанной работой и увеличением внутренней энергии тела.

     

      5. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ

      Внутренняя энергия, как и всякий другой вид энергии, может передаваться от одного тела к другому. Мы уже рассмотрели один из примеров такой передачи — передачу энергии от горячей воды к холодной ложке.

      Можно привести и другие примеры передачи теплоты от одного тела к другому или от одной части тела к другой. Теплота передается от печи или от труб водяного отопления воздуху комнаты. Внутренняя энергия Солнца, находящегося от Земли на расстоянии 150 000 000 км, передается Земле. Когда мы помещаем конец железного прута в пламя костра, то внутренняя энергия пламени передается но пруту к руке.

      В перечисленных примерах энергия сама передается от горячих тел к холодным. Чтобы, наоборот, холодное тело передало часть своей внутренней энергии более нагретому телу, необходимо совершить работу. Например, в холодильнике теплоту отнимают от находящихся в нем тел и передают окружающему их более теплому воздуху, используя для этого работу электрического тока.

      Рассмотрим вид теплопередачи, который называют теплопроводностью.

      Теплопроводность можно наблюдать па следующем опыте. Закрепляют один конец толстой медной проволоки в штативе, а к проволоке прикрепляют воском несколько гвоздиков (рис. 6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет плавиться, и гвоздики будут постепенно отпадать от проволоки. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к свободному концу проволоки, затем по очереди все остальные.

      Как происходит передача тепла но проволоке?

      Сначала горячее пламя вызывает усиление теплового движения частиц металла в одном конце проволоки и температура его повышается. Затем движение передается соседним частицам и скорость их движения также увеличивается, т. е. повышается температура следующей части проволоки. Затем увеличивается скорость колебания следующих частиц и т. д. При этом очень важно заметить, что при теплопроводности само вещество не перемещается от одного конца тела к другому.

      Различные вещества имеют разную теплопроводность.

      В этом можно убедиться на опыте, в котором тепло передается по стержням из разных металлов (рис. 7).

      И из нашего жизненного опыта мы знаем, что одни вещества имеют лучшую теплопроводность, чем другие. Железный гвоздь нельзя долго Нагревать, держа в руке, а горящую спичку можно держать до тех пор, пока пламя не коснется руки.

      Различной теплопроводностью веществ объясняется и такое всем известное явление: металлические тела кажутся нам на ощупь холоднее, чем дерево, пластмасса, бумага и т п. Возьмите в руки деревянный карандаш и стальные ножницы. Ножницы кажутся холоднее, чем карандаш, хотя на самом деле температура этих тел одинакова: ведь они леЖат рядом, в одной комнате. Но сталь кажется холоднее дерева потому, что она быстрее отводит тепло от нашей руки, так как ее теплопроводность лучше, чем теплопроводность дерева. Эта кажущаяся разница возникает только в том случае, когда температура воздуха в комнате, а следовательно, и карандаша и ножниц ниже температуры руки.

      Хорошие проводники тепла — металлы, из них лучшие — серебро и медь. Дерево, стекло, кожа проводят тепло плохо. Плохо проводят тепло также шерсть, волосы, перья птиц, бумага, картон, асбест, пробка и другие пористые тела.

      У жидкостей, за исключением расплавленных металлов, например ртути, плохая теплопроводность. У газов, теплопроводность еще хуже. Ведь молекулы их расположены далеко друг от друга и передача движения от одной молекулы к другой затруднена.

      Шерсть, вата, пух и мех — плохие проводники тепла, потому что они между своими волокнами содержат воздух. Самым плохим проводником тепла является вакуум (пустота) — освобожденное от воздуха и других газов пространство. Объясняется это тем, что теплопроводность, т. е. перенос тепла от одной части тела к другой, осуществляют молекулы или другие частицы, следовательно, в пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не может.

      Плохие проводники тепла применяют для сохранения тепла. Например, кирпичные стены — плохие проводники тепла — помогают сохранять тепло в помещении. При помощи плохих проводников тепла можно предохранить тела и от нагревания. Например, лед в погребе сохраняют, обкладывая погреб соломой, опилками и землей — плохими проводниками тепла.

     

      1. На каком опыте можно наблюдать передачу тепла твердым телом? 2. Как происходит передача тепла по металлической проволоке? 3. Почему металл кажется на ощупь холоднее дерева? 4. Какие плохие проводники тепла вы знаете? Где их применяют?

      1. Почему глубокий рыхлый снег предохраняет озимые хлеба от вымерзания?

      2. Объясните, почему солома, сено, сухие листья плохо проводят тепло.

      3. Подсчитано, что теплопроводность сосновых досок в 3,7 раза больше, чем сосновых опилок, теплопроводность льда в 21,5 раза больше, чем свежевыпавшего снега (снег состоит из мелких кристалликов льда). Чем объяснить такую разницу?

      4. Почему выражение «шуба греет» неверно?

     

      Жидкости и газы обычно нагревают снизу. Чайник с водой ставят на огонь, батареи отопления, от которых нагревается воздух в комнате, помещают под окнами около пола. Случайно ли это?

      Поместив руку над горячей плитой или над горящей лампой, мы заметим, что от плиты или лампы вверх поднимаются теплые струи воздуха. Эти струи заставляют вращаться небольшую бумажную вертушку, помещенную над лампой (рис. 8). Теплый воздух перемещается вверх.

      Такой вид передачи тепла называют конвекцией.

      При конвекции тепло переносится самими струями газа или жидкости. Воздух, который соприкасается с плитой или лампой, нагревается от ее поверхности и расширяется. Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного, и поэтому слой теплого воздуха всплывает в холодном воздухе. Ведь архимедова сила, действующая па него снизу вверх, больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Место теплого воздуха над плитой занимает холодный воздух, он также прогревается и начинает двигаться вверх и т. д.

      Такие же явления наблюдают и при нагревании жидкости.

