Переход механической энергии во внутреннюю: Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

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.

Внутренняя энергия | Физика

Мы знаем, что существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, потенциальной — вследствие своего взаимодействия с другими телами.

Изучая механические явления, мы узнали, что кинетическая и потенциальная энергии могут превращаться друг в друга. Примеры такого превращения можно найти в § 15 и 18.
Рассмотрим еще один пример. Предположим, что на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим (рис. 59, а). Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, так как шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился (рис. 59, б). И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты в этот момент стали равными нулю.

Означает ли это, что энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температуру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Но мы уже знаем, что при нагревании происходит увеличение средней кинетической энергии молекул тела. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом — притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются друг от друга. При деформации изменяется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, мы можем утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит изменение как кинетической, так и потенциальной энергии частиц этих тел. Это означает, что механическая энергия, которой обладал в начале опыта шар, не исчезла бесследно: она перешла в энергию молекул.

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

U — внутренняя энергия.

Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией.

Изучение тепловых явлений показывает, что на сколько в них уменьшается механическая энергия тел, на столько же увеличивается их внутренняя энергия. Полная же энергия тел, равная сумме их механической и внутренней энергий, при любых процессах остается неизменной. В этом заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь переходить из одного вида в другой, сохраняя свое полное (общее) значение. Так, например, при взлете ракеты происходит превращение внутренней энергии сгорающего топлива в механическую энергию оболочки ракеты; при возникновении ветра внутренняя энергия нагретого воздуха превращается в кинетическую энергию движущихся воздушных масс и т. д.

Одним из первых, кто обратил внимание на взаимопревращаемость различных видов энергии, был немецкий ученый Юлиус Роберт Майер (1814—1878). В 1838 г. он защитил диссертацию на степень доктора медицины и через два года в качестве корабельного врача отправился в плавание на остров Яву. Во время плавания он задумался над тем, почему после сильной бури вода в море всегда оказывается теплее, чем до нее. А прибыв на остров, Майер обратил внимание на непривычно яркий цвет крови у матросов, которых он лечил. В северных широтах кровь у людей имела иной, более темный оттенок. Возникал вопрос: почему? Эта проблема настолько увлекла Майера, что больше он ни о чем не думал. В письме своему другу он потом написал: «Я с такой любовью ухватился за работу, что мало интересовался — над чем иной может посмеяться — той далекой частью света; охотнее всего я оставался на борту, где я мог беспрепятственно отдаваться своей работе и где я в некоторые часы чувствовал себя как бы вдохновленным и ни раньше, ни позже ничего подобного, насколько помню, не переживал».

Размышляя о процессах, происходящих в человеческом организме (в зависимости от температурных условий, в которых находится человек), и энергии, выделяющейся в нем при «сгорании» пищи, Майер в конце концов открыл один из самых фундаментальных законов физики — закон сохранения и превращения энергии.

1. Какие превращения энергии происходят при подъеме и падении шара? 2. Как изменяется состояние свинцового шара и плиты в результате их соударения? 3. В какую энергию превращается механическая энергия шара при его ударе о плиту? 4. Какую энергию называют внутренней энергией тела? 5. В чем заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления? 6. Может ли тело обладать механической энергией, но не иметь при этом внутренней энергии? 7. Может ли тело обладать внутренней энергией, но не иметь при этом механической энергии? Приведите примеры. 8. Каким превращением энергии обусловлено нагревание морской воды после бури?

Закон сохранения энергии.




Титульная

Механика
Литература

Силы, работа которых не зависит от формы траектории,
а определяется начальным и конечным положением тела, называются
потенциальными. Очевидно, что работа потенциальных
сил на замкнутой траектории равна нулю.


Все силы, работа которых зависит от формы траектории,
называются непотенциальными. Непотенциальными
силами являются силы трения, сопротивления.


Для системы тел, в которой действуют потенциальные силы
взаимодействия, можно ввести понятие потенциальной энергии.


Потенциальная энергия — некоторая
функция, описывающая взаимное расположение тел в системе,
изменение которой взятое с обратным знаком, равно работе
потенциальных сил, действующих между телами ситемы

или же это энергия взаимного действия,
взаимного расположения тел относительно друг друга:



Пример.
При прыжке ныряльщика в воду потенциальная
сила притяжения совершает работу, которая равна изменению
потенциальной энергии ныряльщика. Эта работа идет на изменение
кинетической энергии прыгуна.

    Свойства потенциальной энергии:

  • это энергия системы тел, между которыми действуют
    потенциальные силы взаимодействия;
  • потенциальная энергия определяется с точностью до постоянного
    слагаемого. При этом за нулевой уровень потенциальной
    энергии можно принять любое состояние системы;
  • формула для расчета потенциальной энергии может быть
    разной и зависит от характера взаимодействия тел;
    общим для всех видов потенциальной энергии является ее
    связь с работой потенциальных сил:


    A=Epсил=-(Ep1-Ep2)


Кинетическая энергия — энергия движения.
Работа силы, приложенной к телу при
изменении его V, равна изменению
кинетической энергии:


Закон сохранения энергии.

Приращение потенциальной энергии брошенного
вверх тела происходит за счет убыли его кинетической
энергии; при падении тела, приращение кинетической
энергии происходит за счет убыли потенциальной
энергии, так что полная механическая энергия тела

не меняется. Аналогично, если на тело действует
сжатая пружина, то она может сообщить телу некоторую
скорость,
т. е. кинетическую энергию, но при этом
пружина будет распрямляться, и ее потенциальная энергия
будет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной
и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело,
кроме пружины, действует еще и сила тяжести, то хотя
при движении тела энергия каждого вида будет изменяться,
но сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной
энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки
будет оставаться постоянной.


Энергия может переходить из одного вида в другой, может
переходить от одного тела к другому, но общий запас
механической энергии остаётся неизменным. Опыты и
теоретические расчеты показывают, что при отсутствии
сил трения и при воздействии только сил упругости и
тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия
тела или системы тел остается во всех случаях постоянной.
В этом и заключается закон сохранения механической энергии.


Докажем закон сохранения энергии в
следующем опыте. Стальной шарик, упавший с некоторой
высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся
об неё, подскакивает почти на ту же высоту, с которой
упал. Во время движения шарика происходит целый
ряд превращений энергии. При падении потенциальная энергия
переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик
прикоснется к плите, и он и плита начинают деформироваться.


Если рассмотреть кинетическую энергию, то можно сделать
вывод, что она превращается в потенциальную энергию
упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс
продолжается до тех пор, пока шарик не остановится, т. е.
пока вся его кинетическая энергия не перейдёт в
потенциальную энергию упругой деформации. Затем под
действием сил упругости деформированной плиты шарик
приобретает скорость, направленную вверх: энергия
упругой деформации плиты и шарика превращается в
кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении
вверх скорость шарика под действием силы тяжести
уменьшается, и кинетическая энергия превращается в
потенциальную энергию тяготения. В наивысшей точке
шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения.


Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту
же высоту, с которой он начал падать, потенциальная
энергия шарика в начале и в конце описанного
процесса одна и та же. Более, того, в любой момент
времени при всех превращениях энергии сумма
потенциальной энергии тяготения, потенциальной
энергии упругой деформации и кинетической энергии
все время остается одной и той же.


Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной
силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении
и подъеме шарика это было показано простым расчетом.
Можно было бы убедиться, что и при превращении
кинетической энергии в потенциальную энергию упругой
деформации плиты и шарика и затем при обратном
процессе превращения этой энергии в кинетическую
энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной
энергии тяготения, энергии упругой деформации и
кинетической энергии также остается неизменной,
т. е. закон сохранения механической энергии выполнен.


Теперь мы можем объяснить, почему нарушался закон
сохранения работы в простой машине, которая
деформировалась при передаче работы: дело в том, что
работа, затраченная на одном конце машины, частично
или полностью затрачивалась на деформацию самой
простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в
ней некоторую потенциальную энергию деформации, и
лишь остаток работы передавался на другой конец
машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией
деформации оказывается равной затраченной работе.
В случае абсолютной жесткости рычага, нерастяжимости
веревки и т. д. простая машина не может накопить в
себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее
конце, полностью передается на другой конец.


Силы трения и закон сохранения механической
энергии.

Присматриваясь к движению шарика,
подпрыгивающего на плите, можно обнаружить, что после
каждого удара шарик поднимается на несколько
меньшую высоту, чем раньше, т. е. полная энергия не
остается в точности постоянной, а понемногу убывает;
это значит, что закон сохранения энергии в таком виде,
как мы его сформулировали, соблюдается в этом случае
только приближённо. Причина заключается в том, что в
этом опыте возникают силы трения, сопротивление воздуха,
в котором движется шарик, и внутреннее трение в самом
материале шарика и плиты. Вообще, при наличии трения закон
сохранения механической энергии всегда нарушается и
полная энергия тел уменьшается. За счет этой убыли
энергии и совершается работа против сил трения. Например,
при падении тела с большой высоты скорость, вследствие
действия возрастающих сил сопротивления среды, вскоре
становится постоянной; кинетическая энергия тела
перестает меняться, но его потенциальная энергия
уменьшается.


Работу против силы сопротивления воздуха
совершает сила тяжести за счет потенциальной,
энергии тела. Хотя при этом и сообщается некоторая
кинетическая энергия окружающему воздуху, но она меньше,
чем убыль потенциальной энергии тела, и, значит,
суммарная механическая энергия убывает.
Работа против сил трения может совершаться и за счет
кинетической энергии. Например, при движении лодки,
которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная
энергия лодки остается постоянной, но вследствие
сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки,
т. е. ее кинетическая энергия, приращение кинетической
энергии воды, наблюдающееся при этом, меньше, чем убыль
кинетической энергии лодки.


Подобно этому действуют и силы трения между
твердыми телами. Например, скорость, которую приобретает
груз, соскальзывающий с наклонной плоскости, а,
следовательно, и его кинетическая энергия, меньше той,
которую он приобрёл бы в отсутствие трения. Можно
так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет
скользить равномерно. При этом его потенциальная энергия
будет убывать, а кинетическая — оставаться постоянной,
и работа против сил трения будет совершаться за счет
потенциальной энергии.


В природе все движения (за исключением движений в
вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются
трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения
механической энергии нарушается, и это нарушение
происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения
полной энергии.


