Народна Освіта » Фізика » § 22. Перетворення енергії в механічних і теплових процесах

НАРОДНА ОСВІТА

§ 22. Перетворення енергії в механічних і теплових процесах

Формулюючи закон збереження і перетворення енергії в механічних процесах, ми звертали увагу на те, що він виконується тоді, коли в замкненій системі діють лише сили тяжіння і сили пружності, а тертя відсутнє. Дія сил тертя і виконання роботи з їх подолання спричиняє нагрівання тіл, що взаємодіють. Унаслідок такої взаємодії механічний рух перетворюєть-

ся на інший вид руху — тепловий рух частинок, із яких складаються тіла, що взаємодіють. Відповідно, зміна механічної енергії тіла може привести до зміни його внутрішньої енергії. Енергія — це загальна характеристика будь-яких рухів і взаємодій. Тому у фізиці зміни в одному виді руху і взаємодії, які зумовлюють зміни в інших видах руху і взаємодій, називають перетворенням одного виду енергїі в інший.

Коли свинцева кулька падає на сталеву плиту, вона не відскакує від неї, її швидкість відносно плити дорівнює нулю. Проте внаслідок взаємодії кульки з плитою нагріваються і кулька, і плита — змінюється їхня внутрішня енергія. Механічна енергія кульки перетворюється на внутрішню енергію плити і кулі.

Механічна енергія може перетворюватися на внутрішню (теплову) енергію.

Серед тих, хто сумнівався в існуванні теплецю, був і Бенджамін Румфорд (1753—1814 рр.). У 1798 р. він провів експеримент, який переконливо це доводив.

Дослід полягав у наступному. На той час спосіб виготовлення гармат був таким. Спочатку з металу виливали суцільний гарматний ствол, а потім у ньому висвердлювали канал для ядер. Для цього використовували великі свердла. Свердла кріпили у спеціальному свердлильному станку, рух якому надавали коні, що ходили по колу (мал. 1.58). Румфорд помітив, що під час свердління стволи дуже нагріваються. На його думку, причина нагрівання — сили тертя,

які виникають під час обертання свердла, і, відповідно, виконання механічної роботи. Щоб під час свердління виконати більшу роботу, Румфорд використав тупе свердло, а ствол гармати помістив у діжку з водою. Його припущення підтвердилося: у процесі свердління тупим свердлом виділення теплоти виявилося настільки значним, що досить швидко вода у діжці закипіла. Це справило неабияке враження на свідків, що спостерігали за проведенням досліду.

У XIX ст. англійський вчений Д. Джоуль (1818— 1889 рр.) на підставі низки експериментів довів, що певній кількості теплоти завжди відповідає певне значення виконаної над тілом роботи, і встановив кількісне співвідношення між теплотою і роботою.

Проте не тільки механічний рух може перетворюватися на тепловий, а енергія механічного руху — на внутрішню енергію. Виконаємо простий дослід. У пробірку наллємо воду і закриємо її корком (мал. 1.59). Якщо нагріти пробірку на спиртівці так, щоб вода закипіла, то через деякий час корок вилетить. Його виштовхує пара води, що утворилася під час кипіння. Теплота, одержана внаслідок згоряння палива (спирту), витрачається на збільшення внутрішньої енергії води та перетворення її на пару. Внутрішня енергія нагрітої до 100 °С пари більша за внутрішню енергію води. Тиск пари у разі збільшення кількості молекул, що вилітають із води під час кипіння, зростає. Нагріта пара виконує роботу, надаючи корку кінетичну енергію: внутрішня енергія пари перетворюється на кінетичну енергію корка.