      Ставят на огонь стеклянную колбу с водой. Для того чтобы заметить, будут ли перемещаться слои воды при нагревании, опускают на дно колбы кристаллик красящего вещества, например марганцово-кислого калия. Замечают, как нагретые нижние слои воды выталкиваются холодной водой и поднимаются вверх (рис. 9). Вода начнет перемещаться по замкнутым линиям — циркулировать. Благодаря циркуляции вся вода равномерно прогревается. Здесь, как и в газе, тепло переносится с одного места на другое с потоками вещества — воды.

      Конвекция происходит в наших жилых комнатах (рис. 10), благодаря чему нагревается воздух в них.

      Мы рассмотрели конвекцию, которая является естественной или свободной. Если же неравномерно нагретую жидкость (или газ) перемешивать насосом или мешалкой, то произойдет вынужденная конвекция.

      Теперь можно ответить па вопрос, поставленный в начале этого параграфа: почему жидкости и газы нагревают, как правило, снизу? Попробуем прогреть воду, налитую в пробирку, так, как показано на рисунке 1.1. Верхний слой воды закипит, а нижние слои останутся холодными. (Если на дно пробирки поместить кусочки льда, они даже не растают.) Почему? При таком способе нагревания не может происходить конвекция, ведь нагретые слои воды не могут опуститься ниже холодных, более тяжелых слоев. Может быть, вода прогреется благодаря теплопроводности? Но, как видно из этого опыта, теплопроводность воды очень мала, и пришлось бы очень долго ждать, пока вода прогреется. Точно так же можно объяснить, почему не прогревается воздух в пробирке, если его нагревать сверху (рис. 12).

      В твердых веществах, где свобода движения молекул ограничена, конвекция происходить не может. Вспомним, что каждая частица кристаллического твердого вещества лишь колеблется около одной точки, удерживаемая сильным взаимным притяжением с другими частицами, поэтому при нагревании твердого тела в нем не могут образовываться потоки вещества. Повседневный опыт подтверждает это. В твердых телах, как мы теперь знаем, теплота передается теплопроводностью.

      1. Опишите опыт, показывающий, что воздух над нагретой лампой перемещается. 2. Объясните, как и почему происходит перемещение воздуха над нагретой лампой. 3. Опишите, как происходит нагревание воды в колбе, поставленной на огонь.

      4. В чем состоит явление конвекции? 5. Чем отличается естественная конвекция от вынужденной? 6. Почему жидкости и газы обычно нагревают снизу? 7. Почему конвекция невозможна в твердых телах?

      Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба — один этот пример показывает, какое большое значение имеет конвекция для человека.

      Одной из причин образования пассатов — ветров, дующих от субтропических областей к экватору,— является неравномерное нагревание земной поверхности Солнцем. Средняя годовая температура на экваторе Земли на 50° С выше, чем на полюсах ее. В экваториальной зоне Земли нагретый воздух поднимается вверх. На его место с севера и юга притекает холодный воздух. Его движение и есть пассат. Потоки холодного воздуха вследствие вращения Земли движутся не вдоль меридиана, а отклоняются, поэтому в северном полушарии пассаты имеют северо-восточное направление, а в южном — юго-восточное.

      Ветры вызывают также образование океанических течений. Постоянно дующий в одном направлении ветер приводит в движение верхние слон воды, и они перемещаются в сторону ветра. Теплые и холодные океанические течения, вызванные ветрами, могут служить примером вынужденной конвекции. Ветры и океанические течения влияют и на изменение погоды, и на климат, имеющий важное значение в жизни человека.

      Конвекцией объясняются и ветры меньшего масштаба — бризы, возникающие на берегах морей. В летние дни суша, больше нагревается от лучей солнца, чем вода. Воздух над сушей также нагревается и выталкивается вверх. На его место с моря перемещается холодный воздух — дует ветер. Это и есть бриз. Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над. водой. Образуется ночной бриз — движение холодного воздуха от суши к морю.

     

      8. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ КОНВЕКЦИИ В ТЕХНИКЕ

      Тяга. Мы знаем, что без притока свежего дополнительного ВОЗдуХа горение топлива невозможно. Если в топку чтения паровоза, в печь, в трубу самовара не будет поступать воздух, то горение топлива прекратится. Обычно используют естественный приток воздуха — тягу. Для создания тяги над топкой, например, в котельных установках фабрик, заводов, электростанций помещают трубу (рис. 13). При горении топлива воздух над ним нагревается. Как мы уже знаем, от этого его плотность уменьшается. Значит, и вес и весовое давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а теплый воздух поднимается вверх — образуется тяга. На рисунке 14 изображена установка опыта, поясняющего образование тяги.

      Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.

      2. Центральное водяное отопление. Во многих современных больших зданиях устраивают водяное отопление.

      В подвальном этаже здания устанавливают котел 1 (рис. 15), в нем нагревается вода. От верхней части котла главная широкая труба 2 идет на чердак, где она соединяется с расширительным баком 3. Расширительным он называется потому, что в него поступает избыточный объем воды, образующийся при расширении ее от нагревания. От расширительного бака по чердаку проводят систему распределительных труб 4, от которых отходят вниз вертикальные трубы 5, проходящие через комнаты здания. Из этих труб вода поступает в отопительные батареи 6, составленные из чугунных труб и устанавливаемые обычно под окнами.

      Пройдя через батареи, вода затем поступает в нижние отводные трубы 7, расположенные в подвале. Эти трубы соединяются в одну, входящую в котел снизу. Всю систему труб и котел заполняют водой.

      Горячая вода нагревает трубы батарей, отдавая им часть своего тепла. От труб тепло передается воздуху комнаты. Сама вода становится холоднее и по системе нижних отводных труб поступает в котел, 18 где снова нагревается, поднимается на чердак, опять

      попадает в батареи, снова отдает им тепло и т. д. Такое движение воды в системе центрального отопления и, следовательно, перенос тепла от котла к батареям происходит все время, пока нагревается котел.

      В больших зданиях создают искусственную (принудительную) циркуляцию воды при помощи насоса, который непрерывно гонит воду в нужном направлении.

