Закон збереження і перетворення енергії

05.07.2015

Обчислення зміни внутрішньої енергії при виконанні роботи

Досвід Джоуля. Вище говорилося, що з допомогою механічної роботи можна отримати необмежену кількість теплоти. Тут виникає питання: чи існує при цьому між механічною роботою і теплотою певне кількісне співвідношення? Інакше кажучи, за рахунок однакової кількості роботи виходить одне і те ж кількість теплоти? Для відповіді на це питання англійський учений Д. Джоуль виконав серію дослідів, які дали ствердну відповідь. Свій перший досвід він зробив у 1843 р.

На рис, 8.1 зображена схема одного з дослідів Джоуля. Установка складалася з калориметра з ртуттю.

Закон збереження і перетворення енергії

Через калориметр проходила вісь, що закінчується валиком з ручкою. На валик намотувалася нитка, до кінців якої були прикріплені рівні вантажі масою m кожен. Поряд з вантажами зміцнювалися лінійки, за допомогою яких вимірювали переміщення вантажів. Для посилення тертя при русі вантажів усередині калориметра робилися виступи, а до осі прикріплювалися лопаті.

Перед початком досвіду з допомогою ручки вантажі піднімали в верхнє положення і вимірювали температуру ртуті. Потім ручка звільнялася, і при русі вниз вантажі приводили в обертання лопаті усередині калориметра. При цьому, внаслідок великого тертя між лопатями і ртуттю, в калориметре виділялося тепло за рахунок роботи, яка виконується при русі вантажів на певному шляху А. Оскільки тертя в інших частинах установки було мізерно малим, можна вважати, що в цьому досвіді збільшення внутрішньої енергії калориметра зменшення механічної енергії вантажів у процесі їх руху.

Джоуль вважав, що кількість теплоти Q , Виділене в калориметре, дорівнює роботі вантажів 2 Mgh (у ті часи закон збереження енергії ще не був твердо встановлений). Такого роду дослідами Джоулю вдалося довести, що Кількість теплоти, виділене при терті, прямо пропорційно виконаній роботі.

За сучасними даними, Для нагрівання 1 кг Води Від 292,5 До 293,5 До, , тобто 1, Потрібно 4186,8 Дж Енергії. Це означає, що питома теплоємність води

Закон збереження і перетворення енергії

Закон збереження і перетворення енергії в механіці

Назвемо процеси, при яких не відбувається перетворення механічного руху в інші форми руху матерії, ч и с т о м е х а н і ч її к і м і. Система, в якій відбуваються чисто механічні процеси, називається консервативною. Ця система є ідеалізованою, тому що в ній відсутні сили тертя та інші шкідливі опору, що призводять до розсіювання механічної енергії, тобто до її перетворення в інші форми енергії.

У консервативній системі може відбуватися лише перетворення кінетичної енергії в потенційну і навпаки. Робота сил, діючих на тіло в консервативній системі, не залежить від форми шляху, а визначається тільки початковим і кінцевим положенням тіла. Нагадаємо, що прикладом такого роду сил є сила тяжіння. З сказаного слід, що у консервативній системі робота сили на замкнутому шляху дорівнює нулю. Для такої системи справедливий закон збереження енергії в наступній формі:

Замкнутої консервативної системи сума кінетичної і потенціальної енергії всіх тіл, що складають систему, є величина постійна.

Якщо позначити цю суму Е, то при відсутності зовнішніх впливів на консервативну систему

Е=сonst. (8.1)

Наприклад, при вільному падінні тіла сума його кінетичної і потенційної енергій залишається постійною.

Згадаймо, що Єдиною мірою передачі механічної енергії від одного тіла до іншого є робота А. Тому, якщо механічна енергія консервативної системи у якому-небудь стані дорівнює Е1, А потім зовнішні сили здійснюють над цією системою роботу А, то енергія системи зростає на І в новому стані стає рівною Е2. Отже, в цьому випадку

Е2 — Е1 = A. (8.2)

Нагадаємо, що в більш широкому сенсі механічна робота При будь-яких явищах природи служить єдиною мірою передачі і перетворення механічного руху в інші форми руху матерії і назад.

Закон збереження й перетворення енергії в механічних і теплових процесах.

У § 8.2 було пояснено, що механічна енергія зберігається тільки при відсутності тертя та інших опорів* Дія сил тертя призводить до зменшення механічної енергії. Дійсно, після вимкнення двигуна автомобіль поступово втрачає кінетичну енергію і зупиняється; скотившись з гори, санки поступово втрачають швидкість і т. д. Неважко зміркувати, що безслідне зникнення енергії в такого роду випадках є лише гаданим. Детальні дослідження показали, що при цьому завжди відбувається виділення деякої кількості теплоти, тобто нагрівання тертьових тіл, а це означає збільшення їх внутрішньої енергії. Таким чином, при терті і взагалі при будь-якому опорі руху відбувається перетворення механічної енергії у внутрішню енергію.

Досліди Джоуля довели, що А і Q при цьому прямо пропорційні один одному, а якщо їх вимірювати в однакових одиницях (у джоулях), то і дорівнюють один одному. Отже, зменшення механічної енергії тіл при дії сил тертя в точності дорівнює збільшенню внутрішньої енергії всіх тіл, які беруть участь у такому процесі.

Це означає, що Сума механічної і внутрішньої енергії всіх тіл, складаючих замкнуту систему, є величина постійна. Інакше кажучи, сумарна зміна механічної і внутрішньої енергії всіх тіл замкненої системи в будь-якому процесі, знайдене за виконаної роботи і переданої теплоти, що дорівнює нулю.

Вивчення явищ природи показало, що зміна енергії тіла відбувається тільки при виконанні роботи і при теплообміні.

Отже, робота і кількість теплоти — єдино можливі форми обміну енергією між тілами. Таким чином, передане тілу кількість теплоти Q і виконана цим тілом робота Над іншими тілами однозначно визначають зміну його внутрішньої енергії у будь-якому процесі.

Німецький лікар Р. Майєр в 1642 р. звернув увагу на взаємну превращаемость всіх форм руху матерії один в одного і намагався поширити принцип збереження енергії на всі явища природи. Однак науково обґрунтував цей принцип у 1847 р. німецький вчений Г, Гельмгольц.

Сформулюємо тепер закон збереження і перетворення е н ер р і в.

Енергія замкнутої системи ніколи не зникає і не створюється з нічого. При всіх явищах всередині системи вона лише перетворюється з одного виду в інший або передається від одного тіла до іншого не змінюючись кількісно.

Відкриття цього закону сприяла ідея створення вічного двигуна — «перпетуум мобіле» (у перекладі з латинського — «вічний рух»). Таку машину, яка працювала б за замкненим циклом і за один цикл віддавала б оточуючим тілам більше енергії, ніж отримувала від них, називають вічним двигуном першого роду. Подібна машина була б невичерпним джерелом енергії і могла б працювати невизначено довгий час.

Постійні невдачі «винахідників» такої машини переконали вчених у тому, що принцип її дії суперечить законам природи, точніше кажучи, законом збереження енергії. Тому закон збереження і перетворення енергії можна виразити так: Вічний двигун першого роду неможливий.

Закон збереження енергії є загальним законом природи, на якому базується все сучасне природознавство. З його допомогою перевіряються: нові теорії і оцінюються результати нових експериментів. Порушення цього закону у яких-небудь явищах природи призвело б до повної перебудови всіх природничих наук і до зміни нашого світобачення.

Додаткові матеріали

Короткий опис статті: закон збереження механічної енергії

Джерело: Закон збереження і перетворення енергії

Також ви можете прочитати