Приведите примеры изменения внутренней энергии тел при трении: Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения … сжатии

Содержание

Примеры изменения внутренней энергии тела при ударе. Способы изменения внутренней энергии. Примеры изменения внутренней энергии

Как изменить механическую энергию тела? Да очень просто. Поменять его местоположение или придать ему ускорение. Например, пнуть мячик или поднять его над землей повыше.

В первом случае мы изменим его кинетическую энергию, во втором потенциальную. А как обстоит дело с внутренней энергией? Каким способом изменить внутреннюю энергию тела? Для начала разберемся, что же это такое. Внутренняя энергия — это кинетическая и потенциальная энергия всех частиц, из которых состоит тело. В частности, кинетическая энергия частиц — это энергия их движения. А скорость их движения, как известно, зависит от температуры. То есть, логичный вывод — повышая температуру тела, мы повысим его внутреннюю энергию. Самый простой способ повысить температуру тела — это теплообмен. При контакте тел с разной температурой более холодное тело нагревается за счет более теплого. Более теплое тело в этом случае охлаждается.

Простой ежедневный пример: холодная ложка в чашке с горячим чаем очень быстро нагревается, а чай при этом чуть-чуть остывает. Повышение температуры тела возможно и другими способами. Как мы все поступаем, когда у нас на улице замерзают лицо или руки? Мы трем их. При трении предметы нагреваются. Также предметы нагреваются при ударах, давлении, то есть, иными словами, при взаимодействии. Всем известно, как добывали огонь в древности — либо терли деревяшки друг о друга, либо стукали кремнием по другому камню. Также и в наше время в кремниевых зажигалках используется трение металлического стержня о кремень.

До сих пор речь шла о изменении внутренней энергии путем изменения кинетической энергии составляющих его частиц. А как насчет потенциальной энергии этих же самых частиц? Как известно, потенциальная энергия частиц — это энергия их взаиморасположения. Таким образом, для изменения потенциальной энергии частиц тела, нам надо тело деформировать: сжать, скрутить и так далее, то есть, изменить расположение частиц друг относительно друга.

Это достигается путем воздействия на тело. Мы меняем скорость отдельных частей тела, то есть совершаем над ним работу.

Примеры изменения внутренней энергии

Таким образом, все случаи воздействия на тело с целью изменения его внутренней энергии достигаются двумя способами. Либо путем передачи ему тепла, то есть теплопередачей, либо путем изменения скорости его частиц, то есть совершением над телом работы.

Примеры изменения внутренней энергии — это практически все происходящие в мире процессы. Не меняется внутренняя энергия частиц в случае, когда с телом абсолютно ничего не происходит, что согласитесь, крайняя редкость — закон сохранения энергии действует. Вокруг нас все время что-то происходит. Даже с предметами, с которыми на первый взгляд ничего не происходит, на самом деле происходят различные незаметные нам изменения: незначительные изменения температуры, небольшие деформации и так далее. Стул прогибается под нашей тяжестью, у книги на полке чуть-чуть изменяется температуру от каждого движения воздуха, не говоря уже про сквозняки.

Ну а что касается живых тел — тут понятно без слов, что в них внутри все время что-то происходит, и внутренняя энергия меняется практически в каждый момент времени.

676. Является ли тепловым движением вращение искусственного спутника вокруг Земли?
Нет, не является. Тепловое движение – это беспорядочное движение молекул и атомов, из которых состоит тело.

677. Движение молекул газа можно назвать тепловым движением?
Тепловое движение – это процесс хаотичного движения частиц. Молекулы газа движутся хаотично, поэтому их движение можно назвать тепловым.678. Можно ли сказать, что явление диффузии вызвано тепловым движением?
Тепловое движение – это процесс хаотичного движения частиц в веществе. Диффузия – процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества в другое. Процесс взаимного проникновения вызван хаотичным движением атомов и молекул, следовательно, явление диффузии вызвано тепловым движением.

679. Что происходит с тепловым движением при повышении температуры?
При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается.

680. Изменится ли кинетическая и потенциальная энергии молекул воды в плотно закупоренной банке с холодной водой, если ее погрузить в горячую воду?
Температура в банке будет увеличиваться за счет явления теплообмена, тем самым увеличивая кинетическую энергию. Потенциальная энергия останется неизменной, так как она зависит от расстояния между молекулами, а оно не изменяется.