      Из наших жилых помещений даже при хорошей теплоизоляции теплота непрерывно передается наружу. Поэтому зимой приходится непрерывно обогревать помещение, чтобы поддерживать в нем постоянную температуру.

     

      1. Почему подвал — самое холодное место в доме?

      2. Почему форточки для проветривания комнат помещают в верхней части окна?

      3. Для чего делают высокими заводские трубы?

     

      9. ИЗЛУЧЕНИЕ

      Каким образом передается к нам тепло от Солнца? Ведь Земля находится на расстоянии 150 000 000 км от Солнца, и все это пространство за пределами нашей атмосферы не содержит вещества, там почти полный вакуум. В вакууме не может осуществляться передача тепла конвекцией или теплопроводностью. Следовательно, существует еще один вид передачи тепла.

      Познакомиться с этим видом передачи тепла можно на опытах. Берут небольшую, закопченную с одного бока колбу (рис. 16), через пробку в нее вставляют изогнутую под прямым углом стеклянную трубку с узким каналом. Вводят в эту трубку немного подкрашенной жидкости. Укрепив на трубке шкалу, получают прибор термоскоп, который позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.

      Подносят к термоскопу сбоку на расстоянии 1 м нагретый до высокой температуры кусок чугуна или другого металла, замечают, что столбик жидкости в термоскопе переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей значительного количества тепла от нагретого чугуна термоскопу.

      Тепло передалось не конвекцией и не теплопроводностью. Ведь между нагретым чугуном и термоскопом находится воздух — плохой проводник тепла. А о конвекции можно было бы говорить лишь в том случае, если бы термоскоп находился над нагретым телом. Следовательно, тепло передавалось от нагретого тела (чугуна) к термоскопу новым, еще неизвестным нам видом теплопередачи.

      В этом опыте полученное колбой тепло было передано невидимыми лучами, исходящими от нагретого тела. Подтвердить этот вывод можно простым опытом. Помещают между чугуном и термоскопом лист белой бумаги. Нагревание термоскопа прекращается, лучи не проходят сквозь бумагу.

      Все нагретые тела передают тепло другим телам путем излучения — испускания лучей. Передача тепла лучами отличается от других видов теплопередачи тем, что она может осуществляться в полном вакууме, без присутствия молекул какого-нибудь вещества.

      Испускают невидимые лучи все тела, и сильно и слабо нагретые: тело человека, печь, электрическая лампочка.

      Но чем выше температура тела, тем больше энергии теряет оно путем излучения.

      Тела, нагретые до очень высоких температур, например Солнце, нить накала электрической лампы, испускают, кроме невидимых, еще и видимые лучи — свет.

      Невидимые и видимые лучи, падая на тела, частично поглощаются этими телами и нагревают их. При этом тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

      Если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала законченной, а затем незаконченной стороной, то столбик жидкости в трубке будет перемещаться в первом случае на большее расстояние, чем во втором. Это показывает, что тела с темной поверхностью лучше поглощают лучи и больше нагреваются.

      В то же время тела с темной поверхностью больше охлаждаются путем лучеиспускания, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше не остывает, чем в темном.

      Способность тел по-разному поглощать лучи используется человеком. Например, поверхность воздушных шаров, дирижаблей, крылья самолетов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались от солнечных лучей. Если же нужно, наоборот, использовать солнечную энергию, например для нагревания частей некоторых приборов, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части окрашивают в темный цвет.

     

      1. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью?

      2. Как устроен термоскоп?

      3. Как на опыте показать передачу тепла лучами?

      4. Какие тела лучше и какие хуже поглощают лучи?

      5. Как учитывается человеком различная способность тел поглощать лучи?

     

      1. Летом воздух в здании нагревается, получая тепло различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит теплый воздух, через стекло, которое пропускает лучи солнца. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?

      2. Стоя около костра или открытой печи, мы чувствуем, как нагревается наше тело. Каким способом передается к нам теплота от костра? Ответ обоснуйте.

      3. Приведите примеры, показывающие, что тела с темной поверхностью больше нагреваются лучами, чем тела со светлой поверхностью.

      KOHEЦ ФPAГMEHTA УЧЕБНИКА

примеров механической энергии дома и в повседневной жизни

Механическая энергия, также известная как энергия движения, — это то, как объект движется в зависимости от его положения и движения. Это происходит, когда на объект действует сила, и объект использует переданную энергию в качестве движения. Если объект движется, он использует механическую энергию. Просмотрите приведенные ниже примеры механической энергии, чтобы узнать, где вы можете увидеть ее в своей повседневной жизни.

Повседневные примеры механической энергии

Механическая энергия — один из немногих видов энергии, который легко увидеть.Если что-то движется, это использует механическую энергию! Обратите внимание на эти источники механической энергии, которые вы, скорее всего, найдете в доме.

  • Поворот дверной ручки
  • Вдыхание и выдох
  • Забивание гвоздя
  • Езда на велосипеде
  • Заточка карандаша
  • Использование кухонной техники
  • Прослушивание музыки
  • Набор текста на клавиатуре
  • Вождение автомобиля
  • Упражнение

Оглянитесь вокруг.Любой движущийся объект использует кинетическую механическую энергию. Даже неподвижные объекты накапливают потенциальную механическую энергию. Когда вы перемещаете что-то рукой, вы передаете кинетическую механическую энергию от вашего тела к объекту, который вы перемещаете.

Потенциальная и кинетическая механическая энергия

Существует два типа механической энергии: потенциальная энергия (запасенная энергия положения) и кинетическая энергия (энергия движения). Механическая энергия объекта — это сумма его потенциальной энергии и его кинетической энергии.Объекты с большим количеством механической энергии будут двигаться больше, чем объекты с низкой механической энергией.