Превращение механической энергии во внутреннюю
энергию.

Особенность сил трения состоит, как мы видели,
в том, что работа, совершённая против сил трения, не
переходит полностью в кинетическую или потенциальную
энергию тел; вследствие этого суммарная механическая
энергия тел уменьшается. Однако работа против сил
трения не исчезает бесследно. Прежде всего, движение
тел при наличия трения ведет к их нагреванию. Мы можем
легко обнаружить это, крепко потирая руки или
протягивая металлическую полоску между сжимающими ее
двумя кусками дерева; полоска даже на ощупь заметно
нагревается. Первобытные люди, как известно, добывали
огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга.
Нагревание происходит также при совершении работы
против сил внутреннего трения, например, при многократном
изгибании проволоки. Нагревание при движении,
связанном с преодолением сил трения, часто бывает очень
сильным. Например, при торможении поезда тормозные колодки
сильно нагреваются. При спуске корабля со стапелей на
воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются,
и все же нагревание так велико, что смазка дымится, а
иногда даже загорается.


При движении тел в воздухе с небольшими скоростями,
например, при движении брошенного камня, сопротивление
воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается
небольшая работа, и камень практически не нагревается.
Но быстро летящая пуля разогревается значительно
сильнее. При больших скоростях реактивных самолетов
приходится уже принимать специальные меры для уменьшения
нагревания обшивки самолета. Мелкие метеориты, влетающие
с огромными скоростями (десятки километров в секунду)
в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу
сопротивления среды, что полностью сгорают в
атмосфере. Нагревание в атмосфере искусственного
спутника Земли, возвращающегося на Землю,
так велико, что на нем приходится устанавливать
специальную тепловую защиту.


Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать
и другие изменения. Например, они могут измельчаться,
растираться в пыль, может происходить плавление,
т. е. переход тел из твердого в жидкое состояние:
кусок льда может расплавиться в результате трения
о другой кусок льда или о какое-либо иное тело.

    Итак, если движение тел связано с преодолением
    сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями:

  • сумма кинетической и потенциальной энергий всех
    участвующих в движении тел уменьшается;
  • происходит изменение состояния тел, в
    частности может происходить нагревание.


Это изменение состояния тел происходит всегда таким образом,
что в новом состоянии тела могут
производить большую работу, чем в исходном. Так,
например, если налить в закрытую с одного конца
металлическую трубку немного эфира и, заткнув трубку
пробкой, зажать ее между двумя пластинками и привести
в быстрое вращение, то эфир испарится и вытолкнет пробку.
Значит, в результате работы по преодолению сил трения
трубки о пластинки трубка с эфиром пришла в новое
состояние, в котором она смогла совершить работу,
требующуюся для выталкивания пробки, т. е. работу
против сил трения, удерживающих пробку в трубке, и
работу, идущую на сообщение пробке кинетической
энергии. В исходном состоянии трубка с эфиром не
могла совершить эту работу.


Таким образом, нагревание тел, равно как и
другие изменения, их состояния, сопровождается
изменением «запаса» способности этих тел совершать
работу
. Мы видим, что «запас работоспособности»
зависит, помимо положения тел относительно Земли,
помимо их деформации и их скорости, еще и от
состояния тел.


Значит, помимо потенциальной энергии
тяготения и упругости и кинетической энергии тело
обладает и энергией, зависящей, от его состояния.
Будем называть ее внутренней энергией. Внутренняя энергия
тела зависит от его температуры, от того, является
ли тело твердым, жидким или газообразным, как велика
его поверхность, является ли оно сплошным или мелко
раздробленным и т. д. В частности, чем температура
тела выше, тем больше его внутренняя энергия.
Таким образом, хотя при движениях, связанных с
преодолением сил трения, механическая энергия систем
движущихся тел уменьшается, но зато возрастает их
внутренняя энергия. Например, при торможении поезда
уменьшение его кинетической энергии сопровождается
увеличением внутренней энергии тормозных колодок,
бандаж колес, рельсов, окружающего воздуха и
т. д. в результат нагревания этих тел.
Все сказанное относится также и к тем случаям,
когда силы трения возникают внутри тела, например,
при разминании куска воска, при неупругом ударе
свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки.


Всеобщий характер закона сохранения энергии.

Силы трения занимают особое положение в вопросе о
законе сохранения механической энергии. Если сил
трения нет, то закон сохранения механической
энергии соблюдается: полная механическая энергия
системы остается постоянной. Если же действуют
силы трения, то энергия уже не остается постоянной,
а убывает при движении. Но при этом всегда растет
внутренняя энергия.


С развитием физики обнаруживались
все новые виды энергии: была обнаружена световая
энергия, энергия электромагнитных волн, химическая
энергия
, проявляющаяся при химических реакциях
(в качестве примера достаточно указать хотя бы на
химическую энергию, запасённую во взрывчатых
веществах и превращающуюся в механическую и тепловую
энергию при взрыве), наконец, была открыта ядерная
энергия
. Оказалось, что совершаемая над телом работа
равна сумме всех видов энергии тела;
работа же, совершаемая некоторым телом над другими
телами, равна убыли суммарной энергии данного тела.
Для всех видов энергии оказалось, что возможен
переход энергии из одного вида в другой,
переход энергии от одного тела к другому, но
что при всех таких переходах общая энергия всех
видов остаётся все время строго постоянной. В
этом заключается всеобщность закона сохранения энергии.


Хотя общее количество энергии остается
постоянным, количество полезной для нас энергии
может уменьшаться и в действительности постоянно
уменьшается. Переход энергии в другую форму может
означать переход ее в бесполезную для нас форму.
В механике чаще всего это — нагревание окружающей
среды, трущихся поверхностей и т. п.
Такие потери
не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих
механизмах; так, во избежание перегревания приходится
специально охлаждать трущиеся части механизмов.

Превращения энергии

У всех видов энергии есть общее свойство: энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает; она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Это утверждение называется законом сохранения энергии. Пока мы изучим его качественно, поскольку количественный аспект рассматривается в старших классах.

Колебания нитяного маятника. На рисунке слева вы видите груз, качающийся на нити. Сначала его оттянули вправо, и он приподнялся на высоту h над своим нижним положением. В этот момент груз имел наибольшую потенциальную энергию под действием силы тяжести.

Когда груз отпустили, он начал двигаться влево, увеличивая скорость. Следовательно, кинетическая энергия груза возрастает. Одновременно груз опускается, и в среднем положении его потенциальная энергия становится наименьшей. Однако в этот момент скорость груза является наибольшей. Поэтому за счёт запаса кинетической энергии, продолжая двигаться влево, груз поднимается всё выше. Это приводит к возрастанию его потенциальной энергии. Одновременно скорость груза уменьшается, что вызывает уменьшение кинетической энергии.

В этом примере энергия одного и того же тела переходит из одного вида в другой: из кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Рассмотрим теперь примеры, когда энергия переходит не только из одного вида в другой, но и от одного тела к другому.

Колебания пружинного маятника. Взгляните на рисунок. Сначала груз на пружине оттянули вниз. Пружина растянулась, следовательно, сила упругости возросла. Увеличение этой силы означает увеличение потенциальной энергии пружины.

После отпускания груза пружина сжимается. По мере её сжатия сила упругости пружины уменьшается, значит, уменьшается потенциальная энергия пружины. Однако одновременно возрастает кинетическая энергия груза, так как при разгоне вверх увеличивается его скорость. Одновременно возрастает потенциальная энергия груза под действием силы тяжести, так как груз поднимается выше. Эти превращения энергии из одного вида в другой и переходы от тела к телу происходят периодически.

В только что рассмотренном примере энергия переходила из одного вида в другие: из потенциальной под действием силы упругости в кинетическую, а также в потенциальную под действием силы тяжести, и наоборот. Кроме того, энергия переходила от одного тела к другому: от пружины к грузу, и наоборот.

Торможение тела силой трения. На правом рисунке сверху изображено колесо едущего поезда; снизу – то же колесо, но при торможении поезда: тормозные колодки прижались к колесу. Возникшая сила трения замедляет вращение колёс, а значит, и скорость поезда. Это приводит к уменьшению его кинетической энергии. Колодки и колесо в нижней части рисунка не случайно выделены красным цветом: они настолько сильно нагреваются из-за трения, что при касании рукой можно получить ожог.

В этом примере мы наблюдали превращение механической энергии во внутреннюю энергию: кинетическая энергия всего поезда превращалась во внутреннюю энергию его тормозных колодок, колёс и воздуха, который тоже нагревался (соприкасаясь с горячими колёсами и тормозными колодками).

Итак, все рассмотренные в этом параграфе примеры являются качественными подтверждениями всеобщего закона сохранения энергии, который иногда называют законом сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

При падении тела его потенциальная энергия превращается в кинетическую. При падении свинцового шара на свинцовую пластину механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара и пластины. В двигателе автомобиля и трактора внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движения.

Механическая и внутренняя энергии могут переходить от одного тела к другому. Кинетическая энергия текущей воды передается, например, колесам турбины, а энергия движущегося ветра — крыльям ветряного двигателя. Переход внутренней энергии от одного тела к другому мы наблюдали при теплопередаче, когда внутренняя энергия от одного тела (например, нагретой печи) передавалась другому телу (воздуху комнаты).

Сохраняется ли энергия при переходе ее от одного тела к другому или при превращении из одного вида в другой?

Рассмотрев пример  и проделав лабораторную работу по смешиванию горячей и холодной воды, мы убедились, что количество теплоты, отданное горячей водой, равнялось количеству теплоты, полученному холодной водой. Значит, сколько внутренней энергии отдало одно тело, столько же получило и второе, т. е. значение внутренней энергии сохранилось при переходе от одного тела к другому.

Сделанный вывод относится не только к внутренней энергии.

Все другие, более сложные опыты, которые мы будем изучать в дальнейшем, показывают, что при любых превращениях энергии ее значение сохраняется.

Наблюдения и опыты привели к открытию одного из основных законов физики — закона сохранения и превращения энергии.

Этот закон устанавливает, что энергия не исчезает и не создается. Она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому.

Энергия не может появиться у тела, если оно не получило ее от другого тела. Энергия текущей воды и ветра получается, как мы знаем, за счет энергии Солнца, потенциальная энергия взлетевшей вверх ракеты — за счет энергии израсходованного при ее запуске топлива; воздух в комнате нагревается, т. е. его внутренняя энергия: увеличивается за счет энергии, полученной от печи или батареи отопления.