681. Свободно падающий мяч, ударившись об асфальт, опять подскакивает, но никогда не поднимается до начальной высоты, с которой упал. Почему?

Потому что кинетическая энергия мяча тратится на преодоление сопротивления воздуха и сил земного тяготения.

682. Вверх подбрасывают монетку. Какие превращения энергии происходят при подъеме монетки? при ее падении? в момент удара об асфальт?
При увеличении высоты подъема монетки возрастает ее потенциальная энергия, а кинетическая убывает. В наивысшей точке потенциальная энергия максимальна, а кинетическая минимальна. При начале падения кинетическая энергия возрастает, а потенциальная убывает. В момент перед ударом кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна. При ударе происходит преобразование части энергии в тепло, а также в энергию деформации.

683. Почему при ударе об асфальт монетка нагревается?
Потому что часть энергии монетки переходит в тепловую.

684. В один стакан налита горячая вода, в другой – холодная вода той же массы. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией?

В стакане с горячей водой молекулы двигаются быстрее, чем в холодной. Поэтому горячая вода обладает большей внутренней энергией.

685. Приведите примеры изменения внутренней энергии тел при их сжатии.
Нагревание воздуха в поршне насоса.

686. Как меняется внутренняя энергия тел при трении? Приведите примеры.
Увеличивается. Заточка ножа на точильном камне; трение шин автомобиля при торможении.

687. Меняется ли внутренняя энергия тел при ударе? Приведите примеры.
При ударе внутренняя энергия тел увеличивается. Работа молотка; отскок мяча от пола.

688. Почему происходит изменение внутренней энергии пружины при ее сжатии?
При сжатии пружины возрастает ее потенциальная энергия. Следовательно, внутренняя энергия возрастает.

689. Происходит ли изменение внутренней энергии газа при его расширении?


При расширении газ производит работу против внешних сил, внутренняя энергия его при этом уменьшается.

690. Что происходит с внутренней энергией жидких и твердых тел при их нагревании?
Происходит увеличение внутренней энергии за счет увеличения скорости движения частиц.

691. Меняется ли внутренняя энергия льда при его таянии?
При таянии льда внутренняя энергия увеличивается за счет подвода теплоты излучением и теплопередачей.

692. Сила трения совершает над телом работу. Какие признаки свидетельствуют об изменении внутренней энергии тела?
При совершении работы трения тело нагревается, кинетическая энергия увеличивается и вызывает увеличение внутренней энергии.





Задачи: 1. После обработки на точильном круге зубило становится горячим. Зубило, вынутое из горна, тоже горячее. Одинакова ли причина повышения температуры зубил? 2. При трении головки спички о коробок спичка воспламеняется. Объясните явление. 3. Спичка загорается при трении ее о коробок. Она вспыхивает и при внесении ее в пламя свечи. В чем сходство и различие причин, приведших к воспламенению спички в обоих случаях. 4. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения работы при: трении, ударе, сжатии. 5. Почему пила нагревается, если ею пилить длительное время? 6. Почему, если быстро скользить вниз по шесту или канату, можно обжечь руки?

7. Почему коньки легко скользят по льду, а по стеклу, поверхность которого более гладкая, на коньках кататься невозможно? 8. Почему при вбивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, а когда гвоздь уже вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку? 9. Что является причиной сильного нагревания и сгорания искусственных спутников Земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы?

Внутренняя энергия, Два способа изменения внутренней энергии

Изучая курс механики, мы ознакомились с понятием механической энергии и знаем, что механическая энергия — это сумма кинетической энергии, обусловленной движением тел, и потенциальной энергии, обусловленной их взаимодействием. Если тела взаимодействуют посредством сил тяготения и упругости, то механическая энергия сохраняется.

Механическая энергия убывает, если между телами действует сила трения скольжения. При этом тела нагреваются, а мы уже знаем, что повышение температуры означает увеличение энергии хаотического движения частиц. Однако механическая энергия может уменьшаться и без повышения температуры.

Например, если тереть лед при температуре 0 ° С, он будет превращаться в воду, температура которой — также 0 ° С. На что же превращается при этом механическая энергия? Она превращается в потенциальную энергию взаимодействия молекул.

В процессе преобразования льда на воду эта потенциальная энергия увеличивается. Мы говорим, что в обоих случаях увеличивается внутренняя энергия тела. Итак,

? внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотического движения всех частиц, входящих в состав тела, и потенциальной энергии их взаимодействие друг с другом.