За рахунок внутрішньої енергії пари можна виконати й корисну роботу, наприклад, підняти вантаж на деяку висоту. Товстостінну колбу з водою закриємо корком із вставленою в нього трубкою і приєднаємо до циліндра з легко рухомим поршнем (мал. 1.60). Ця установка фактично нічим не відрізняється від пробірки, закритої корком, тільки замість корка — поршень, на який можна покласти вантаж. Якщо нагрівати колбу, то вода кипітиме й утворюватиметься значна кількість пари. Чим довше кипить вода, тим більшою стають густина і тиск пари. Коли сила тиску F, яка діє на поршень, почне перевищувати вагу його та покладеного на нього вантажу, пор-

шень підніметься на деяку висоту h. Зміна внутрішньої енергії пари спричиняє зміну механічної енергії, і виконану роботу можна знайти так: А = Fh.

Внутрішня енергія може перетворюватися на механічну енергію.

У середині XIX ст. німецький вчений Ю. Майєр (1814— 1878 рр.) та англійський вчений Д. Джоуль на підставі аналізу результатів багатьох дослідів і спостережень відкрили закон збереження і перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Найточніше цей закон сформулював німецький вчений Г. Гельмгольц (1821 —1894 рр.), який вперше математично його обґрунтував і показав всезагальність.

В ізольованій системі енергія може перетворюватися з однієї форми на іншу, але загальна її кількість не змінюється.

Оскільки енергія є кількісною характеристикою руху і взаємодії тіл та атомів і молекул, з яких вони складаються, закон збереження енергії можна сформулювати так: рух зберігається і його не можна зупинити, він є найважливішою властивістю матерії. Із закону збереження і перетворення енергії випливає, що існує багато видів руху, наприклад механічний, тепловий, “електричний” тощо, які можуть перетворюватися з

одного на інший. Але за будь-яких із цих перетворень виконується принцип “еквівалентності”, тобто рух нікуди не зникає і не виникає “з нічого”.

Закон збереження енергії у багатьох випадках ніби суперечить нашому повсякденному досвіду. Часто здається, що рух припиняється і енергія тіла нібито зникає. М’яч, кинутий на підлогу, з часом припиняє підстрибувати і зупиняється. Потяг загальмував — його кінетична енергія зникла. Акумулятор вашого мобільного телефона виснажився — більша частина його хімічної енергії зникла. Можна навести безліч прикладів, які нібито підтверджують зникнення енергії. Однак, якщо детально проаналізувати ці явища, можна переконатися, що при зникненні одного виду енергії завжди одночасно виникає щонайменше один інший вид енергії. Енергія не зникає, а перетворюється на один або декілька інших видів енергії. Кінетична енергія м’яча здебільшого перетворюється на внутрішню (теплову) енергію, потяга, що загальмував, — на теплову, а хімічна енергія акумулятора мобільного телефона під час його роботи — в енергію радіохвиль, енергію світла і звуку.

Оскільки енергія характеризує рух тіла, рух і взаємодію атомів та молекул, з яких воно складається, то закон збереження енергії виражає найважливішу властивість матерії: збереження її руху. Існують різні види руху матерії, які можуть перетворюватися з одного в інший. У зв’язку із практичним використанням енергії зазвичай йдеться про втрату енергії з точки зору можливості її корисного використання. Проте така втрата енергії не суперечить закону збереження енергії. Втрачена енергія не зникла: просто частина енергії перетворилася не в ту форму, яка нам на разі потрібна.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Які факти свідчать про можливість перетворення енергії одного виду в інший?

2.    Наведіть приклади перетворення механічної енергії на теплову?

3.    Наведіть приклади перетворення теплової енергії на механічну?

4.    Сформулюйте закон збереження і перетворення енергії.

5.    Яку загальну властивість матерії відображає закон збереження і перетворення енергії?

6.    На скільки нагрівається кожен кілограм води, падаючи з 60-метрової висоти греблі Дніпровської ГЕС?

7.    На яку висоту можна було б підняти вантаж масою 420 кг, скориставшись усією енергією, що виділяється під час

охолодження склянки (200 г) води від 100 до 20 °С?

8*. Два шматочки льоду, кожний масою 50 г, із початковою температурою -6 °С, труть один об одний у вакуумі за допомогою електромеханічного приводу. Двигун приводу розвиває потужність 12 Вт. Через який час лід розтане? Втратами механічної енергії нехтували.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 20:43, Переглядів: 3867