Потенциальная механическая энергия

Когда объект может двигаться, но на него не действует сила, он накапливает потенциальную механическую энергию. Два основных типа потенциальной энергии:

  • Гравитационная потенциальная энергия: Энергия, которая хранится в зависимости от высоты или положения объекта. Более тяжелые объекты обладают большим количеством гравитационной энергии.
  • Упругая потенциальная энергия: Энергия, которая сохраняется в силу состояния объекта. Это состояние часто зависит от материала объекта (например, резины).

Например, тяжелый шар для боулинга, удерживаемый на высоте четырех футов над землей, обладает большей гравитационной потенциальной энергией, чем более легкий теннисный мяч, который имеет некоторую упругую потенциальную энергию из-за своего резинового материала.

Когда на шары действует сила, чтобы бросить их, гравитационная потенциальная энергия шара для боулинга объединяется с его кинетической энергией движения.Он упадет с большей силой, чем теннисный мяч, который отскочит из-за своей высокой упругой потенциальной энергии.

Кинетическая механическая энергия

Объект использует кинетическую механическую энергию, когда он в данный момент движется. Сила воздействовала на объект, заставляя его выполнять работу. Кинетическая механическая энергия может возникать, когда кинетическая энергия другого объекта передается ему (например, когда питчер бросает мяч) или когда другой тип кинетической энергии преобразуется в механическую энергию.

В дополнение к механической энергии, четыре типа кинетической энергии включают:

Никакая форма энергии не может быть создана или разрушена.Энергию можно только передавать или преобразовывать в разные виды энергии.

Преобразование механической энергии

Любая переданная энергия, которая заставляет объект выполнять работу, является примером преобразования энергии. Преобразование в механическую энергию позволяет объекту двигаться.

Становление механической энергии

Вот несколько примеров того, как различные типы энергии становятся механической энергией.

  • Бензин преобразует химическую энергию в механическую энергию в автомобилях.
  • Паровые двигатели в поезде преобразуют тепловую энергию в механическую.
  • Ваше тело преобразует химическую энергию из питательных веществ в механическую энергию движения.
  • Электродрель преобразует электрическую энергию в механическую при включении и использовании.
  • Музыка преобразует звуковую энергию в механическую энергию барабанной перепонки.

Преобразование механической энергии

И наоборот, механическая энергия может преобразовываться в различные виды энергии. Ознакомьтесь с этими примерами преобразования энергии от движения.

Просмотреть и скачать PDF

Потери механической энергии — тепловая энергия — Nexus Wiki

В предыдущих чтениях мы обсуждали сохранение механической энергии — энергии, которая связана с когерентным движением объекта, — когда все молекулы объекта движутся вместе. В этом случае кинетическая энергия объекта (KE = ½ mv 2 ) и его импульс ( p = mv ) связаны через KE = p 2 /2 m, as you можно увидеть с помощью простой алгебры.В этом случае результат сил, действующих на весь объект — гравитации, электричества и пружин — можно представить как потенциальные энергии и привести к теореме сохранения. Прибыли или убытки КЭ объектов компенсируются потерями или приростами ПЭ взаимодействий объектов. Чтобы это сработало, задействованные силы должны быть консервативными : они должны зависеть только от положения объектов (и должны удовлетворять и другим условиям).

Силы сопротивления, такие как сопротивление или трение, не удовлетворяют этим условиям и неконсервативны .Они могут истощать кинетическую энергию наших когерентно движущихся объектов таким образом, что становится неочевидным, сможем ли мы когда-нибудь ее вернуть. Поскольку мы знаем, что общая энергия сохраняется, куда она девается? Ответ заключается в тепловом движении, в том факте, что все объекты обладают «скрытой» внутренней энергией из-за случайных движений атомов и молекул, из которых они состоят. В разреженном газе эта скрытая внутренняя энергия — это просто кинетическая энергия молекул. В жидкостях и твердых телах он также включает потенциальную энергию от взаимодействий молекул.Поскольку эти внутренние кинетическая и потенциальная энергии некогерентны, — они соответствуют нулевому чистому общему импульсу — в примерах, где мы имеем дело с когерентным движением, полезно идентифицировать эту внутреннюю (скрытую) кинетическую и потенциальную энергию как отдельный тип энергии — тепловая энергия . (В ситуациях, когда мы сосредотачиваемся на движении атомов и молекул вещества, мы можем найти удобным переинтерпретировать тепловую энергию как кинетическую и потенциальную энергии, из которых она состоит.)

Силы сопротивления преобразуют когерентную механическую энергию взаимодействующих объектов в некогерентные случайные движения отдельных молекул внутри объектов. Другими словами, когда KE объекта истощается, некоторые из его молекул на самом деле движутся быстрее, но они перемещаются случайным образом в разные стороны. Нелегко снова сделать эти движения связными. В дальнейшем мы изучим, что происходит с потерянной энергией (она преобразуется в тепловую энергию) и когда ее можно восстановить в виде когерентного макроскопического движения (свободной энергии).

Джо Редиш 27.08.13

Каковы различные примеры механической энергии?

Механическая энергия — это энергия, исходящая от любой механической системы; обычно это связано с физическим движением и работой. Примеры включают падающие грузы, вращение Земли, маятники и текущую воду. Механическая энергия — это сумма двух форм энергии: кинетической энергии и потенциальной энергии. Потенциальная энергия — это энергия, которая исходит от положения объекта или конфигурации частей системы; его еще предстоит преобразовать в какой-либо конкретный вид энергии.Кинетическая энергия — это энергия, которая существует из-за движения объекта или объектов в системе.

Многие ученики проводят эксперименты в средней школе или колледже, чтобы продемонстрировать различные примеры механической энергии.Падающие веса или вращающиеся предметы содержат механическую энергию, как и маятники; они обычно изучаются на вводных курсах физики. Некоторые студенты также узнают о преобразовании типов энергии, что хорошо видно в простом электродвигателе, который преобразует электрическую энергию в механическую.