Закон сохранения энергии — один из величайших законов природы. Мы наблюдаем его проявление, как в живой, так и в неживой природе, он всегда учитывается в науке и технике.

Изучая различные механизмы, мы познакомились с «золотым правилом» механики, согласно которому ни один механизм не может дать выигрыша в работе. Это правило является одним из проявлений закона сохранения энергии. Действительно, если бы мы, поднимая тело при помощи рычага, получили работу больше той, которую совершили, то и потенциальная энергия поднятого тела оказалась бы больше затраченной энергии, а это согласно закону сохранения энергии невозможно.

Закон сохранения энергии опровергает религиозные легенды о создании мира богом. Из него следует, что материальный мир никем не создан, он существует вечно, непрерывно развиваясь.

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

Упражнения.

  1. Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает ее 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 его 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 нем. Какие переходы энергии происходят в каждом случае?
  4. Опишите все превращения и переходы энергии, которые происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой пробкой.

Второй закон термодинамики — материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: второй закон термодинамики.

Не все физические процессы, допускаемые нашим воображением, могут осуществляться в реальности.

Например, в течение нескольких столетий предпринимались попытки изобрести вечный двигатель первого рода — устройство, способное производить неограниченное количество механической работы само по себе, без привлечения внешних источников энергии.

Все подобные проекты, зачастую весьма хитроумные, неизменно терпели крах. В конечном счёте это привело к открытию фундаментального закона природы—закона сохранения энергии. Любой процесс, нарушающий закон сохранения энергии, оказывается невозможным; точнее — не обнаружено ни одного процесса, в котором не выполнялся бы закон сохранения энергии.

В термодинамике закон сохранения энергии принял форму первого закона термодинамики.

Необратимость процессов в природе

Существуют, однако, и другие ограничения на ход процессов, не связанные с законом сохранения энергии. Оказывается, реальные процессы необратимы: они могут самопроизвольно идти лишь в одном определённом направлении. Обратные им процессы, также не нарушающие закон сохранения энергии, сами по себе никогда не протекают.

Так, если привести в тепловой контакт горячее и холодное тело, то энергия в процессе теплообмена будет передаваться от горячего тела к холодному. Обратный процесс, в результате которого холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее — ещё больше нагревалось, хотя и возможен с энергетической точки зрения, в действительности сам по себе не происходит. Теплопередача от горячего тела к холодному является необратимым процессом (подчеркнём ещё раз, что речь идёт о невозможности самопроизвольного протекания обратного процесса. В принципе передать энергию от холодного тела к горячему можно — но только за счёт работы внешнего источника. Именно этим и занимаются холодильные машины).

Подобных примеров можно привести сколько угодно. Ложка падает со стола и остаётся лежать на полу — кинетическая энергия её механического движения переходит во внутреннюю энергию пола и самой ложки.

Энергетически возможен и обратный процесс: молекулы со стороны пола синхронно ударят по ложке так, что она запрыгнет обратно на стол(а участок пола при этом охладится, потеряв внутреннюю энергию). Но такое в природе никогда не наблюдалось. Превращение механической энергии во внутреннюю является необратимым процессом.

Постулаты Клаузиуса и Кельвина

Необратимость процессов теплопередачи от горячего тела к холодному и превращения механической энергии во внутреннюю была постулирована во втором законе термодинамики. Две эквивалентные формулировки второго закона термодинамики принадлежат Клаузиусу и Томсону (лорду Кельвину).

Постулат Клаузиуса. Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому.

Процесс, при котором тепло передаётся от менее нагретого тела к более нагретому, происходит в холодильных машинах. Но эта передача тепла не является единственным результатом данного процесса. Происходят изменения и в других телах — например, работает внешний источник энергии. Постулат Клаузиуса утверждает невозможность самопроизвольной теплопередачи от холодного тела к горячему.

Постулат Кельвина. Невозможен циклический процесс, единственным результатом которого является получение работы за счёт охлаждения теплового резервуара.

В тепловом двигателе работа получается за счёт отвода тепла от теплового резервуара — нагревателя. Но получение работы не является единственным результатом данного процесса. Мы уже отмечали, что для обеспечения цикличности работы теплового двигателя какое-то количество теплоты должно быть отдано другому резервуару — холодильнику. Поэтому происходят изменения и в других телах.

Фактически постулат Кельвина запрещает существование теплового двигателя с КПД, равным единице.

Гипотетический тепловой двигатель, целиком превращающий в работу поступающее от нагревателя тепло, называется вечным двигателем второго рода. Он не противоречит закону сохранения энергии. Если бы такой двигатель был изобретён, люди получили бы возможность без потерь превращать в работу огромные запасы внутренней энергии морей и океанов. Но невозможность создать вечный двигатель второго рода как раз и утверждается постулатом Кельвина.

Эквивалентность постулатов Клаузиуса и Кельвина

Постулаты Клаузиуса и Кельвина логически следуют друг из друга. Показать это совсем не сложно.

Предположим сначала, что неверен постулат Клаузиуса. Тогда существует процесс , единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому телу .

Возьмём тепловой двигатель, нагревателем которого является тело , а холодильником — тело .

Двигатель подберём так, чтобы за цикл к холодильнику поступало как раз тепло . Совершим один цикл, в ходе которого двигатель производит работу , после чего осуществим процесс . Тепло вернётся к телу .

Тогда окажется, что в результате циклического процесса наш двигатель произвёл работу единственно за счёт тепла, отведённого от нагревателя . Следовательно, неверен постулат Кельвина.

Наоборот, предположим, что неверен постулат Кельвина. Тогда существует циклический процесс , единственным результатом которого является получение работы за счёт тепла, отводимого от некоторого резервуара .

Возьмём тело — более горячее, чем . Запустим процесс . От тела будет отведено тепло . Полученную работу превратим во внутреннюю энергию тела (например, с помощью трения).

В итоге мы осуществим процесс, единственным результатом которого является передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому телу . Никаких других изменений не произошло (ведь процесс — циклический!). Стало быть, постулат Клаузиуса неверен.

В листке «Тепловые машины» мы отметили, что изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой, но не объяснили — почему.

Кроме того, в этом листке было сказано, что все реальные процессы необратимы. Как это увязать с упомянутой обратимостью цикла Карно?

Прежде всего, нужно рассказать о важнейшей (наряду с идеальным газом) идеализации в термодинамике — равновесных обратимых процессах.

Обратимые процессы

Равновесное состояние газа (и вообще любой термодинамической системы) — это состояние теплового равновесия (вспоминайте листок «Температура»!). В этом состоянии определены значения макроскопических параметров: давления, объёма, температуры…Равновесное состояние может быть изображено точкой на диаграммах состояния (т. е. -, — и -диаграммах).

Равновесный процесс представляет собой последовательную цепочку близких равновесных состояний. Равновесный процесс может быть изображён непрерывной линией на диаграммах состояния.

Как вы теперь понимаете, все процессы, графики которых мы рассматривали в предыдущих листках, предполагались равновесными — ведь только в этом случае можно говорить о «графике процесса».

Процесс можно считать равновесным, если параметры газа меняются достаточно медленно. Настолько медленно, что в каждый момент времени будет успевать устанавливаться новое равновесное состояние. Такие медленные равновесные процессы называют ещё квазистатическими.

Вот пример квазистатического (равновесного) процесса. Пусть имеется вертикальный цилиндр с газом под поршнем. Положим на поршень песчинку. Потом другую, третью, сотую, тысячную. Получим чрезвычайно медленное сжатие газа, представляющее собой череду сменяющих друг друга равновесных состояний.

Теперь начнём снимать песчинки обратно, всё так же по одной. Получим квазистатическое равновесное расширение газа. При этом газ пройдёт в обратном направлении те же самые состояния, которые он проходил в предыдущем процессе равновесного сжатия. Действительно, раз уж при каждом положении поршня успевает установиться тепловое равновесие, то значения макроскопических параметров определяются только самим положением поршня, но не направлением его движения.

Мы видим, что равновесный процесс является обратимым — его можно провести в обратном направлении через ту же самую цепочку равновесных состояний. На диаграммах состояния обратимый процесс идёт по одной и той же линии как в прямом, так и в обратном направлении.

Если же вместо песчинок поставить на поршень увесистую гирьку, то процесс сжатия газа пойдёт весьма быстро. Давление газа непосредственно под поршнем будет больше, чем у дна сосуда, и мы уже не сможем охарактеризовать состояние газа в каждый момент времени каким-то одним значением давления. Состояния, проходимые газом, не будут состояниями теплового равновесия (макроскопические параметры не успевают принимать определённые значения для всего газа). Стало быть, процесс быстрого сжатия газа будет неравновесным.

Кроме того, такой процесс будет необратимым . Ведь если столь же быстро расширять газ, то давление непосредственно под поршнем теперь окажется меньше, чем у дна сосуда. Следовательно, при быстром расширении газ проходит через иную цепочку состояний, чем в процессе сжатия.

Процессы, идущие бесконечно медленно, являются обратимыми. Это идеализация. Реальные процессы идут с конечной скоростью и потому необратимы.

Обратимость машины Карно

Пусть некоторая тепловая машина осуществляет цикл между нагревателем с фиксированной температурой и холодильником с фиксированной температурой . Как сделать этот цикл обратимым?

Разумеется, все процессы цикла должны быть квазистатическими — наша машина будет работать бесконечно медленно (мощность такой машины равна нулю). Но этого не достаточно. То, что машина обязана работать в прямом и обратном направлении (т. е. как тепловой двигатель и как холодильная машина) между одними и теми же нагревателем и холодильником, налагает дополнительные требования.

При работе в прямом направлении рабочее тело (газ) получает от нагревателя тепло и отдаёт холодильнику тепло . Эти процессы теплопередачи должны быть обратимы: в самом деле, при работе в обратном направлении газ должен забрать у холодильника тепло и отдать нагревателю тепло , проходя через те же самые состояния, что и в прямом направлении.

Можно ли сделать теплопередачу обратимой? Ведь если температура газа будет отличаться от температуры нагревателя (холодильника),передача тепла будет необратима в силу постулата Клаузиуса!

