Какое количество механической энергии превратилось в тепловую

8 класс

§ 11. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах
Использование энергии Солнца на Земле

Явления превращения энергии в механических процессах были рассмотрены в § 2 «Внутренняя энергия». Напомним некоторые из них.

Подбрасывая вверх камень или мяч, мы сообщаем им энергию движения — кинетическую энергию.

Поднявшись до некоторой высоты, предмет останавливается, а затем начинает падать. В момент остановки (в верхней точке) вся кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную. При движении тела вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия превращается в кинетическую.

При этих превращениях полная механическая энергия, т. е. сумма потенциальной и кинетической энергии, остаётся неизменной. Если принять, что потенциальная энергия у поверхности Земли равна нулю, то сумма кинетической и потенциальной энергии тела на любой высоте во время подъёма или падения будет равна

Полная механическая энергия, т. е. сумма потенциальной и кинетической энергии тела, остаётся постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения.

В этом и заключается закон сохранения механической энергии.

Когда мы изучали падение свинцового шара на свинцовую доску, то наблюдали превращение механической энергии во внутреннюю.

Следовательно, механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.

Этот вывод справедлив для всех тепловых процессов. При теплопередаче, например, тело более нагретое отдает энергию, а тело менее нагретое получает энергию.

При сгорании топлива в двигателе машины внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движения.

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется.

Примером, подтверждающим сделанный вывод, служит опыт по смешиванию холодной и горячей воды (см. лаб. работу № 1) при условии, что мы не допустим перехода теплоты к другим телам. В опыте количество теплоты, отданное горячей водой, равнялось количеству теплоты, полученному холодной водой.

Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой привело к открытию одного из основных законов природы — закона сохранения и превращения энергии.

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.

Исследуя явления природы, учёные всегда руководствуются этим законом.

Теперь мы можем сказать, что энергия не может появиться у тела, если оно не получило её от другого тела. Для иллюстрации этого закона природы рассмотрим несколько примеров.

Солнечные лучи несут определённый запас энергии. Падая на поверхность Земли, лучи нагревают её. Энергия солнечных лучей при этом превращается во внутреннюю энергию почвы и тел, находящихся на поверхности Земли. Воздушные массы, нагревшись от поверхности Земли, приходят в движение — появляется ветер. Происходит превращение внутренней энергии, которой обладают воздушные массы, в механическую энергию.

Превращение внутриатомной энергии в другие виды энергии находит применение на практике. Атомную энергию, например, преобразуют в электрическую на атомных электростанциях (АЭС).

Закон сохранения энергии представляет научную основу для разнообразных расчётов во всех областях науки и техники. Следует учитывать, что полностью внутреннюю энергию нельзя превратить в механическую.

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?

Упражнения:

Упражнение № 10

1. Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает её в землю. Какие превращения и переходы энергии при этом происходят? (Следует учесть, что свая и почва нагреваются при ударе.)

2. Какие превращения кинетической энергии автомобиля происходят при торможении?

3. Два одинаковых стальных шарика падают с одинаковой высоты. Один падает на стальную плиту и отскакивает вверх, другой попадает в песок и застревает в нём. Какие переходы энергии происходят в каждом случае?

4. Опишите все превращения и переходы энергии, которые происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой пробкой (см. рис. 3).

Это любопытно.

Использование энергии Солнца на Земле

Источником большей части энергии, которой пользуется человек, является Солнце. За счёт солнечной энергии поддерживается средняя годовая температура на Земле около 15 °C. Поток тепла и света, идущий от Солнца, обусловливает саму возможность жизни на нашей планете. Мощность солнечного излучения, падающего на всю земную поверхность, так велика, что для её замены понадобилось бы около 30 миллионов мощных электростанций.

Стоит только представить себе, что произошло бы на Земле, если бы солнце каждый день не освещало Землю! Мы знаем такие места на Земле, которые слабо нагреваются солнцем. Это Арктика и Антарктика. Там лютый холод, вечный лёд и снег.

Великий непрерывный круговорот воды на Земле совершается за счёт энергии Солнца: вода морей, озёр и рек испаряется, пар, поднявшись вверх, сгущается в облака, переносится ветром в разные места Земли и выпадает в виде осадков. Эти осадки питают реки, которые снова несут свои воды в моря и океаны.

Вследствие неравномерного нагрева поверхности Земли Солнцем возникают ветры. Под действием ветров и приносимой ими влаги постепенно разрушаются огромные горные массивы. Энергия рек используется человеком для получения электроэнергии, передвижения судов, энергия ветра — в ветряных двигателях.

Всё, что происходит на Солнце, самым непосредственным образом сказывается на Земле. Вся жизнь на Земле — жизнь растений и животных — зависит от Солнца. В растениях происходит превращение солнечной энергии в химическую энергию. Чтобы понять это, обратимся к опыту.

Перевёрнутая воронка помещена в стакан с водой. В воронке находится лист растения, окружённый воздухом. Если растение освещать солнцем, то можно обнаружить, что из воронки будет выходить кислород (рис. 17). Как объяснить наблюдаемое явление?