Существует множество примеров механической энергии, которые существуют в природе и в различных изобретениях человечества.Примеры в природе обычны. В очень большом масштабе движение и вращение Земли и других небесных тел представляет собой механическую энергию. В меньшем масштабе движение воды в реке или ручье также является примером механической энергии. Даже такие простые процессы, как падение камней или движение пыли на ветру, являются разновидностью механической энергии.

Люди изобрели множество способов генерировать и использовать механическую энергию, поэтому машины, созданные людьми, представляют собой множество различных примеров механической энергии.Моторы представляют собой простой пример; они преобразуют одну форму энергии, обычно химическую энергию, которая высвобождается при сгорании, в механическую энергию, допускающую некоторую форму движения. Чаще всего это наблюдается в автомобилях, которые в основном приводятся в движение двигателями внутреннего сгорания.

Механическая энергия также может быть преобразована в различные формы энергии; некоторые средства производства электроэнергии представляют собой хорошие примеры механической энергии.Например, ветряные мельницы преобразуют механическую энергию в электрическую. Механическая энергия работает, когда ветер вращает лопасти ветряной мельницы; эта энергия преобразуется в электрическую.

Даже живые существа полны примеров механической энергии: птицы летают, люди ходят, а рыбы плавают.Человеческое сердце использует механическую энергию для перекачивания крови по всему телу. Такая энергия используется даже в простых действиях, таких как поднятие предметов или моргание.

Физика! Сохранение механической энергии — исследование физического мира: вводная химия и физика

ВЫПОЛНЕНИЕ ПОДКЛЮЧЕНИЙ: ПОЛЕЗНОСТЬ ПРИНЦИПА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Тот факт, что энергия сохраняется и имеет множество форм, делает ее очень важной.Вы обнаружите, что энергия обсуждается во многих контекстах, потому что она участвует во всех процессах. Также станет очевидным, что многие ситуации лучше всего понять с точки зрения энергии, и что проблемы часто легче всего концептуализировать и решать, рассматривая энергию.

Когда OE играет роль? Один пример происходит, когда человек ест. Пища окисляется с выделением углекислого газа, воды и энергии. Часть этой химической энергии преобразуется в кинетическую энергию, когда человек движется, в потенциальную энергию, когда человек меняет высоту, и в тепловую энергию OE.

Некоторые из многих форм энергии

Какие еще формы энергии? Вы, наверное, можете назвать ряд форм энергии, которые еще не обсуждались. Электрическая энергия — это обычная форма, которая преобразуется во многие другие формы и действительно работает в широком диапазоне практических ситуаций. Топливо, такое как бензин и продукты питания, несут химическую энергию, которая может быть передана системе в результате окисления. Химическое топливо также может производить электрическую энергию, например, в батареях. Батареи, в свою очередь, могут производить свет, который является очень чистой формой энергии.Фактически, большинство источников энергии на Земле — это запасенная энергия из энергии, которую мы получаем от Солнца. Мы иногда называем это лучистой энергией или электромагнитным излучением, которое включает в себя видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Ядерная энергия возникает в результате процессов, которые преобразуют измеримые количества массы в энергию. Ядерная энергия преобразуется в энергию солнечного света, в электрическую энергию на электростанциях и в энергию передачи тепла и взрыва в оружии. Атомы и молекулы внутри всех объектов находятся в беспорядочном движении.Эта внутренняя механическая энергия от случайных движений называется тепловой энергией, потому что она связана с температурой объекта. Эти и все другие формы энергии могут быть преобразованы друг в друга и могут работать.

СТРАТЕГИИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Вы найдете следующие стратегии решения проблем полезными всякий раз, когда имеете дело с энергией. Стратегии помогают в организации и укреплении энергетических концепций. Фактически, они используются в примерах, представленных в этой главе.Знакомые общие стратегии решения проблем, представленные ранее, включающие определение физических принципов, известных, неизвестных, проверяющих единиц и т. Д., По-прежнему актуальны.

Шаг 1. Определите интересующую систему, определите, какая информация предоставляется и какое количество должно быть рассчитано. Эскиз поможет.

Шаг 2. Изучите все задействованные силы и определите, знаете ли вы или получаете ли вы потенциальную энергию от работы, выполняемой этими силами.Затем используйте шаг 3 или шаг 4.

Шаг 3. Если вы знаете, что можно применить закон сохранения механической энергии просто в терминах потенциальной и кинетической энергии, уравнение сохранения энергии будет иметь вид KE i + PE i = KE f + PE f .

Шаг 4. Вы уже определили типы задействованной энергии (на шаге 2). Прежде чем решать неизвестное, по возможности исключите члены , чтобы упростить алгебру.Например, выберите h = 0 либо в начальной, либо в конечной точке, чтобы гравитационная потенциальная энергия (PE g ) там была равна нулю. Затем привычным способом решите неизвестное.

Шаг 5. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он. Решив проблему, еще раз проверьте формы работы и энергии, чтобы убедиться, что вы правильно составили уравнение сохранения энергии. Например, работа, выполняемая против трения, должна быть отрицательной, потенциальная энергия внизу холма должна быть меньше, чем наверху, и так далее.Также убедитесь, что полученное числовое значение является разумным. Например, конечная скорость скейтбордиста, спускающегося по наклонной рампе высотой 3 м, разумно может составлять 20 км / ч, но , а не 80 км / ч.

Преобразование энергии

Преобразование энергии из одной формы в другую происходит постоянно. Химическая энергия пищи преобразуется в тепловую в процессе метаболизма; световая энергия преобразуется в химическую энергию посредством фотосинтеза. В более крупном примере химическая энергия, содержащаяся в угле, преобразуется в тепловую энергию, когда он сгорает, превращая воду в пар в бойлере.Эта тепловая энергия пара, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию при вращении турбины, которая соединена с генератором для производства электроэнергии. (Во всех этих примерах не вся начальная энергия преобразуется в указанные формы.)

Другой пример преобразования энергии происходит в солнечном элементе. Солнечный свет, падающий на солнечный элемент (см. Рисунок 6.3), производит электричество, которое, в свою очередь, может использоваться для запуска электродвигателя. Энергия преобразуется из первичного источника солнечной энергии в электрическую, а затем в механическую.