Единственный выход состоит в том, чтобы тепловое взаимодействие газа с нагревателем и холодильником происходило изотермически. В ходе теплообмена газ имеет ту же температуру, что и нагреватель (холодильник), и бесконечно медленно, обратимым образом обменивается с ними теплом. Вот откуда берутся изотермы в цикле Карно: только они и могут соответствовать тепловому контакту газа с нагревателем и холодильником.

Изменение температуры газа в цикле тоже должно происходить обратимо; значит, и тут нужно исключать необратимый теплообмен. Единственная возможность — теплоизолировать газ и использовать адиабатные процессы. Если проводить их квазистатически, они будут обратимыми.

Таким образом, цикл Карно — это единственный циклический процесс, который можно осуществлять обратимым образом между данными нагревателем и холодильником с фиксированными температурами.

Разумеется, машина Карно является идеализацией — уже потому, что использует бесконечно медленные процессы. Поэтому её часто называют идеальной тепловой машиной.

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

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.

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).

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).

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).

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.

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.

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).

Рис. 5. Дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния (Ис­точ­ник).

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).

       

Рис. 6. Па­ро­вой дви­га­тель на па­ро­вой ма­шине (Ис­точ­ник)

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.

Рис. 7. Юлиус Майер (1814–1878) (Ис­точ­ник)

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.

Рис. 8. Джеймс Джо­уль (1819–1889) (Ис­точ­ник)

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.

Рис. 9. Гу­став Гирн (Ис­точ­ник)

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.

 

Спи­сок ре­ко­мен­до­ван­ной ли­те­ра­ту­ры

1. Ген­ден­штейн Л. Э, Кай­да­лов А. Б., Ко­жев­ни­ков В. Б. /Под
ред. Ор­ло­ва В. А., Рой­зе­на И. И. Фи­зи­ка 8. – М.: Мне­мо­зи­на.

2. Пе­рыш­кин А. В. Фи­зи­ка 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фа­де­е­ва А. А., Засов А. В., Ки­се­лев Д. Ф. Фи­зи­ка 8. – М.: Про­све­ще­ние.

 

Ре­ко­мен­до­ван­ные ссыл­ки на ин­тер­нет-ре­сур­сы

1. Эк­за­ме­на­ци­он­ный про­ект по фи­зи­ке (Ис­точ­ник).

2. Youtube (Ис­точ­ник).

3. Youtube (Ис­точ­ник).

 

Ре­ко­мен­до­ван­ное до­маш­нее за­да­ние

1. Стр. 29: во­про­сы № 1–5; упраж­не­ния № 1–4. Пе­рыш­кин А. В. Фи­зи­ка 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. Дви­га­тель мощ­но­стью 25 Вт в те­че­ние 7 мин за­став­ля­ет
вра­щать­ся ло­па­сти винта внут­ри за­пол­нен­но­го водой
ка­ло­ри­мет­ра. За счет со­про­тив­ле­ния вода на­гре­ва­ет­ся на . Сколь­ко воды на­хо­дит­ся в ка­ло­ри­мет­ре?

3. С вы­со­ты 14 м на песок па­да­ет свин­цо­вый шар. На сколь­ко
гра­ду­сов на­гре­ет­ся шар, если 50% его по­тен­ци­аль­ной энер­гии
пе­рей­дет во внут­рен­нюю?

4.* Ре­ак­тив­ный са­мо­лет имеет че­ты­ре дви­га­те­ля,
раз­ви­ва­ю­щих силу тяги 20000 Н каж­дый. Сколь­ко ке­ро­си­на
из­рас­хо­ду­ют дви­га­те­ли на пе­ре­лет 5000 км? Удель­ная теп­ло­та
сго­ра­ния ке­ро­си­на , КПД дви­га­те­ля 25%.

http://interneturok.ru/physics/8-klass/teplovye-yavleniya/zakon-sohraneniya-i-prevrascheniya-energii-v-mehanicheskih-i-teplovyh-protsessah?seconds=0&chapter_id=104

Механическая энергия

В предыдущей части Урока 1 было сказано, что работа выполняется над объектом всякий раз, когда на него действует сила, заставляющая его смещаться. Работа включает в себя силу, действующую на объект, вызывающую смещение. Во всех случаях, когда выполняется работа, есть объект, который обеспечивает силу для выполнения работы. Если книгу World Civilization поднять на верхнюю полку шкафчика студента, тогда студент предоставит силы для работы с книгой. Если плуг перемещается по полю, то какое-либо сельскохозяйственное оборудование (обычно трактор или лошадь) дает силу для работы на плуге.Если питчер разворачивается и ускоряет бейсбольный мяч по направлению к своей тарелке, то питчер предоставляет силу для выполнения работы с бейсбольным мячом. Если автомобиль с американскими горками смещается с уровня земли на вершину первого падения американских горок, то цепь, приводимая в движение двигателем, обеспечивает силу, необходимую для работы с автомобилем. Если штанга перемещается с уровня земли на высоту над головой штангиста, то штангист прикладывает силу для работы со штангой. Во всех случаях объект, обладающий некоторой формой энергии, обеспечивает силу для выполнения работы.В описанных здесь случаях объекты, выполняющие работу (ученик, трактор, кувшин, двигатель / цепь), обладают химической потенциальной энергией , хранящейся в пище или топливе, которая превращается в работу. В процессе выполнения работы объект, выполняющий работу, обменивается энергией с объектом, над которым выполняется работа. Когда над объектом выполняется работа, этот объект получает энергию. Энергия, приобретаемая объектами, над которыми выполняется работа, известна как , механическая энергия .

Механическая энергия — это энергия, которой обладает объект в результате его движения или положения. Механическая энергия может быть кинетической (энергия движения) или потенциальной энергией (запасенная энергия положения). Объекты обладают механической энергией, если они находятся в движении и / или если они находятся в некотором положении относительно положения с нулевой потенциальной энергией (например, кирпич, удерживаемый в вертикальном положении над землей или в положении с нулевой высотой). Движущийся автомобиль обладает механической энергией за счет своего движения (кинетическая энергия).Движущийся бейсбольный мяч обладает механической энергией благодаря своей высокой скорости (кинетическая энергия) и вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации). Книга Мировой цивилизации, покоящаяся на верхней полке шкафчика, обладает механической энергией из-за своего вертикального положения над землей (потенциальная энергия гравитации). Штанга, поднятая высоко над головой штангиста, обладает механической энергией благодаря своему вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации). Натянутый лук обладает механической энергией из-за своего растянутого положения (упругая потенциальная энергия).

Механическая энергия как способность выполнять работу

Объект, обладающий механической энергией, способен совершать работу. Фактически, механическая энергия часто определяется как способность выполнять работу. Любой объект, обладающий механической энергией — будь то в форме потенциальной или кинетической энергии — способен выполнять работу. То есть его механическая энергия позволяет этому объекту применять силу к другому объекту, чтобы вызвать его смещение.

Можно привести множество примеров того, как объект с механической энергией может использовать эту энергию, чтобы применить силу, чтобы вызвать смещение другого объекта. Классический пример — это огромный шар, разрушающий машину для сноса зданий. Мяч для разрушения представляет собой массивный объект, который отклоняется назад в высокое положение и позволяет качаться вперед в строительную конструкцию или другой объект, чтобы разрушить его. При столкновении с конструкцией разрушающий шар прикладывает к нему силу, чтобы вызвать смещение стены конструкции.На диаграмме ниже показан процесс, с помощью которого механическая энергия разрушающего шара может использоваться для выполнения работы.

Молоток — это инструмент, использующий механическую энергию для выполнения работы. Механическая энергия молотка дает ему возможность приложить силу к гвоздю, чтобы вызвать его смещение. Поскольку молоток обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он способен воздействовать на гвоздь. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Другой пример, показывающий, как механическая энергия — это способность объекта выполнять работу, можно увидеть в любой вечер в вашем местном боулинг-клубе. Механическая энергия шара для боулинга дает ему возможность приложить силу к кегле, чтобы заставить его сместиться. Поскольку массивный шар обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он может работать со штифтом. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Дротик — еще один пример того, как механическая энергия одного объекта может воздействовать на другой объект.Когда дротик заряжен и пружины сжаты, он обладает механической энергией. Механическая энергия сжатых пружин дает им возможность прикладывать силу к дротику, чтобы вызвать его смещение. Поскольку пружины обладают механической энергией (в виде упругой потенциальной энергии), они способны работать над дротиком. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Обычная сцена в некоторых частях сельской местности — это «ветряная электростанция».«Высокоскоростной ветер используется для работы с лопастями турбины на так называемой ветряной электростанции. Механическая энергия движущегося воздуха дает частицам воздуха возможность прикладывать силу и вызывать смещение лопастей. лопасти вращаются, их энергия впоследствии преобразуется в электрическую энергию (немеханическую форму энергии) и подается в дома и промышленные предприятия для работы электроприборов. Поскольку движущийся ветер обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он может работать с лезвиями.Еще раз, механическая энергия — это способность совершать работу.

Общая механическая энергия

Как уже упоминалось, механическая энергия объекта может быть результатом его движения (т. Е. Кинетической энергией) и / или результатом накопленной им энергии положения (т. Е. Потенциальной энергии). Общее количество механической энергии — это просто сумма потенциальной энергии и кинетической энергии. Эта сумма просто называется полной механической энергией (сокращенно TME).

TME = PE + KE

Как обсуждалось ранее, в нашем курсе обсуждаются две формы потенциальной энергии — гравитационная потенциальная энергия и упругая потенциальная энергия. Учитывая этот факт, приведенное выше уравнение можно переписать:

TME = PE грав + PE пружина + KE

На приведенной ниже диаграмме изображено движение Ли Бена Фардеста (уважаемого американского прыгуна с трамплина), когда он спускается с холма и делает один из своих рекордных прыжков.

Полная механическая энергия Ли Бена Фардеста представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Сумма двух форм энергии составляет 50 000 Джоулей. Также обратите внимание, что общая механическая энергия Ли Бена Фардеста является постоянной величиной на протяжении всего его движения. Существуют условия, при которых общая механическая энергия будет постоянной величиной, и условия, при которых она будет изменяться. Это тема Урока 2 — отношения работы и энергии.На данный момент просто помните, что полная механическая энергия — это энергия, которой обладает объект из-за его движения или его накопленной энергии положения . Общее количество механической энергии — это просто сумма этих двух форм энергии. И, наконец, объект с механической энергией может работать с другим объектом.

