Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

1. Примеры на взаимное превращение одних видов механической энергии в другую (падение тела, маятники)

Ранее мы уже рас­смат­ри­ва­ли воз­мож­ность пре­вра­ще­ния од­но­го вида ме­ха­ни­че­ской энер­гии в дру­гой, на­при­мер, по­тен­ци­аль­ной в ки­не­ти­че­скую или, на­о­бо­рот, ки­не­ти­че­ской в по­тен­ци­аль­ную. Также мы при­во­ди­ли при­мер пе­ри­о­ди­че­ско­го пре­вра­ще­ния по­тен­ци­аль­ной и ки­не­ти­че­ской энер­гии друг в друга.

При­мер 1.Пе­ре­ход по­тен­ци­аль­ной энер­гии в ки­не­ти­че­скую.

Этот при­мер мы уже рас­смат­ри­ва­ли в курсе 7 клас­са и в на­ча­ле изу­че­ния этого раз­де­ла тоже. Если пред­ста­вить себе тело, за­креп­лен­ное на неко­то­рой вы­со­те, то оно имеет некую по­тен­ци­аль­ную энер­гию от­но­си­тель­но уров­ня по­верх­но­сти. Потом, если это тело от­пу­стить, то оно нач­нет па­дать, т. е. его вы­со­та будет умень­шать­ся, и уско­рять­ся, т. е. уве­ли­чи­вать свою ско­рость. Сле­до­ва­тель­но, его по­тен­ци­аль­ная энер­гия будет умень­шать­ся, а ки­не­ти­че­ская уве­ли­чи­вать­ся (рис. 1), энер­гии будут пре­вра­щать­ся друг в друга. В мо­мент перед самым при­кос­но­ве­ни­ем с зем­лей вся по­тен­ци­аль­ная энер­гия тела пе­ре­хо­дит в ки­не­ти­че­скую.

Пре­вра­ще­ние по­тен­ци­аль­ной энер­гии в ки­не­ти­че­скую

Рис. 1. Пре­вра­ще­ние по­тен­ци­аль­ной энер­гии в ки­не­ти­че­скую.

При­мер 2.Пе­ри­о­ди­че­ские пре­вра­ще­ния типов ме­ха­ни­че­ской энер­гии (ма­ят­ни­ки). Рас­смот­рим по оче­ре­ди три вида ма­ят­ни­ков: ма­те­ма­ти­че­ский, пру­жин­ный, ма­ят­ник Макс­ве­ла.

1. Ма­ят­ник Макс­ве­ла пред­став­ля­ет собой диск, за­креп­лен­ный на оси, на ко­то­рую на­ма­ты­ва­ют­ся две нити (рис. 2).

Ма­ят­ник Макс­ве­ла

Рис. 2. Ма­ят­ник Макс­ве­ла.

Прин­цип ра­бо­ты этого ма­ят­ни­ка сле­ду­ю­щий: сна­ча­ла нити на­ма­ты­ва­ют­ся на ось, тем самым под­ни­мая ма­ят­ник вверх и со­об­щая ему до­пол­ни­тель­ную по­тен­ци­аль­ную энер­гию, затем диск ма­ят­ни­ка от­пус­ка­ют, и он на­чи­на­ет, рас­кру­чи­ва­ясь, дви­гать­ся вниз, нить раз­ма­ты­ва­ет­ся до конца, затем на­ма­ты­ва­ет­ся снова по инер­ции и т. д.

Таким об­ра­зом, можно на­блю­дать сле­ду­ю­щие пре­об­ра­зо­ва­ния ме­ха­ни­че­ской энер­гии: на­чаль­ное на­коп­ле­ние по­тен­ци­аль­ной энер­гии – пре­вра­ще­ние ее в ки­не­ти­че­скую энер­гию – пре­вра­ще­ние в по­тен­ци­аль­ную…

2. Ма­те­ма­ти­че­ский ма­ят­ник (груз на нити) – ма­те­ри­аль­ная точка, со­вер­ша­ю­щая ко­ле­ба­ния под дей­стви­ем силы тя­же­сти на длин­ной нерас­тя­жи­мой нити (рис. 3).