Узнайте о механической энергии | Chegg.com

В изолированной системе энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, но ее можно преобразовать из одной формы в другую. Приведены некоторые примеры, объясняющие сохранение энергии.

Простой маятник

Качающийся маятник — это механическая система, на которую действует сила тяжести без силы трения. Энергия в качающемся маятнике движется между кинетической и потенциальной энергией, и эта энергия никогда не покидает систему или, в данном случае, качающийся маятник.

Маятник получит максимальную кинетическую энергию и минимальную потенциальную энергию в вертикальном положении, потому что в этой ситуации маятник будет иметь максимальную скорость и будет находиться ближе всего к Земле. С другой стороны, маятник получит максимальную потенциальную энергию и минимальную кинетическую энергию в крайних положениях качания, потому что в этой ситуации маятник будет иметь минимальную скорость и будет находиться дальше всего от Земли.

Рис. 3. Качающийся маятник без трения или сопротивления воздуха.

Спутник

Спутник имеет как потенциальную, так и кинетическую энергию. Величина потенциальной энергии в два раза превышает величину кинетической энергии, но знак потенциальной энергии отрицательный, тогда как знак кинетической энергии всегда положительный. Предположим, что 10 Дж — кинетическая энергия спутника, тогда –20 Дж — его потенциальная энергия, а –10 Дж — его полная энергия. Следовательно, полная энергия и кинетическая энергия равны по величине.

Считаем, что масса спутника м , а расстояние от центра Земли r .{2}} Emechanical = −GrMm +21 mv2

Если спутник движется по круговой орбите и внезапно падает обратно на планету, вся его энергия будет преобразована в кинетическую энергию и энергию уравнение сохранения
станет следующим:

Emechanical = −GMmr {{E} _ {Mechanical}} = — G \ frac {Mm} {r} Emechanical = −GrMm

Разница между механической и кинетической энергией

Закон закона сохранения энергии утверждает, что энергия не создается и не уничтожается.Вместо этого он просто передается от одного типа энергии к другому или от одной формы энергии к другой. Разница между механической энергией и кинетической энергией заключается в том, что кинетическая энергия — это вид энергии, а механическая энергия — это форма энергии.

Передача энергии

Работа может быть определена как процесс передачи энергии, при котором на объект действует сила, вызывая смещение. Если объект перемещен, значит работа выполнена. Работа требует трех вещей: силы, перемещения и причины.Например, если вы взяли книгу и поместили ее на верхнюю полку книжной полки, сила будет равна тому, что вы поднимете книгу, смещение будет движением книги, а причиной движения будет сила, которую вы приложили. .

Типы энергии

Есть два типа энергии: потенциальная и кинетическая. Потенциальная энергия — это энергия, которая сохраняется в объекте из-за его положения. Этот тип энергии не используется, но доступен для работы. Например, книга обладает потенциальной энергией, когда она неподвижна на верхней части книжной полки.Кинетическая энергия — это энергия, которой обладает объект из-за своего движения. Например, если книга упадет с полки, при падении она будет обладать кинетической энергией. Вся энергия либо потенциальная, либо кинетическая.

Формы энергии

Механическая энергия — это форма энергии. Он представляет собой энергию, которой обладает механическая система или устройство из-за своего движения или положения. Другими словами, механическая энергия — это способность объекта совершать работу. Механическая энергия может быть кинетической (энергия движения) или потенциальной (запасенная энергия).Сумма кинетической и потенциальной энергии объекта равна общей механической энергии объекта. Другие формы энергии включают химическую, ядерную, электромагнитную, тепловую и звуковую.

Кинетическая и механическая

Разница между кинетической и механической энергией состоит в том, что кинетическая — это тип энергии, а механическая — это форма, которую принимает энергия. Например, натянутый лук и лук, запускающий стрелу, являются примерами механической энергии. Однако у них нет одного и того же типа энергии.Натянутый лук является примером потенциальной энергии, потому что энергия, необходимая для запуска стрелы, сохраняется только в луке; в то время как лук в движении является примером кинетической энергии, потому что он выполняет работу. Если стрела попадает в колокол, часть его энергии преобразуется в энергию звука. Это уже не будет механическая энергия, но все равно будет кинетическая энергия.

8. СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ

8. СОХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ




В этой главе мы обсудим сохранение энергии.Законы сохранения
в физике можно выразить в очень простой форме:

«Рассмотрим систему частиц, полностью изолированную от внешнего воздействия.
Поскольку частицы движутся и взаимодействуют друг с другом, возникают определенные
свойства системы, которые не меняются »

Вкратце мы можем выразить это как

X = константа

в котором X — сохраняющееся свойство.


Масса, свисающая с потолка, будет иметь кинетическую энергию, равную нулю.Если
шнур рвется, масса быстро увеличивает свою кинетическую энергию. Этот
кинетическая энергия каким-то образом накапливалась в массе, когда она висела на
потолок: энергия была скрыта, но может снова появиться в виде кинетической
энергия. Накопленная энергия называется потенциальной энергией . Сохранение
энергия говорит нам, что полная энергия системы сохраняется , а в
в этом случае сумма кинетической и потенциальной энергии должна быть постоянной. Этот
означает, что каждое изменение кинетической энергии системы должно быть
с равным, но противоположным изменением потенциальной энергии
:

[Дельта] U + [Дельта] K = 0

и

E = U + K = постоянная

Теорема работы-энергии, обсуждаемая в главе 7, связывает количество
работа W на изменение кинетической энергии системы

W = [Delta] K

Изменение потенциальной энергии системы теперь можно связать с
объем работы, проделанной в системе

[Delta] U = — [Delta] K = — W

что будет определением потенциальной энергии.Единица
потенциальная энергия — Джоуль (Дж).