14.7: Изменение механической энергии для замкнутой системы с внутренними неконсервативными силами

Рассмотрим замкнутую систему (энергия системы постоянна), которая претерпевает преобразование из начального состояния в конечное с помощью заданного набора изменений.

Всякий раз, когда работа, выполняемая силой по перемещению объекта из начальной точки в конечную точку, зависит от траектории, сила называется неконсервативной силой .

Предположим, что внутренние силы одновременно консервативны и неконсервативны. Работа W, выполняемая силами, является суммой консервативной работы \ (W _ {\ mathrm {c}} \), которая не зависит от пути, и неконсервативной работы \ (W _ {\ mathrm {nc}} \) который зависит от пути,

\ [W = W _ {\ mathrm {c}} + W _ {\ mathrm {nc}} \]

Работа, совершаемая консервативными силами, равна отрицательному изменению потенциальной энергии

\ [\ Delta U = -W _ {\ mathrm {c}} \]

Подставляя уравнение (14.6.2) в уравнение (14.6.1) дает

\ [W = — \ Delta U + W _ {\ mathrm {nc}} \]

Сделанная работа равна изменению кинетической энергии,

\ [W = \ Delta K \]

Подставляя уравнение (14.6.4) в уравнение (14.6.3), получаем

\ [\ Delta K = — \ Delta U + W _ {\ mathrm {nc}} \]

, которое мы можем переставить как

\ [W _ {\ mathrm {nc}} = \ Delta K + \ Delta U \]

Теперь мы можем подставить уравнение (14.6.4) в наше выражение для изменения механической энергии, уравнение (14.4.17), что дает

\ [W _ {\ mathrm {nc}} = \ Delta E_ {m} \]

Механическая энергия больше не постоянна. Суммарное изменение энергии системы равно нулю,

\ [\ Delta E _ {\ text {system}} = \ Delta E_ {m} -W _ {\ mathrm {nc}} = 0 \]

Энергия сохраняется, но некоторая механическая энергия была преобразована в невозвратную энергию \ (W _ {\ mathrm {nc}} \). Мы будем называть процессы, в которых имеется ненулевая невозвратная энергия, необратимыми процессами.

Изменение механической энергии для незамкнутой системы

Когда система больше не замкнута, но находится в контакте с окружающей средой, изменение энергии системы равно отрицательному изменению энергии окружающей среды (Уравнение (14.{B} \ overrightarrow {\ mathbf {F}} _ {\ mathrm {ext}} \ cdot d \ overrightarrow {\ mathbf {r}} \]

Эта работа приведет к когерентному движению системы. Обратите внимание, что \ (W _ {\ mathrm {ext}}> 0 \), если работа выполняется в системе \ (\ left (\ Delta E _ {\ text {окружение}} <0 \ right) \) и \ (W_ { \ text {ext}} <0 \), если система действительно работает с окружением \ (\ left (\ Delta E _ {\ text {окружение}}> 0 \ right) \). Если система находится в тепловом контакте с окружающей средой, энергия может поступать в систему или из нее.{\ mathrm {ext}} + Q = \ Delta E _ {\ mathrm {sys}} \]

Уравнение (14.6.11) также называют первым законом термодинамики.

Это приведет либо к увеличению, либо к уменьшению случайного теплового движения молекул внутри системы. Также могут быть другие формы энергии, которые входят в систему, например, энергия излучения.

Из этого набора определений и физических понятий естественно возникает несколько вопросов. Можно ли выделить все консервативные силы и рассчитать связанные с ними изменения потенциальных энергий? Как мы учитываем неконсервативные силы, такие как трение, которые действуют на границе системы?

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
  • Вождение на клавиатуре
  • 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 высоте или положении 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 сочетается 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

Work — Energy Education

Work — это передача механической энергии от одного объекта к другому. Поскольку работа — это движение энергии, она измеряется в тех же единицах, что и энергия: джоулях (Дж). Определение работы в контексте физики сильно отличается от того, как оно используется в повседневной жизни человека, и выглядит следующим образом: [1]

Работа выполняется, когда к объекту на расстоянии прикладывается сила.

Это означает, что когда к объекту на расстоянии применяется сила, это влияет на общую энергию объекта.Объект будет либо ускоряться, либо замедляться, что приведет к изменению его кинетической энергии (см. Рисунок 1), либо у него будет измененная потенциальная энергия, если, например, он был поднят на определенную высоту под действием силы тяжести. [1]

Рис. 1. Питчер работает с бейсбольным мячом, чтобы увеличить его кинетическую энергию. Его рука отводится как можно дальше назад, а затем как можно дальше вперед, чтобы максимально увеличить расстояние, на которое была приложена сила. [2]

Работа также выходит за рамки того, что человек может физически видеть; он также может влиять на микроскопические свойства системы, такие как температура.В 1843 году эту идею начали исследовать ученые, [3] , и ее результаты привели к формулировке того, что сейчас известно как термодинамика. Работа с системой может повлиять на ее внутреннюю энергию, как и добавление тепла; однако они принципиально разные, и их можно изучить на странице «Теплота против работы».

Все описанные до сих пор случаи того, как работа может влиять на систему, можно суммировать в одном уравнении: [1]

[математика] W = \ Delta K + \ Delta U + \ Delta E_ {th} [/ math]

Это уравнение говорит о том, что работа ([math] W [/ math]) может изменять ([math] \ Delta [/ math]): кинетическую энергию ([math] K [/ math]), потенциальную энергию ( [math] U [/ math]), тепловая энергия ([math] E_ {th} [/ math]) или любая их комбинация.

Фактически выполненную работу можно рассчитать по следующей формуле: [4]

[математика] W = \ vec {F} \ cdot \ vec {d} [/ math]

Где:

  • [математика] W [/ математика] — работа или изменение механической энергии, измеряемое в джоулях (Дж)
  • [math] F [/ math] — сила, измеряемая в ньютонах (Н)
  • [math] d [/ math] — смещение объекта

Стрелки над силой и смещением указывают, что они являются векторами. Это означает, что у них есть связанное с ними направление, которое имеет важное значение для того, сколько работы выполняется с объектом.Если оба направления совпадают, как показано на рисунке 1, энергия системы увеличится, что означает, что была проделана положительная работа. Если направления противоположны, например сила трения и сопротивления воздуха движущемуся автомобилю, энергия системы будет уменьшаться, что приведет к выполнению отрицательной работы.

С точки зрения физики работа никогда не бывает чем-то, что есть у объекта. Это всего лишь то, что один объект делает с другим. Работа изменяет количество механической и внутренней энергии, которой обладают объекты.Когда работа выполняется над системой или объектом, к ней добавляется энергия. Когда работа выполняется посредством системы или объекта, она отдает часть своей энергии чему-то другому.

Бросок мяча означает, что рука прикладывает силу, когда рука движется вперед. Приложив силу к мячу на этом расстоянии, рука выполняет работу с мячом, и мяч получает кинетическую энергию. Это то, что придает ему скорость.

Математические отношения между полной работой и полной энергией описываются теоремой работы-энергии и сохранения энергии.Простые машины могут изменять количество силы, необходимой для перемещения объекта, но сила должна применяться на большем расстоянии: они не меняют объем проделанной работы.

Список литературы

  1. 1.0 1.1 1.2 Р. Д. Найт, «Работа и кинетическая энергия» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, глава 11, разделы 2 и 3, стр. 278-301.
  2. ↑ Wikimedia Commons [Online], Доступно: https: // upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Baseball_pitching_motion_2004.jpg
  3. ↑ Hyperphysics, Механический эквивалент тепла [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heat.html#c3
  4. ↑ R. Nave. (2015, 21 июня) Работа Онлайн. Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/wcon.html

9.2 Механическая энергия и сохранение энергии — Физика

Задачи обучения раздела

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Объясните закон сохранения энергии в терминах кинетической и потенциальной энергии
  • Выполните вычисления, связанные с кинетической и потенциальной энергией.Применяем закон сохранения энергии

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (6) Научные концепции. Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
    • (B) исследовать примеры кинетической и потенциальной энергии и их преобразований;
    • (D) демонстрируют и применяют законы сохранения энергии и сохранения количества движения в одном измерении.

Кроме того, лабораторное руководство по физике в средней школе рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Работа и энергия», а также следующие стандарты:

  • (6) Научные концепции. Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
    • (В)
      исследовать примеры кинетической и потенциальной энергии и их превращений;
    • (D)
      продемонстрировать и применить законы сохранения энергии и сохранения количества движения в одном измерении.

Раздел Основные термины

закон сохранения энергии

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Начните с выделения механической энергии из других форм энергии. Объясните, почему общее определение энергии как способности выполнять работу имеет смысл с точки зрения любой из форм механической энергии. Обсудите закон сохранения энергии и развейте любые заблуждения, связанные с этим законом, такова идея о том, что движущиеся объекты просто естественным образом замедляются.Определите тепло, выделяемое трением, как обычное объяснение явных нарушений закона.

[AL] Начните обсуждение о том, как другие полезные формы энергии также превращаются в потраченное впустую тепло, например свет, звук и электричество. Постарайтесь научить студентов понимать тепло и температуру на молекулярном уровне. Объясните, что энергия, теряемая на трение, действительно преобразует кинетическую энергию на макроскопическом уровне в кинетическую энергию на атомном уровне.

Механическая энергия и сохранение энергии

Ранее мы видели, что механическая энергия может быть потенциальной или кинетической.В этом разделе мы увидим, как энергия трансформируется из одной из этих форм в другую. Мы также увидим, что в замкнутой системе сумма этих форм энергии остается постоянной.

Немного потенциальной энергии получает автомобиль с американскими горками и его пассажиры, когда они поднимаются на вершину первого холма. Помните, что часть термина с потенциалом означает, что энергия была сохранена и может быть использована в другое время. Вы увидите, что эту накопленную энергию можно либо использовать для работы, либо преобразовать в кинетическую энергию.Например, когда объект, обладающий гравитационной потенциальной энергией, падает, его энергия преобразуется в кинетическую энергию. Помните, что и работа, и энергия выражаются в джоулях.