В зелёный лист растения проникают молекулы оксида углерода (IV), которые всегда находятся в воздухе. В результате химической реакции, в которой участвуют оксид углерода (IV) и вода, содержащаяся в листе, образуются молекулы кислорода и органическое вещество. Кислород выделяется в окружающий воздух, а органическое вещество, содержащее углерод, остаётся в листе растения.

Ho мы знаем, что для разложения молекулы на атомы нужно затратить энергию (§ 10) «Энергия топлива. Удельная теплота сгорания». Откуда берётся эта энергия? Если описанный выше опыт производить, не освещая лист растения солнцем, то химической реакции не произойдёт. Значит, разложение оксида углерода (IV) в зелёном листе растения происходит благодаря солнечной энергии.

Каменный уголь представляет собой окаменевшие в земле остатки лесов, когда-то буйно росших на больших пространствах Земли. Значит, и в нём запасена энергия Солнца. В болотах из отмирающих растений образуются пласты торфа, используемого как топливо.

Энергия животных, питающихся растениями, и энергия человека — всё это преобразованная солнечная энергия.

Всё шире используется преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию. На поверхности космических кораблей устанавливают солнечные батареи, которые улавливают солнечную энергию и при помощи фотоэлектрических преобразователей превращают её в электроэнергию, которая поступает в единую систему электропитания корабля. Общая полезная площадь солнечной батареи достигает нескольких десятков квадратных метров.

В областях нашей страны, где велико число ясных солнечных дней в году, солнечное излучение используют для нагревания воды, получения водяного пара.

Человечество научилось использовать дополнительный источник энергии на Земле — атомную энергию, непосредственно не связанную с Солнцем.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Преобразование энергии в тепловых машинах

1. Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения).

2. При решении задачи в предыдущем параграфе получено, что количество теплоты ​ \( Q_1 \) ​, отданное горячей водой, равно количеству теплоты \( Q_2 \) , полученному холодной водой, т.е.: ​ \( Q_1=Q_2 \) ​.

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса. Оно связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более. Например, если в стакан с горячим чаем опустить ложку, то в теплообмене будут участвовать стакан и чай (отдают энергию), и ложка и окружающий воздух (получают энергию). Как уже указывалось, в конкретных задачах мы можем пренебречь количеством теплоты, получаемым или отдаваемым некоторыми телами при теплообмене.

3. Уравнение теплового баланса даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

Задача. Определите удельную теплоёмкость алюминия, если при опускании в стакан, содержащий 92 г воды при 75 °С, алюминиевой ложки массой 42 г при температуре 20 °С в стакане установилась температура 70 °С. Потерями энергии на нагревание воздуха, а также энергией, отдаваемой стаканом, пренебречь.

Анализ задачи. В теплообмене участвуют два тела: горячая вода и алюминиевая ложка. Вода отдаёт количество теплоты ​ \( Q_1 \) ​ и остывает от 75 до 70 °С. Алюминиевая ложка получает количество теплоты ​ \( Q_2 \) ​ и нагревается от 20 до 70 °С. Количество теплоты ​ \( Q_1 \) ​, отданное горячей водой, равно количеству теплоты ​ \( Q_2 \) ​, полученному ложкой.

Решение задачи в общем виде: уравнение теплового баланса: ​ \( Q_1=Q_2 \) ​; количество теплоты, отданное горячей водой: ​ \( Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ​; количество теплоты, полученное алюминиевой ложкой: \( Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) . С учётом этого уравнение теплового баланса:​ \( c_1m_1(t_1-t)=c_2m_2(t-t_2) \) ​. Откуда: ​ \( c_2=c_1m_1(t_1-t)/m_2(t-t_2) \) ​.

4. Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) СO₂. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания топлива обозначается буквой ​ \( q \) ​, её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Удельная теплота сгорания, например, нефти — 4,4·10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4·10 7 Дж.

В общем случае, если масса топлива равна ​ \( m \) ​, то количество теплоты ​ \( Q \) ​, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива ​ \( q \) ​ на его массу ​ \( m \) ​:

5. Предположим, что внутреннюю энергию тела ​ \( U \) ​ изменили, совершив над ним работу ​ \( A \) ​ и сообщив ему некоторое количество теплоты ​ \( Q \) ​. В этом случае изменение внутренней энергии ​ \( U \) ​ равно сумме работы ​ \( A \) ​, совершённой над телом, и переданного ему количества теплоты ​ \( Q \) ​:

​Записанное выражение представляет собой первый закон термодинамики 1 , который является обобщением закона сохранения энергии. Он формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы, совершённой над системой внешними силами, и количества теплоты, переданного системе.

1 Термодинамика — учение о тепловых процессах.

Предположим, что работу совершают не внешние силы, а само тело. Его работа в этом случае ​ \( A^<‘>=-A \) ​ и ​ \( Q=U+A^ <‘>\) ​. Количество теплоты, переданное телу, идет на изменение его внутренней энергии и на работу тела против внешних сил.

6. Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис. 72). В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты ​ \( (Q_1) \) ​, и его внутренняя энергия увеличивается, за счет этой внутренней энергии совершается механическая работа \( (A) \) , затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику \( (Q_2) \) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы ​ \( (A) \) ​ к количеству теплоты, полученному им от нагревателя ​ \( (Q_1) \) ​:

Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах.

7. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая
смесь готовится в самом двигателе.

ДВС (рис. 73) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (5); в цилиндре имеются два клапана (2, 3), через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма (6, 7) соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой (4).

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт (рис. 73 а). В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются (рис. 73 б). При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300—350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу (рис. 73 в). Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа (рис. 73 г). В конце этого такта клапан закрывается.

8. Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется, При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИИ

Часть 1

Для определения удельной теплоты сгорания топлива необходимо знать

1) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, его объём и начальную температуру
2) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его массу
3) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его плотность
4) удельную теплоёмкость вещества, его массу, начальную и конечную температуры

2. В сосуд налили 1 кг воды при температуре 90 °С. Чему равна масса воды, взятой при 30 °С, которую нужно налить в сосуд, чтобы в нём установилась температура воды, равная 50 °С? Потерями энергии на нагревание сосуда и окружающего воздуха пренебречь.

1) 1 кг
2) 1,8 кг
3) 2 кг
4) 3 кг

3. В воду, взятую при температуре 20 °С, добавили 1 л воды при температуре 100 °С. Температура смеси оказалась равной 40 °С. Чему равна масса холодной воды? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.

1) 1 кг
2) 2 кг
3) 3 кг
4) 4 кг

4. В толстостенной трубке быстро сжимают воздух. При этом внутренняя энергия воздуха

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается
4) сначала увеличивается, потом не изменяется

5. Газ получил количество теплоты 300 Дж и совершил работу 100 Дж. Внутренняя энергия газа при этом

1) увеличилась на 400 Дж
2) увеличилась на 200 Дж
3) уменьшилась на 400 Дж
4) уменьшилась на 200 Дж

6. В двигателе внутреннего сгорания

1) внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию
2) поршень перемещается за счёт переданного ему количества теплоты
3) механическая энергия поршня превращается во внутреннюю энергию рабочего тела
4) механическая работа совершается за счёт энергии рабочего тела и переданного поршню количества теплоты

7. Двигатель внутреннего сгорания совершает полезную работу при

1) сжатии рабочего тела
2) выпуске отработанного газа из цилиндра
3) впуске рабочего тела в цилиндр
4) расширении рабочего тела в цилиндре

8. Рабочим телом в автомобильном двигателя внутреннего сгорания является

1) воздух
2) бензин
3) горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина
4) керосин

9. Тепловой двигатель получает за цикл работы от нагревателя количество теплоты 200 Дж и передаёт холодильнику количество теплоты 80 Дж. Чему равен КПД двигателя?

10. Двигатель получает от нагревателя количество теплоты 100 Дж и совершает полезную работу 200 Дж. Чему равен КПД такого двигателя?

1) 200%
2) 50%
3) 20%
4) такой двигатель невозможен

11. Установите соответствие между физическими величинами и их единицами в СИ. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) количество теплоты
Б) удельная теплоёмкость
B) удельная теплота сгорания

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ
1) Дж/кг
2) Дж
3) Дж/кг °С

12. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями, анализируя следующую ситуацию: «При постоянном давлении газ некоторой массы быстро расширяется. Как при этом изменяются температура газа, его концентрация и внутренняя энергия?» Цифры в ответе могу повторяться. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) температура газа
Б) концентрация
B) внутренняя энергия

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ
1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

13. Ударная часть молота массой 10 т свободно падает на стальную деталь массой 200 кг. С какой высоты падает ударная часть молота, если после 32 ударов деталь нагрелась на 20 °С? На нагревание расходуется 25% энергии молота.

Превращение механической энергии в тепловую

Елена Голец 11 Ноябрь 2015 6406

На каких примерах можно наблюдать превращение механической энергии в тепловую? Известно, что при самой лучшей смазке и при самой тщательной шлифовке, (подробнее: Уменьшение силы трения), трущиеся поверхности заметно разогреваются.

Всякое трение сопровождается выделением теплоты. Превращение механической энергии в тепловую

Примеры

• Первобытные люди с помощью трения добывали огонь.
• Трением пользуемся и мы, когда зажигаем спички.
• Во время работы токарных и других станков резцы, сверла и фрезы нагреваются так, что их приходится охлаждать струей жидкости.
• Вился дымок под салазками, на которых спускали на воду корабли.
• При работе точильного камня.
• Из-под тормозных колодок, когда они охватывают вращающиеся колеса, вылетают потоки горящих искр.
• От быстрой езды резиновые шины автомобилей разогреваются иногда настолько, что до них нельзя дотронуться рукой.
• Еще сильнее нагревается летящая в воздухе пуля, (подробнее: Равнодействующая двух сил).
• В темном небе вспыхивают светлые звездочки метеоров, сгорающих при попадании в атмосферу; поверхность метеоритов, достигающих поверхности земли, всегда бывает оплавлена, (подробнее: Атмосфера защищает Землю).

Выделение теплоты при движении тел является самым существенным признаком наличия сильного трения. Энергия механического движения преобразуется при этом в тепловую энергию.