Потенциальная энергия U может быть получена из приложенной силы F

и

где U (x 0 ) — потенциальная энергия системы на ее
выбранная эталонная конфигурация. Получается, что меняется только в
потенциальная энергия важна
, и мы можем присвоить произвольную
нулевое значение потенциальной энергии системы, когда она находится в эталонном состоянии.
конфигурация
.

Иногда функция потенциальной энергии U (x) известна. Сила
ответственный за этот потенциал может быть получен

Мы продолжим обсуждение некоторых примеров сохранения
энергия.

8.2.1. Пружина усилие


Сила, прилагаемая пружиной к массе m, может быть рассчитана с помощью
Закон Гука

F (x) = — k x

где k — жесткость пружины, а x — величина, на которую
пружина растягивается (x> 0) или сжимается (x <0).Когда движущийся объект впадает в расслабленную пружину, она замедляется, на мгновение останавливается, прежде чем ускорение в направлении, противоположном его первоначальному направлению (см. рис. 8.1). Пока объект замедляется, он сжимает пружину. Как пружина сжимается, кинетическая энергия блока постепенно передается к источнику, где он хранится как потенциальная энергия. Потенциальная энергия пружина в расслабленном положении считается нулевой. Потенциальная энергия пружины в любом другом состоянии можно получить из закона Гука

Предположим, что полная энергия системы шарик-пружина равна E.Сохранение
энергии говорит нам

Обратите внимание, что объем работы, выполняемой пружиной на блоке после нее
возвращается в исходное положение — ноль.

Рисунок 8.1. Преобразование кинетической энергии в потенциальную и
наоборот.

Пример задачи 8-4

Пружина пружинного пистолета сжимается на расстояние d от своего расслабленного состояния. А
мяч, если в ствол вложена масса m.С какой скоростью мяч покинет
ствол после выстрела?

Предположим, что E i — это механическая энергия системы, когда пружина
сжат. Поскольку система изначально находится в состоянии покоя, полная энергия равна
потенциальная энергия сжатой пружины:

В тот момент, когда шар покидает ствол, пружина находится в своем положении.
расслабленное положение, и его потенциальная энергия равна нулю. Полная энергия при этом
точка — это просто кинетическая энергия движущейся массы:

Для сохранения энергии требуется, чтобы E i = E f .Это означает

Теперь мы можем вычислить скорость мяча

Пример задачи 1

Предположим, что шар на рисунке 8.1 имеет начальную скорость v 0 .
и масса m. Если жесткость пружины равна k, то каково максимальное сжатие
весна ?

В исходной ситуации пружина находится в расслабленном положении (U = 0).В
полная энергия системы шарик-пружина равна

Максимальное сжатие пружины произойдет, когда шар находится в
отдых. В этот момент кинетическая энергия системы равна нулю (K = 0) и
общая энергия системы равна

Сохранение энергии говорит нам, что E i = E f , и
таким образом

и

8.2.2. Гравитационная сила


Шар, движущийся вверх в гравитационном поле Земли
потеряет кинетическую энергию и на мгновение остановится в своей наивысшей точке.
Затем мяч меняет направление, постепенно восстанавливая свою кинетическую энергию.
что было потеряно на пути вверх. Когда мяч достигает начальной точки, он
будет иметь кинетическую энергию, равную его начальной кинетической энергии. Проделанная работа
гравитационная сила на шаре отрицательна при движении вверх
пока он идет вниз.Работа, выполненная, когда мяч возвращается в
его исходное положение равно нулю.

Потенциальная энергия из-за силы тяжести может быть вычислена

где потенциальная энергия при y = 0 определена равной нулю.
Сохранение энергии для системы земля-шар теперь показывает

Это уравнение справедливо также для шара, движущегося в двух или трех измерениях.
Поскольку F g перпендикулярно горизонтальному направлению, работа проделана
эта сила на шаре равна нулю для смещения по оси x и / или
z-направление.При расчете изменения гравитационного потенциала
энергии объекта, нужно только смещение в вертикальном направлении.
быть на рассмотрении.

Пример задачи 8-3

Ребенок с массой m выходит из состояния покоя на вершине изогнутой водной горки,
высота h над уровнем бассейна. Какая скорость у ребенка при
она проецируется в бассейн? Предположим, что ползун не имеет трения.

Начальная энергия состоит только из потенциальной энергии (так как ребенок находится на
в остальном кинетическая энергия равна нулю)

E i = m g h

где мы приняли потенциальную энергию на уровне бассейна равной нулю.В
внизу слайда потенциальная энергия равна нулю, а конечная энергия
состоит только из кинетической энергии

Для сохранения энергии необходимо, чтобы

E i = E f

Таким образом

или

8.2.3. Сила трения


Блок массы m, спроецированный на шероховатую поверхность, будет
остановлено кинетической силой трения.Нет возможности вернуть
первоначальная кинетическая энергия блока после того, как сила трения довела его до
отдых. Направленное крупномасштабное движение блока преобразовано в
кинетическая энергия беспорядочно направленных движущихся атомов, составляющих блок, и
самолет. Мы не можем связать потенциальную энергию с силой трения.


Если потенциальная энергия может быть связана с силой, мы называем силу
консервативный .Примерами консервативных сил являются сила пружины и
гравитационная сила. Если потенциальная энергия не может быть связана с
силу, мы называем эту силу неконсервативной . Пример — трение
сила. Альтернативные тесты консервативного характера силы:

1. Сила консервативна, если работа, которую она совершает с частицей, которая движется через
поездка туда и обратно равна нулю; в противном случае сила неконсервативна. В
Требование нулевой работы для поездки туда и обратно не выполняется за счет силы трения.

2. Сила консервативна, если работа, совершаемая ею над движущейся частицей
между двумя точками одинаков для всех путей, соединяющих эти точки;
в противном случае это неконсервативно.

Тест 1 и тест 2 эквивалентны. Например, предположим, что работа, проделанная для
путь туда и обратно от A до B и обратно до A (см. рисунок 8.2) равен нулю. Это означает
тот

Рисунок 8.2. Частица в пути туда и обратно из А в Б обратно в А и из А
в пункт B двумя разными маршрутами.