Вернитесь к Рисунку 9.3. Объем работы, необходимой для поднятия телевизора из точки A в точку B, равен количеству потенциальной энергии гравитации, которую телевизор получает от его высоты над землей. Обычно это верно для любого объекта, поднятого над землей. Если вся работа, выполняемая над объектом, используется для поднятия объекта над землей, объем работы равен приросту объекта в потенциальной энергии гравитации.Однако обратите внимание, что из-за работы, выполняемой трением, эти преобразования энергия-работа никогда не бывают идеальными. Трение вызывает потерю некоторой полезной энергии. В следующих обсуждениях мы будем использовать приближение, согласно которому преобразования происходят без трения.

Теперь давайте посмотрим на американские горки на рис. 9.6. Была проделана работа на американских горках, чтобы добраться до вершины первого подъема; в этот момент американские горки обладают гравитационной потенциальной энергией. Он движется медленно, поэтому обладает небольшой кинетической энергией.Когда автомобиль спускается по первому склону, его PE преобразуется в KE . В нижней точке большая часть оригинального PE была преобразована в KE , а скорость максимальна. По мере того, как автомобиль движется вверх по следующему склону, часть KE превращается обратно в PE , и автомобиль замедляется.

Рис. 9.6 Во время этой поездки на американских горках происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[OL] [AL] Спросите, имеют ли смысл определения энергии для класса, и постарайтесь выявить любые выражения недоумения или неправильных представлений.Помогите им совершить логический скачок: если энергия — это способность выполнять работу, логично, что она выражается в одной и той же единице измерения. Попросите учащихся назвать все возможные формы энергии. Спросите, помогает ли это им понять природу энергии. Спросите, есть ли у них проблемы с пониманием того, как могут работать некоторые формы энергии, например солнечный свет.

[BL] [OL] Вы можете ввести понятие контрольной точки как начальной точки движения. Свяжите это с началом координатной сетки.

[BL] Дайте понять, что энергия — это другое свойство с разными единицами, чем сила или мощность.

[OL] Помогите учащимся понять, что скорость, с которой доставляется телевизор, не входит в расчет PE . Предполагается, что скорость постоянна. Любой KE из-за увеличения скорости доставки будет потерян при остановке движения.

[BL] Убедитесь, что есть четкое понимание различия между кинетической и потенциальной энергией, а также между скоростью и ускорением.Объясните, что слово потенциал означает, что энергия доступна, но это не означает, что имеет для использования или будет использоваться .

Виртуальная физика

Основы Energy Skate Park

Это моделирование показывает, как кинетическая и потенциальная энергия связаны между собой в сценарии, аналогичном американским горкам. Наблюдайте за изменениями в KE и PE , щелкая по полям гистограммы. Также попробуйте три скейт-парка разной формы.Перетащите фигуриста на дорожку, чтобы запустить анимацию.

Проверка захвата

Это моделирование (http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park-basics) показывает, как связаны кинетическая и потенциальная энергии, в сценарии, аналогичном американским горкам. Наблюдайте за изменениями в KE и PE, нажимая на поля гистограммы. Также попробуйте три скейт-парка разной формы. Перетащите фигуриста на дорожку, чтобы запустить анимацию.

Гистограммы показывают, как KE и PE преобразуются взад и вперед.Какое утверждение лучше всего объясняет, что происходит с механической энергией системы при увеличении скорости?

  1. Механическая энергия системы увеличивается при отсутствии потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в кинетическую при увеличении скорости.
  2. Механическая энергия системы остается постоянной при условии отсутствия потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в кинетическую при увеличении скорости.
  3. Механическая энергия системы увеличивается при условии отсутствия потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в потенциальную при увеличении скорости.
  4. Механическая энергия системы остается постоянной при условии отсутствия потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в потенциальную при увеличении скорости.
Поддержка учителей
Поддержка учителей

На этой анимации показаны преобразования между KE и PE , а также изменение скорости в процессе.Позже мы можем вернуться к анимации, чтобы увидеть, как трение преобразует часть механической энергии в тепло и как сохраняется общая энергия.

На настоящих американских горках бывает много взлетов и падений, и каждый из них сопровождается переходами между кинетической и потенциальной энергией. Предположим, что на трение не теряется энергия. В любой момент поездки общая механическая энергия одинакова и равна энергии, которую автомобиль имел на вершине первого подъема. Это результат закона сохранения энергии, который гласит, что в замкнутой системе сохраняется полная энергия, то есть она постоянна.Используя индексы 1 и 2 для обозначения начальной и конечной энергии, этот закон выражается как

KE1 + PE1 = KE2 + PE2.KE1 + PE1 = KE2 + PE2.

Каждая сторона равна общей механической энергии. Фраза в закрытой системе означает, что мы предполагаем, что энергия не теряется в окружающую среду из-за трения и сопротивления воздуха. Если мы делаем расчеты для плотных падающих объектов, это хорошее предположение. Для американских горок это предположение вносит некоторую неточность в расчет.

Расчеты с использованием механической энергии и сохранения энергии

Советы для успеха

При вычислении работы или энергии используйте метры для расстояния, ньютоны для силы, килограммы для массы и секунды для времени. Это гарантирует, что результат будет выражен в джоулях.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Поразите учащихся значительным объемом работы, необходимой для того, чтобы привести автомобиль-американские горки к вершине первой, самой высокой точки.Сравните это с объемом работы, который потребуется, чтобы подняться на вершину американских горок. Спросите учащихся, почему они могут чувствовать усталость, если им пришлось идти или взбираться на вершину американских горок (они должны использовать энергию, чтобы приложить силу, необходимую для перемещения их тела вверх против силы тяжести). Убедитесь, что учащиеся могут правильно предсказать, что отношение массы автомобиля к массе человека будет соотношением проделанной работы и полученной энергии (например, если масса автомобиля в 10 раз больше массы человека, объем работы, необходимой для переместить машину на вершину холма будет в 10 раз больше работы, необходимой для подъема на холм).

Watch Physics

Сохранение энергии

В этом видео обсуждается преобразование PE в KE и сохранение энергии. Сценарий очень похож на американские горки и скейт-парк. Это также хорошее объяснение изменений энергии, изученных в лаборатории моментальных снимков.

Поддержка учителя
Поддержка учителя

Перед показом видео просмотрите все уравнения, касающиеся кинетической и потенциальной энергии и сохранения энергии.Также убедитесь, что учащиеся имеют качественное представление о происходящем преобразовании энергии. Вернитесь в лабораторию моментальных снимков и лабораторию моделирования.

Проверка захвата

Вы ожидали, что скорость внизу склона будет такой же, как при падении объекта прямо вниз? Какое утверждение лучше всего объясняет, почему это не совсем так в реальных жизненных ситуациях?

  1. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть большое трение.В реальной жизни большая часть механической энергии теряется в виде тепла из-за трения.
  2. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть небольшое трение. В реальной жизни большая часть механической энергии теряется в виде тепла из-за трения.
  3. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть большое трение.В реальной жизни механическая энергия не теряется из-за сохранения механической энергии.
  4. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть небольшое трение. В реальной жизни механическая энергия не теряется из-за сохранения механической энергии.

Рабочий пример

Применение закона сохранения энергии

Камень весом 10 кг падает со скалы высотой 20 м.Какова кинетическая и потенциальная энергия при падении камня на 10 м?

Стратегия

Выберите уравнение.

KE1 + PE1 = KE2 + PE2KE1 + PE1 = KE2 + PE2

9,4

КЕ = 12мв2; PE = mghKE = 12мв2; PE = mgh

9,5

12mv12 + mgh2 = 12mv22 + mgh312mv12 + mgh2 = 12mv22 + mgh3

9,6

Перечислите известные.

м = 10 кг, v 1 = 0, г = 9.80

h 1 = 20 м, h 2 = 10 м

Определите неизвестные.

KE 2 и PE 2

Подставьте известные значения в уравнение и найдите неизвестные переменные.

Решение

PE2 = mgh3 = 10 (9,80) 10 = 980 JPE2 = mgh3 = 10 (9,80) 10 = 980 Дж

9,8

KE2 = PE2− (KE1 + PE1) = 980 — {[0− [10 (9.80) 20]]} = 980 JKE2 = PE2− (KE1 + PE1) = 980 — {[0− [10 (9.80) 20] ]} = 980 Дж

9,9

Обсуждение

В качестве альтернативы можно было бы решить уравнение сохранения энергии для v 2 и KE 2 .Обратите внимание, что м также могут быть исключены.

Советы для успеха

Обратите внимание, что мы можем решить многие проблемы, связанные с преобразованием между KE и PE , не зная массы рассматриваемого объекта. Это потому, что кинетическая и потенциальная энергия пропорциональны массе объекта. В ситуации, когда KE = PE , мы знаем, что m g h = (1/2) m v 2 .

Разделив обе стороны на м и переставив, получим соотношение

2 g h = v 2 .

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Кинетическая и потенциальная энергия пропорциональны массе объекта. В ситуации, когда KE = PE , мы знаем, что m g h = (1/2) m v 2 .Разделив обе стороны на м и переставив, получим соотношение 2 g h = v 2 .

Практические задачи

5.

Ребенок скатывается с детской горки. Если высота горки 3 м, а вес ребенка 300 Н, сколько потенциальной энергии находится у ребенка в верхней части горки? (Круглый г до 10 м / с 2,10 м / с2.)

  1. 0 Дж
  2. 100 Дж
  3. 300 Дж
  4. 900 Дж

6.

Яблоко на яблони весом 0,2 кг имеет потенциальную энергию 10 Дж. Оно падает на землю, превращая весь свой PE в кинетическую энергию. Какова скорость яблока перед тем, как оно упадет на землю?

  1. 0 м / с
  2. 2 м / с
  3. 10 м / с
  4. 50 м / с

Snap Lab

Преобразование потенциальной энергии в кинетическую

В этом упражнении вы рассчитаете потенциальную энергию объекта и спрогнозируете скорость объекта, когда вся эта потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию.Затем вы проверите свой прогноз.

Вы будете сбрасывать предметы с высоты. Обязательно держитесь на безопасном расстоянии от края. Не наклоняйтесь слишком далеко через перила. Убедитесь, что вы не роняете предметы в место, где проезжают люди или автомобили. Убедитесь, что падающие предметы не вызовут повреждений.