Ма­те­ма­ти­че­ский ма­ят­ник

Рис. 3. Ма­те­ма­ти­че­ский ма­ят­ник.

Для на­ча­ла ко­ле­ба­тель­но­го про­цес­са в этом ма­ят­ни­ке от­во­дим тело, под­ве­шен­ное на нити, от по­ло­же­ния рав­но­ве­сия (при­да­ем ему по­тен­ци­аль­ную энер­гию) и от­пус­ка­ем, после этого на­блю­да­ют­ся го­ри­зон­таль­ные ко­ле­ба­ния в вер­ти­каль­ной плос­ко­сти, и мы можем ви­деть по­хо­жие на преды­ду­щий при­мер пре­вра­ще­ния энер­гии: подъ­ем – пе­ре­ход ки­не­ти­че­ской энер­гии в по­тен­ци­аль­ную, опус­ка­ние – пе­ре­ход по­тен­ци­аль­ной в ки­не­ти­че­скую и т. д.

3. Пру­жин­ный ма­ят­ник – груз, со­вер­ша­ю­щий ко­ле­ба­ния на пру­жине под дей­стви­ем силы упру­го­сти (рис. 4).

Пру­жин­ный ма­ят­ник

Рис. 4. Пру­жин­ный ма­ят­ник.

Если под­ве­сить груз к пру­жине и от­тя­нуть ее вниз (при­дать пру­жине по­тен­ци­аль­ную энер­гию), а затем от­пу­стить, то будут на­блю­дать­ся более слож­ные пре­вра­ще­ния энер­гии: по­тен­ци­аль­ная энер­гия пру­жи­ны в ки­не­ти­че­скую и по­тен­ци­аль­ную энер­гию груза и на­о­бо­рот.

2. Закон сохранения механической энергии

Все при­ве­ден­ные при­ме­ры экс­пе­ри­мен­тов го­во­рят о том, что мы уже знаем, что пол­ная ме­ха­ни­че­ская энер­гия тела (сумма ки­не­ти­че­ской и по­тен­ци­аль­ной) не ме­ня­ет­ся или, как го­во­рят по-дру­го­му, со­хра­ня­ет­ся. Это мы на­зы­ва­ем за­ко­ном со­хра­не­ния ме­ха­ни­че­ской энер­гии:

За­ме­ча­ние. Важно пом­нить, что этот закон вы­пол­нен толь­ко для за­мкну­той си­сте­мы тел.

Опре­де­ле­ние. За­мкну­тая си­сте­ма тел – это та си­сте­ма, в ко­то­рой не дей­ству­ют внеш­ние силы.

3. Примеры на переход механической энергии во внутреннюю и наоборот (деформация, удар, двигатели)

При­мер 3. Те­перь необ­хо­ди­мо пе­рей­ти к ос­нов­ной части нашей се­го­дняш­ней темы и вспом­нить каким об­ра­зом ме­ха­ни­че­ская энер­гия может пе­ре­хо­дить во внут­рен­нюю. Про­ис­хо­дит этот про­цесс путем со­вер­ше­ния ме­ха­ни­че­ской ра­бо­ты над телом, на­при­мер, при сги­ба­нии и раз­ги­ба­нии про­во­ло­ки она будет на­гре­вать­ся, при несколь­ких уда­рах мо­лот­ка о на­ко­валь­ню на­гре­ет­ся и мо­ло­ток и на­ко­валь­ня.

При­мер 4. Воз­мо­жен и об­рат­ный про­цесс, когда внут­рен­няя энер­гия будет пе­ре­хо­дить в ме­ха­ни­че­скую. На­при­мер, по­доб­ные про­цес­сы про­ис­хо­дят в дви­га­те­ле внут­рен­не­го сго­ра­ния (рис. 5).

Дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния

Рис. 5. Дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния

Прин­цип ра­бо­ты дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния ос­но­ван на пре­об­ра­зо­ва­нии энер­гии сго­ра­ния топ­ли­ва в ме­ха­ни­че­скую энер­гию дви­же­ния порш­ней, ко­то­рая затем через пе­ре­да­точ­ные ме­ха­низ­мы пре­об­ра­зу­ет­ся в энер­гию вра­ще­ния колес ав­то­мо­би­ля.