Примеры изменения внутренней энергии: нагрева и остывания; плавления и кристаллизация; испарение и конденсация, химические реакции; ядерные реакции.

Два способа изменения внутренней энергии

Изменить внутреннюю энергию тела можно двумя способами:

1) осуществляя над телом работу (например, если сжимать газ в теплоизолированной емкости, то он нагревается)

2) с помощью теплопередачи, т.е. без совершения работы (например, вследствие контакта тел разной температуры их температуры выравниваются, то есть внутренняя энергия более нагретого тела уменьшается, а менее нагретого — увеличивается).

Количественную меру изменения внутренней энергии в процессе теплопередачи называют количеством теплоты и обозначают Q. Количество теплоты измеряется в джоулях.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Приведите примеры преобразования механической энергии на внутреннюю и обратно.

2. От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела?

3. Приведите примеры изменения внутренней энергии путем совершения работы или путем теплопередачи.

4. В любом процессе внутренняя энергия газа не меняется? Почему?

5. Что называют количеством теплоты?


Способы изменения внутренней энергии ❤️

Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию. При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.

Проделаем опыт. Укрепим на подставке тонкостенную латунную трубку. Нальем в нее немного эфира и плотно закроем пробкой.

Теперь обовьем трубку веревкой и начнем натирать ею трубку, быстро вытягивая веревку то в одну, то в другую сторону. Через некоторое

время внутренняя энергия трубки с эфиром возрастет настолько, что эфир закипит и образовавшийся пар вытолкнет пробку (рис. 60).

Этот опыт показывает, что внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения над телом работы, в частности трением.

Изменяя внутреннюю энергию куска дерева путем трения, наши предки добывали огонь. Температура воспламенения дерева равна 250 °С. Поэтому, чтобы получить огонь, нужно тереть одним куском дерева по другому до тех пор, пока их температура не достигнет этого значения.

Легко ли это? Когда таким

способом попробовали добыть огонь герои романа Жюля Верна «Таинственный остров», у них ничего не вышло.

«Если бы энергию, которую затратили Наб с Пенкрофом, можно было превратить в тепло, ее, наверное, хватило бы для отопления котла океанского парохода. Но результат их усилий равнялся нулю. Куски дерева, правда, разогрелись, но значительно меньше, чем сами участники этой операции.

После часа работы Пенкроф был весь в поту и с досадой отбросил куски дерева, сказав: — Не говорите мне, что дикари добывают огонь таким образом! Я скорее поверю, что летом идет снег. Легче, пожалуй, зажечь собственные ладони, потирая их одну о другую».

Причина их неудачи заключалась в том, что огонь следовало добывать не простым трением одного куска дерева о другой, а сверлением дощечки заостренной палочкой (рис. 61). Тогда при определенной сноровке можно за 1 с увеличить температуру в гнезде палочки на 20 °С.

А чтобы довести палочку до горения, потребуется всего лишь 250/20=12,5 секунды!

Многие люди и в наше время «добывают» огонь трением — трением спичек о спичечный коробок. Давно ли появились спички? Производство первых (фосфорных) спичек началось в 30-х гг.

XIX в. Фосфор загорается при достаточно слабом нагревании — всего до 60 °С. Поэтому, чтобы зажечь фосфорную спичку, достаточно было чиркнуть ею практически о любую поверхность (начиная от ближайшей стены и кончая голенищем сапог). Однако эти спички были очень опасны: они были ядовиты и из-за легкого возгорания часто служили причиной пожара.

Безопасные спички (которыми мы пользуемся до сих пор) были изобретены в 1855 г. в Швеции (отсюда их название «шведские спички») Фосфор в этих спичках заменен другими горючими веществами.

Итак, путем трения можно повысить температуру вещества. Совершая над телом работу (например, ударяя по куску свинца молотком, сгибая и разгибая проволоку, перемещая один предмет по поверхности другого или сжимая газ, находящийся в цилиндре с поршнем), мы увеличиваем его внутреннюю энергию.

Если же тело само совершает работу (за счет своей внутренней энергии), то внутренняя энергия тела уменьшается и тело охлаждается.

Пронаблюдаем это на опыте. Возьмем толстостенный стеклянный сосуд и плотно закроем его резиновой пробкой с отверстием. Через это отверстие с помощью насоса начнем накачивать в сосуд воздух. Через некоторое время пробка с шумом вылетит из сосуда, а в самом сосуде появится туман (рис.