Вам понадобится:

Материалы для каждой пары учеников:

  • Четыре шарика (или аналогичные маленькие, плотные предметы)
  • Секундомер

Материалы для класса:

  • Метрическая рулетка достаточной длины для измерения выбранной высоты
  • Шкала

Инструкции

Порядок действий

  1. Работа с партнером.Найдите и запишите массу четырех маленьких плотных объектов в каждой группе.
  2. Выберите место, где предметы можно будет безопасно сбросить с высоты не менее 15 метров. Хорошо подойдет мост через воду с безопасной пешеходной дорожкой.
  3. Измерьте расстояние, на которое объект упадет.
  4. Рассчитайте потенциальную энергию объекта перед его падением, используя PE = м g h = (9.80) mh.
  5. Предскажите кинетическую энергию и скорость объекта, когда он приземлится, используя PE = KE и, следовательно, mgh = mv22; v = 2 (9.80) h = 4.43h.mgh = mv22; v = 2 (9.80) h = 4.43h.
  6. Один партнер роняет предмет, а другой измеряет время, необходимое для его падения.
  7. По очереди будьте капельницей и таймером, пока не сделаете четыре измерения.
  8. Усредните ваше падение, умноженное на, и рассчитайте скорость объекта, когда он приземлился, используя v = a t = g t = (9.80) t .
  9. Сравните ваши результаты с вашим прогнозом.
Поддержка учителя
Поддержка учителя

Перед тем, как учащиеся приступят к лабораторной работе, найдите ближайшее место, где предметы можно безопасно уронить с высоты не менее 15 м.

По мере того, как учащиеся работают в лаборатории, предложите партнерам по лаборатории обсудить свои наблюдения. Поощряйте их обсуждать различия в результатах между партнерами. Спросите, есть ли какая-то путаница в используемых ими уравнениях и кажутся ли они верными на основании того, что они уже узнали о механической энергии.Попросите их обсудить эффект сопротивления воздуха и то, как плотность связана с этим эффектом.

Проверка захвата

Эксперименты Галилея доказали, что, вопреки распространенному мнению, тяжелые предметы не падают быстрее легких. Как уравнения, которые вы использовали, подтверждают этот факт?

  1. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии системы член массы отменяется, и скорость не зависит от массы.В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за ненулевого сопротивления воздуха.
  2. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии системы массовый член не отменяется, а скорость зависит от массы. В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за ненулевого сопротивления воздуха.
  3. Тяжелые объекты не падают быстрее, чем легкие, потому что при сохранении механической энергии в системе массовый член аннулируется, и скорость не зависит от массы.В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за нулевого сопротивления воздуха.
  4. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии системы массовый член не отменяется, а скорость зависит от массы. В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за нулевого сопротивления воздуха.

Проверьте свое понимание

7.

Опишите преобразование между формами механической энергии, которое происходит с падающим парашютистом перед раскрытием его парашюта.

  1. Кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.
  2. Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую.
  3. Работа превращается в кинетическую энергию.
  4. Кинетическая энергия превращается в работу.

8.

Верно или неверно. Если камень подбросить в воздух, увеличение высоты увеличит кинетическую энергию камня, а затем увеличение скорости при падении на землю увеличит его потенциальную энергию.

  1. Истинно
  2. Ложь

9.

Определите эквивалентные термины для накопленной энергии и энергии движения .

  1. Накопленная энергия — это потенциальная энергия, а энергия движения — это кинетическая энергия.
  2. Энергия движения — это потенциальная энергия, а запасенная энергия — это кинетическая энергия.
  3. Запасенная энергия — это потенциальная, а также кинетическая энергия системы.
  4. Энергия движения — это потенциальная, а также кинетическая энергия системы.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся не справляются с какой-либо конкретной целью, «Проверьте свое понимание» поможет определить, какая из них и направит учащихся к соответствующему содержанию.

ньютоновских механик — Сделанная работа = изменение KE или изменение механической энергии?

Резюме я поставил в начале.

Предположим, что масса $ m $ начинается из состояния покоя на высоте $ h $ от поверхности Земли, и кинетическая энергия массы $ m $ должна быть найдена, когда масса достигает поверхности.
Напряженность гравитационного поля равна $ g $ и сделаны следующие допущения:
— высота $ h $ намного меньше радиуса Земли, поэтому напряженность гравитационного поля можно считать постоянной.
— масса $ m $ намного меньше массы Земли, поэтому кинетической энергией Земли можно пренебречь.

Для системы Земля-масса

$$ KE_ \ text {поверхность} + PE_ \ text {поверхность} = KE_ \ text {height h} + PE_ \ text {height h} $$

$$ \ Rightarrow KE_ \ text {surface} = PE_ \ text {height h} — PE_ \ text {surface} = mgh $$

Для массовой системы $ m $

Работа, совершаемая внешней силой (гравитационное притяжение Земли), равна изменению кинетической энергии массы.
Это теорема работы-энергии.

$$ mg \ times h = KE_ \ text {surface} $$


Если вы хотите обсудить потенциальную энергию, вы должны включить как минимум два тела.2} $; у поверхности Земли напряженность гравитационного поля постоянна.
Обратите внимание, что мы должны ожидать, что работа, совершаемая внешней силой, будет положительной величиной, так как направление внешней силы и ее смещение совпадают — вверх.
Эта работа, совершаемая внешней силой, увеличивает гравитационную потенциальную энергию массы $ m $ (и Земли) на $ mgh $.
Обычно никто не рассматривает всю эту математику и просто предполагает, что сила гравитационного поля постоянна вблизи поверхности Земли.


Рассмотрим массу $ m $ как систему.
На Земле масса $ m $ имеет силу $ mg $, направленную вниз из-за гравитационного притяжения Земли.

Предположим, что на массу $ m $ действует внешняя сила в $ mg $, направленная вверх.

Чистая сила, действующая на массу $ m $, теперь равна нулю, и если масса перемещается на расстояние $ h $, работа, совершаемая с массой, равна нулю, и поэтому изменение кинетической энергии массы равно нулю.
Это теорема работы-энергии в действии.
Вы можете рассматривать эти две силы по отдельности.
Внешняя сила совершает положительную работу $ mgh $, поскольку внешняя сила и ее смещение находятся в одном направлении, а гравитационное притяжение совершает отрицательную работу $ -mgh $, поскольку гравитационная сила и ее смещение имеют противоположные направления.

С массой $ m $, находящейся сейчас на высоте $ h $, если масса высвободится и упадет на поверхность Земли, то работа, совершаемая внешней силой (гравитационное притяжение), составит $ + mgh $ (сила и смещение оба в одном направлении), и это приведет к тому, что масса набирает кинетическую энергию по теореме работы-энергии.

В терминах системы масса-Земля это последнее изменение можно описать, заявив, что система масса-Земля теряет гравитационную потенциальную энергию, а масса (и Земля) приобретает кинетическую энергию, но в целом нет изменений в общей энергии Земли. система.
Здесь действуют внутренние силы.
В этом последнем утверждении есть намек на то, что обычно делается предположение $ M \ gg m $ и кинетическая энергия, полученная Землей, не включается, поскольку она настолько мала по сравнению с кинетической энергией, полученной падающей массой $ m $ .

Эффективность человеческого тела — Физика тела: движение к метаболизму

Это сканирование с помощью фМРТ показывает повышенный уровень потребления энергии в зрительном центре мозга. Здесь пациента просили узнавать лица. Изображение предоставлено NIH через Wikimedia Commons

Все функции организма, от мышления до подъема тяжестей, требуют энергии. Многие мелкие мышечные движения, сопровождающие любую спокойную деятельность, от сна до чесания головы, в конечном итоге превращаются в тепловую энергию, как и менее заметные мышечные действия сердца, легких и пищеварительного тракта.Уровень , с которым организм использует энергию пищи для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется скоростью метаболизма. Общий коэффициент преобразования энергии человека в состоянии покоя называется скоростью основного обмена (BMR) и делится между различными системами в организме, как показано в следующей таблице:

Скорость основного обмена (BMR)
Орган Мощность, потребляемая в состоянии покоя (Вт) Потребление кислорода (мл / мин) Процент BMR
Печень и селезенка 23 67 27
Мозг 16 47 19
Скелетная мышца 15 45 18
Почки 9 26 10
Сердце 6 17 7
Другое 16 48 19
Итого 85 Вт 250 мл / мин 100%

Наибольшая часть энергии поступает в печень и селезенку, а затем в мозг.Около 75% калорий, сжигаемых за день, идет на эти основные функции. Полные 25% всей основной метаболической энергии, потребляемой организмом, используется для поддержания электрических потенциалов во всех живых клетках. (Нервные клетки используют этот электрический потенциал в нервных импульсах.) Эта биоэлектрическая энергия в конечном итоге становится в основном тепловой энергией, но некоторая часть используется для питания химических процессов, таких как почки и печень, а также при производстве жира. BMR является функцией возраста, пола, общей массы тела и количества мышечной массы (которая сжигает больше калорий, чем жировые отложения).Благодаря этому последнему фактору у спортсменов больше BMR. Конечно, во время интенсивных упражнений потребление энергии скелетными мышцами и сердцем заметно возрастает. Следующая диаграмма суммирует основные энергетические функции человеческого тела.

Самые основные функции человеческого тела сопоставлены с основными концепциями, рассматриваемыми в этом учебнике (химическая потенциальная энергия на самом деле является формой электрической потенциальной энергии, но мы не будем специально обсуждать электрическую потенциальную энергию в этом учебнике, поэтому мы разделили их.)

Тепло

Тело способно накапливать химическую потенциальную энергию и тепловую энергию внутри. Помня, что тепловая энергия — это просто кинетическая энергия атомов и молекул, мы признаем, что эти два типа энергии хранятся микроскопически и внутри тела. Поэтому мы часто объединяем эти два типа микроскопической энергии во внутреннюю энергию (). Когда объект теплее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться от объекта к окружению, но если объект холоднее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться объекту из его окружения.Количество тепловой энергии, обмениваемой из-за разницы температур, часто называют теплом (). Когда тепло передается из тела в окружающую среду, мы говорим, что это тепло выхлопных газов, как показано на предыдущем рисунке. Мы узнаем больше о том, как связаны температура и теплопередача, в следующем разделе.

Энергосбережение

Принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Следовательно, если тело выполняет полезную работу по передаче механической энергии своему окружению () или передаче тепловой энергии в окружающую среду в виде тепла, тогда эта энергия должна исходить из внутренней энергии тела.Мы наблюдаем это повсюду в природе как Первый закон термодинамики:

.