Ана­ло­гич­ный прин­цип пре­вра­ще­ния внут­рен­ней энер­гии в ме­ха­ни­че­скую про­ис­хо­дит и в па­ро­вых дви­га­те­лях (рис. 6).

Па­ро­вой дви­га­тель на па­ро­вой ма­шине

Рис. 6. Па­ро­вой дви­га­тель на па­ро­вой ма­шине

4. История изучения преобразования механической и тепловой энергии

Во­про­са­ми пре­об­ра­зо­ва­ний ме­ха­ни­че­ской и внут­рен­ней энер­гий очень ак­тив­но за­ни­ма­лись в XIX веке. Ос­нов­ные ис­сле­до­ва­ния были про­ве­де­ны сле­ду­ю­щи­ми уче­ны­ми.

Немец­кий уче­ный Юлиус Майер (рис. 7) по­ка­зал в своих экс­пе­ри­мен­тах, что воз­мож­ны вза­им­ные пре­вра­ще­ния внут­рен­ней и ме­ха­ни­че­ской энер­гий и что из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии в таких про­цес­сах эк­ви­ва­лент­но со­вер­шен­ной ра­бо­те.

Юлиус Майер (1814–1878)

Рис. 7. Юлиус Майер (1814–1878)

От­дель­ный ин­те­рес со­став­ля­ет ра­бо­та ан­глий­ско­го уче­но­го Джейм­са Джо­у­ля (рис. 8), ко­то­рый с по­мо­щью ряда экс­пе­ри­мен­тов по­лу­чил до­ка­за­тель­ство того, что между со­вер­шен­ной над телом ра­бо­той и его из­ме­не­ни­ем внут­рен­ней энер­гии су­ще­ству­ет точ­ное ра­вен­ство.

Джеймс Джо­уль (1819–1889)

Рис. 8. Джеймс Джо­уль (1819–1889)

Осо­бый ин­те­рес со­став­ля­ет тот факт, что в 1843 году фран­цуз­ский ин­же­нер Гу­став Гирн (рис. 9) с по­мо­щью серии своих экс­пе­ри­мен­тов по­пы­тал­ся раз­вен­чать то, что до­ка­зы­ва­ли Майер и Джо­уль, но ре­зуль­та­ты его экс­пе­ри­мен­тов, на­о­бо­рот, толь­ко еще раз до­ка­за­ли со­от­вет­ствие в пре­вра­ще­ни­ях ме­ха­ни­че­ской энер­гии во внут­рен­нюю.

Гу­став Гирн

Рис. 9. Гу­став Гирн

5. Закон сохранения энергии

Для воз­мож­но­сти кор­рект­но­го опи­са­ния про­цес­сов теп­ло­об­ме­на важно, чтобы си­сте­ма, в ко­то­рой они про­ис­хо­дят, была теп­ло­изо­ли­ро­ван­ной и внеш­ние теп­ло­об­мен­ные про­цес­сы не вли­я­ли на тела, на­хо­дя­щи­е­ся в рас­смат­ри­ва­е­мой си­сте­ме.

В таком слу­чае вы­пол­нен закон со­хра­не­ния энер­гии – если си­сте­ма яв­ля­ет­ся за­мкну­той и теп­ло­изо­ли­ро­ван­ной, то энер­гия в этой си­сте­ме оста­ет­ся неиз­мен­ной.

За­ме­ча­ние. Дан­ный закон еще очень часто име­ну­ют ос­нов­ным за­ко­ном при­ро­ды.

Се­год­ня мы по­го­во­ри­ли о вза­им­ных пре­вра­ще­ни­ях раз­лич­ных типов ме­ха­ни­че­ской энер­гии друг в друга: ме­ха­ни­че­ской в теп­ло­вую, теп­ло­вой в ме­ха­ни­че­скую. Кроме того, мы рас­смот­ре­ли важ­ней­ший закон фи­зи­ки – закон со­хра­не­ния энер­гии.

На сле­ду­ю­щем уроке мы изу­чим урав­не­ние теп­ло­во­го ба­лан­са.

Последнее изменение: Вторник, 22 Май 2018, 17:10