62). Появление тумана означает, что воздух в сосуде стал холоднее и, следовательно, его внутренняя энергия уменьшилась. Объясняется это тем, что находившийся в сосуде сжатый воздух, выталкивая пробку, совершил работу за счет уменьшения своей внутренней энергии.

Поэтому температура воздуха и понизилась. Внутреннюю энергию тела можно изменить и без совершения работы. Так, например, ее можно увеличить, нагрев на плите чайник с водой или опустив ложку в стакан с горячим чаем. Нагревается камин, в котором разведен огонь, крыша дома, освещаемая солнцем, и т. д.

Повышение температуры тел во всех этих случаях означает увеличение их внутренней энергии, но это увеличение происходит без совершения работы.

Изменение внутренней энергии тела без совершения работы называется теплообменом. Теплообмен возникает между телами (или частями одного и того же тела), имеющими разную температуру.

Как, например, происходит теплообмен при контакте холодной ложки с горячей водой? Сначала средняя скорость и кинетическая энергия молекул горячей воды превышают среднюю скорость и кинетическую энергию частиц металла, из которого изготовлена ложка. Но в тех местах, где ложка соприкасается с водой, молекулы горячей воды начинают передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки, и те начинают двигаться быстрее. Кинетическая энергия молекул воды при этом уменьшается, а кинетическая энергия частиц ложки увеличивается. Вместе с энергией изменяется и температура: вода постепенно остывает, а ложка нагревается.

Изменение их температуры происходит до тех пор, пока она и у воды, и у ложки не станет одинаковой.

Часть внутренней энергии, переданной от одного тела к другому при теплообмене, обозначают буквой Q и называют количеством теплоты.

Q — количество теплоты.

Количество теплоты не следует путать с температурой. Температура измеряется в градусах, а количество теплоты (как и любая другая энергия) — в джоулях.

При контакте тел с разной температурой более горячее тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное тело его получает.

Итак, существуют два способа изменения внутренней энергии: 1) совершение работы и 2) теплообмен. При осуществлении первого из этих способов внутренняя энергия тела изменяется на величину совершенной работы А, а при осуществлении второго из них — на величину, равную количеству переданной теплоты Q.

Интересно, что оба рассмотренных способа могут приводить к совершенно одинаковым результатам. Поэтому по конечному результату невозможно определить, каким именно из этих способов он достигнут. Так, взяв со стола нагретую стальную спицу, мы не сможем сказать, каким способом ее нагрели — путем трения или соприкосновения с горячим телом.

В принципе могло быть как то, так и другое.

1. Назовите два способа изменения внутренней энергии тела. 2. Приведите примеры увеличения внутренней энергии тела путем совершения над ним работы. 3. Приведите примеры увеличения и уменьшения внутренней энергии тела в результате теплообмена. 4. Что такое количество теплоты? Как оно обозначается?

5. В каких единицах измеряется количество теплоты? 6. Какими способами можно добыть огонь? 7. Когда началось производство спичек?

Экспериментальное задание. Прижмите монету или кусочек фольги к картону или какой-либо дощечке. Сделав сначала 10, затем 20 и т. д. движений то в одну, то в другую сторону, заметьте, что происходит с температурой тел в процессе трения.

Как зависит изменение внутренней энергии тела от величины совершенной работы?

Способы изменения внутренней энергии. Признаться в своих ошибках

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ.

Достаточный уровень

1. В один стакан налита холодная вода, в другой — столько же горячей воды. Одинакова ли внутренняя энергия воды в этих стаканах?

Ответ: внутренняя энергия горячей воды больше

2. На столе в кухне стоят стакан и графин с водой.
Одинаковы ли внутренние энергии воды в этих сосудах?

Ответ: внутренняя энергия воды в графине больше
в графине молекул воды больше, чем в стакане,
а внутренняя энергия воды равна сумме энергий всех молекул

3. Как будет изменяться внутренняя энергия воды в кастрюле по мере ее подогревания?

Ответ: внутренняя энергия воды в кастрюле по мере ее подогревания увеличивается

выше температура, больше скорость молекул,
больше кинетическая энергия, больше внутренняя энергия

4. Продукты положили в холодильник. Как изменилась их внутренняя энергия?