(1)

Тепловые двигатели

Ваше тело использует химическую потенциальную энергию, хранящуюся внутри, для выполнения работы, и этот процесс также генерирует тепловую энергию, которую вы выделяете в виде тепла выхлопных газов. Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащено большинство автомобилей, работают аналогичным образом, преобразуя химическую потенциальную энергию топлива в тепловую энергию посредством сгорания, затем преобразуя часть тепловой энергии в полезную работу и сбрасывая часть в тепло выхлопных газов.Ваше тело способно высвобождать химическую потенциальную энергию из вашей пищи без сгорания, что хорошо, потому что вы не можете использовать тепловую энергию вашей внутренней энергии для выполнения работы. Машины, которые могут использовать тепловую энергию для работы, например двигатель внутреннего сгорания, известны как тепловые двигатели. Тепловые двигатели по-прежнему подчиняются Первому закону термодинамики, поэтому любое тепло выхлопных газов должно быть тепловой энергией, которая не использовалась для работы. Тепловая энергия, которую можно использовать для работы, а не тратить впустую в виде тепла выхлопных газов, определяет эффективность теплового двигателя.

Эффективность человеческого тела в преобразовании химической потенциальной энергии в полезную работу известна как механическая эффективность тела. Мы часто вычисляем механический КПД тела в процентах:

(2)

Механическая эффективность тела ограничена, потому что энергия, используемая для метаболических процессов, не может быть использована для полезной работы. Дополнительная тепловая энергия, генерируемая во время химических реакций, приводящих в действие мышечные сокращения наряду с трением в суставах и других тканях, еще больше снижает эффективность людей..

«Увы, наши тела не могут эффективно преобразовывать энергию пищи в механическую продукцию. Но при КПД около 25 % мы на удивление хороши, учитывая, что большинство автомобилей имеют около 20 % , а кукурузное поле Айовы составляет всего около 1,5 % эффективности при преобразовании поступающего солнечного света в химическое хранилище [потенциальной энергии]. ” Для превосходного обсуждения механической эффективности человека и сравнения с другими машинами и источниками топлива см. MPG of a Human Тома Мерфи, источника предыдущей цитаты.

Повседневный пример: энергия для подъема по лестнице

Предполагая, что механический КПД при подъеме по лестнице составляет 20%, насколько уменьшится ваша внутренняя энергия, когда человек весом 65 кг поднимется по лестнице высотой 15 м ? Сколько тепловой энергии человек передает в окружающую среду в виде тепла выхлопных газов?

Во-первых, давайте вычислим изменение гравитационной потенциальной энергии:

Человек действительно работал над преобразованием химической потенциальной энергии своего тела в механическую энергию, в частности, в гравитационную потенциальную энергию.Однако их эффективность составляет всего 20%, а это означает, что только 1/5 химической потенциальной энергии, которую они используют, идет на полезную работу. Следовательно, изменение химической потенциальной энергии должно быть в 5 раз больше, чем мощность механической работы

.

Используемая химическая потенциальная энергия возникла из внутренней энергии человека, поэтому:

Мы можем использовать Первый закон термодинамики, чтобы найти тепловую энергию, исчерпываемую человеком:

(3)

Перестановка на:

Мы обнаружили, что тепло отрицательно, что имеет смысл, потому что человек истощает тепловую энергию из тела в окружающую среду, поднимаясь по лестнице.

В качестве альтернативы мы могли бы сразу знать, что тепло выхлопных газов должно составлять 4/5 от общей потери внутренней энергии, потому что только 1/5 идет на выполнение полезной работы. Итак, тепло выхлопа должно быть:

По историческим причинам мы часто измеряем тепловую энергию и тепло в единицах калорий ( кал ) вместо джоулей. Есть 4,184 Джоулей на калорию. Мы измеряем химическую потенциальную энергию, хранящуюся в пище, в единицах 1000 калорий или килокалорий ( ккал ), и иногда мы записываем килокалории как калории ( кал ) с заглавной буквы C вместо строчной c .Например, бублик с 350 кал содержит 350 ккал или 350 000 кал . Если перевести в Джоули, это будет бублик.

Примеры на каждый день

Какую долю бублика вам нужно съесть, чтобы восполнить потерю внутренней энергии (в виде химической потенциальной энергии) 47 775 Дж , которую мы рассчитали в предыдущем повседневном примере с подъемом по лестнице?

Есть 1,464,400 J / бублик

Следовательно нам нужно съесть:

Пульсоксиметр — это прибор, который измеряет количество кислорода в крови.Оксиметры можно использовать для определения скорости метаболизма человека, то есть скорости преобразования пищевой энергии в другую форму. Такие измерения могут указывать на уровень спортивной подготовки, а также на наличие определенных медицинских проблем. (кредит: UusiAjaja, Wikimedia Commons)

Пищеварительный процесс — это в основном процесс окисления пищи, поэтому потребление энергии прямо пропорционально потреблению кислорода. Таким образом, мы можем определить реальную энергию, потребляемую во время различных видов деятельности, измеряя использование кислорода.В следующей таблице показаны уровни потребления кислорода и соответствующей энергии для различных видов деятельности.

Нормы потребления энергии и кислорода в среднем для мужчин 76 кг
Активность Энергопотребление в ваттах Расход кислорода в литрах O 2 / мин
Спящий 83 0,24
Сидят в состоянии покоя 120 0.34
Стоя расслабленно 125 0,36
Сидят в классе 210 0,60
Ходьба (5 км / ч) 280 0,80
Езда на велосипеде (13–18 км / ч) 400 1,14
Дрожь 425 1,21
Играет в теннис 440 1,26
Плавание брасс 475 1.36
Катание на коньках (14,5 км / ч) 545 1,56
Подъем по лестнице (116 об / мин) 685 1,96
Езда на велосипеде (21 км / ч) 700 2,00
Бег по пересеченной местности 740 2,12
Играет в баскетбол 800 2,28
Велоспорт, профессиональный гонщик 1855 5.30
Спринт 2415 6,90

Примеры на каждый день: снова восхождение по лестнице

В предыдущих примерах мы предполагали, что наша механическая эффективность при подъеме по лестнице составляет 20%. Давайте воспользуемся данными из приведенной выше таблицы, чтобы проверить это предположение. Данные в таблице приведены для человека весом 76 кг и , который поднимается по 116 ступеням в минуту. Давайте посчитаем скорость, с которой этот человек выполнял механическую работу, поднимаясь по лестнице, и сравним скорость, с которой он израсходовал внутреннюю энергию (первоначально из пищи).

Минимальная стандартная высота ступеньки в США составляет 6,0 дюймов (0,15 м ), тогда гравитационная потенциальная энергия человека весом 76 кг будет увеличиваться на 130 Дж с каждым шагом, как рассчитано ниже:

При подъеме по 116 ступеням в минуту скорость использования энергии или мощности будет:

Согласно нашей таблице данных, тело использует 685 W для подъема по лестнице с такой скоростью. Подсчитаем КПД:

В процентном отношении этот человек имеет 32% механической эффективности при подъеме по лестнице.Возможно, мы недооценили в предыдущих примерах, когда предполагали, что эффективность подъема по лестнице составляет 20%.

Мы часто говорим о «сжигании» калорий, чтобы похудеть, но что это на самом деле означает с научной точки зрения ?. Во-первых, мы действительно имеем в виду потерю массы, потому что это мера того, сколько веществ находится в нашем теле, а вес зависит от того, где вы находитесь (на Луне все по-другому). Во-вторых, наши тела не могут просто обмениваться массой и энергией — это разные физические величины и даже не одинаковые единицы.Так как же нам похудеть, тренируясь? На самом деле мы не удаляем атомы и молекулы, из которых состоят такие ткани тела, как жир, «сжигая» их. Вместо этого мы расщепляем молекулы жира на более мелкие молекулы, а затем разрываем связи внутри этих молекул, высвобождая потенциальную химическую энергию, которую мы в конечном итоге преобразуем в работу и отводим тепло. Атомы и более мелкие молекулы, образовавшиеся в результате разрыва связей, объединяются, образуя углекислый газ и водяной пар (CO 2 и H 2 O), и мы выдыхаем их.Мы также выделяем небольшое количество H 2 O с потом и мочой. Процесс похож на сжигание дров в костре — в итоге у вас остается намного меньше массы золы, чем у оригинальной древесины. Куда делась остальная масса? В воздух как CO 2 и H 2 O. То же самое верно и для топлива, сжигаемого вашей машиной. Подробнее об этой концепции смотрите в первом видео ниже. Поистине удивительный факт заключается в том, что ваше тело завершает этот химический процесс без чрезмерных температур, связанных с сжиганием древесины или топлива, которые могут повредить ваши ткани.Уловка организма заключается в использовании ферментов, которые представляют собой узкоспециализированные молекулы, которые действуют как катализаторы для повышения скорости и эффективности химических реакций, как описано и анимировано в начале второго видео ниже.

Подобно эффективности тела, эффективность любого энергетического процесса может быть описана как количество энергии, преобразованной из входной формы в желаемую форму, деленное на исходное входное количество.Следующая диаграмма показывает эффективность различных систем при преобразовании энергии в различные формы. Диаграмма не учитывает стоимость, риск опасности или воздействие на окружающую среду, связанное с требуемым топливом, строительством, техническим обслуживанием и побочными продуктами каждой системы.

Эффективность человеческого тела по сравнению с другими системами
Система Форма входной энергии Желаемая форма вывода Макс.эффективность
Человеческое тело Химический потенциал Механический 25%
Автомобильный двигатель Химический потенциал Механический 25%
Турбинные электростанции, работающие на угле / нефти / газе Химический потенциал Электрооборудование 47%
Газовые электростанции комбинированного цикла Химический потенциал Электрооборудование 58%
Биомасса / Биогаз кинетическая Электрооборудование 40%
Ядерная кинетическая Электрооборудование 36%
Солнечно-фотоэлектрическая электростанция Солнечный свет (электромагнитный) Электрооборудование 15%
Солнечно-тепловая электростанция Солнечный свет (электромагнитный) Электрооборудование 23%
Гидроэлектростанции и приливные электростанции Гравитационный потенциал Электрооборудование 90% +

Просмотрите вкладку энергетических систем в этом моделировании, чтобы визуализировать различные системы преобразования энергии

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.