W AB, 1 + W BA, 2 = 0

или

W AB, 1 = — W BA, 2

Работа, выполняемая силой на каждом сегменте, меняет знак, если мы вернемся
направление

W AB, 2 = — W BA, 2

Это соотношение можно использовать, чтобы показать, что

W AB, 1 = W AB, 2

это именно то, что утверждает тест 2 (работа, выполняемая силой на
объект зависит только от начальной и конечной позиции объекта, а не от
выбранный путь).

На рис. 8.3 показаны две возможные траектории перехода от пункта А до пункта Б.
работа, совершаемая на объекте силой тяжести для траектории 1 и для
траектория 2? Произведенная работа при перемещении массы по маршруту 1 равна

.

Альтернативный маршрут (маршрут 2) состоит из движения по горизонтали.
направление, за которым следует один в вертикальном направлении. Для любого движения в
В горизонтальной плоскости сила тяжести перпендикулярна смещению.Таким образом, работа, совершаемая гравитационной силой, равна нулю. Для движения
по вертикали движению противодействует сила тяжести. Работа
за счет силы тяжести

Рис. 8.3. Две возможные траектории из пункта А в пункт Б.

Суммарная работа, совершаемая гравитационной силой над объектом, когда он
перемещен из A в B по маршруту 2, поэтому

что равно W 1 .


График потенциальной энергии как функции координаты x говорит нам о многом.
о движении объекта (см., например, рис. 8.12 в книге Халлидея,
Резник и Уокер). Дифференцируя U (x), можно получить силу, действующую на
объект

В отсутствие трения сохраняется сохранение механической энергии.
и

U (x) + K = E

Поскольку кинетическая энергия не может быть отрицательной, частица может быть только
в тех регионах, для которых E — U равно нулю или положительно.Точки, в которых E —
U = K = 0 называются точками поворота. Кривая потенциальной энергии
(Рисунок 8.12 у Холлидея, Резника и Уокера) показывает несколько локальных максимумов и
минимумы. Сила в каждом из этих максимумов и минимумов равна нулю. Точка — это
положение устойчивого равновесия, если потенциальная энергия при этом имеет минимум
точки (в этом случае небольшие смещения в любом направлении приведут к
сила, которая толкает частицу обратно в положение стабильной
равновесие).Точки неустойчивого равновесия проявляются как максимумы в потенциале
кривая энергии (если частица немного смещена от положения
неустойчивое равновесие, силы, действующие на него, будут стремиться толкать частицу
еще дальше).


Если мы посмотрим на систему блок-пружина, колеблющуюся на шероховатой поверхности, мы
видим, что амплитуда движения непрерывно уменьшается. Из-за
сила трения, механическая энергия больше не сохраняется.Если мы посмотрим на
система, на которую действуют несколько консервативных сил, помимо трения
сила. Всего в системе проделано

работ.

что равно изменению кинетической энергии системы
(теорема работы-энергии). Каждую консервативную силу можно отождествить с
потенциальная энергия и

Теперь мы можем переписать выражение для изменения кинетической энергии
системы

Работа, совершаемая силой трения, равна изменению
механическая энергия системы.


При наличии неконсервативных сил механическая энергия преобразуется
во внутреннюю энергию U int (или тепловую энергию):

[Delta] U int = — W f

При таком определении внутренней энергии работа-энергия
теорему можно переписать как

что является законом сохранения энергии. Прописью

«Энергия может быть преобразована из одного вида в другой в изолированной системе.
но его нельзя создать или уничтожить; полная энергия системы всегда
остается постоянным.»

Пример задачи 8-8

Шарикоподшипник массой m запускается вертикально вниз с высоты h.
с начальной скоростью v 0 (см. рисунок 8.4). Он зарывается в
песок на глубине d. Какая средняя восходящая сила сопротивления f действует на песок?
воздействовать на мяч, когда дело касается отдыха?

Рисунок 8.4. Пример задачи 5.

Работа, совершаемая силой трения f, определяется по формуле

.

Начальная механическая энергия системы равна

.

Конечная механическая энергия системы состоит только из
потенциальная энергия (K f = 0)

E f = U f = m g (- d) = — m g d

Изменение механической энергии

которая должна быть равна работе, совершаемой на подшипнике фрикционным
сила

Теперь можно рассчитать силу трения f

Пример задачи 2

Блок массой m запускается по наклонной плоскости (см. Рис.
8.5) с начальной скоростью v 0 . Он проходит расстояние d вверх по
плоскости, на мгновение останавливается, а затем скользит обратно в нижнюю часть
самолет. Какова величина кинетической силы трения, действующей на
блок, пока он движется? Какая будет скорость, когда блок
возвращается в исходное положение.

Работа, совершаемая силой трения, равна изменению механической
энергия системы. Потенциальная энергия в начале координат принимается равной нулю.Следовательно, начальная механическая энергия системы — это просто кинетическая энергия.
энергия блока

Рисунок 8.5. Пример задачи 2.

Конечная механическая энергия (на максимальной высоте) — это всего лишь потенциальная
энергия блока на высоте h:

E f = m g h = m g d sin ([theta])

Изменение механической энергии

Работа, совершаемая на блоке силой трения, составляет

W f = — f d

и должен быть равен [Delta] E.Таким образом

Теперь можно получить силу трения f

Когда блок возвращается в исходное положение, сила трения снова действует.
работа на блоке. Суммарная работа силы трения на блоке равна
сейчас

W f = — 2 f d

Это должно быть равно изменению механической энергии системы.
Когда блок возвращается в начало координат, его потенциал не меняется.
энергия.Изменение механической энергии системы происходит из-за изменения
в скорости блока:

Теперь можно рассчитать конечную скорость блока


Отправляйте комментарии, вопросы и / или предложения по электронной почте на адрес [email protected] и / или посетите домашнюю страницу Фрэнка Вольфса.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.