Ответ: внутренняя энергия продуктов стала меньше
ниже температура, меньше скорость молекул,
меньше кинетическая энергия, меньше внутренняя энергия

5. Укажите, в каких из перечисленных ниже случаях внутренняя энергия воды не меняется:

а) воду несут в ведре; б) переливают ее из ведра в чайник; в) нагревают до кипения.

Ответ: а) воду несут в ведре; б) переливают ее из ведра в чайник;

6. Как можно отогреть озябшие руки, не используя нагретых предметов или теплых перчаток?

и температуры рук

7. Каким способом — совершением работы или теплопередачей — изменялась внутренняя энергия детали при ее нагревании в печи перед закалкой? При сверлении в ней отверстия?

Ответ: внутренняя энергия детали при ее нагревании в печи изменялась путем теплопередачи, а при сверлении в ней отверстия путем совершения работы

8. Почему при быстром скольжении вниз по шесту или канату можно обжечь руки?

Ответ: при быстром скольжении вниз по шесту поверхность рук сильно нагревается за счет работы силы трения

9. Почему и как изменяется внутренняя энергия пилы при распиливании бревна?
На основании чего вы об этом судите?

Ответ: сила трения совершает работу по увеличению внутренней энергии
и температуры пилы

10. Спичку можно зажечь, если поместить ее в пламя свечи или при ее трении о коробок. Одинаковы ли способы изменения внутренней энергии спички при ее возгорании?

Ответ: в первом случае нагревание спички происходит путем теплопередачи,
во втором – за счет работы силы трения

Средний уровень

1.Как изменится внутренняя энергия газа при его внезапном сжатии?
Что будет свидетельствовать об изменении его внутренней энергии?
Ответ: при внезапном сжатии газа расстояние между молекулами уменьшается,

2.Растяните слегка резиновую нить. Как надо поступить (отпустить нить или растянуть сильнее), чтобы ее внутренняя энергия увеличилась?

Ответ: если растянуть нить сильнее расстояние между молекулами увеличивается,
при этом увеличивается потенциальная энергия молекул,
внутренняя энергия газа увеличивается

3. В одном сосуде находится вода, в другом — лед. Массы воды и льда одинаковы.
Вода или лед имеет больший запас внутренней энергии? Почему?

Ответ: вода имеет больший запас внутренней энергии потому,
что у нее больше скорость молекул,
больше кинетическая энергия, больше внутренняя энергия

4.Чем объяснить, что при вколачивании гвоздя его шляпка почти не нагревается, но, когда гвоздь вбит, достаточно нескольких ударов, чтобы шляпка сильно нагрелась?

Ответ: при забивании гвоздя его шляпка нагревается слабо,
поскольку энергия удара расходуется на преодоление силы трения
при перемещении гвоздя в дереве.
Когда гвоздь уже заколочен, при ударах его шляпка нагревается сильнее, так как энергия удара расходуется главным образом на увеличение внутренней энергии гвоздя

5. Изменится ли внутренняя энергия воды в море с наступлением ночи?
Ответ: с наступлением ночи температура воды в море мало изменяется
и поэтому ее внутренняя энергия не измениться (?)

6. Может ли повыситься температура газа вследствие его взаимодействия с твердым телом, которое имеет меньшую температуру, чем газ?

Ответ: при движении тела в газе сила трения совершает работу по увеличению внутренней энергии и температуры газа (?) Пример: метеорит, падая на землю начально имеет температуру меньше температуры воздуха. В результате того, что кинетическая энергия падающего тела переходит во внутреннюю нагревается и воздух и тело.

7. Одна молекула кислорода в воздухе движется в данный момент со скоростью 900 м/с, а другая — со скоростью 1200 м/с. Правильно ли будет сказать, что температура второй молекулы выше?

Ответ: нет (?) О температуре молекулы не имеет смысла говорить-это понятие макроскопическое и может относится только к газу в целом.

Высокий уровень

1. Из чайника выкипела почти вся вода. В некоторый момент массы воды и пара оказались равными. Их температура 100°С. Можно ли утверждать, что внутренние энергии пара и воды одинаковы?

Ответ: внутренняя энергия пара больше потому, что у него больше скорость молекул,
больше кинетическая энергия, больше внутренняя энергия

2. В каком случае шина автомобиля при его движении больше нагреется: когда она слабо надута или надута хорошо?

Ответ: если шина автомобиля слабо надута при его движении сила трения больше
а значит больше внутренняя энергия

3.Два одинаковых медных шарика упали с одной и той же высоты. Первый упал в глину, а второй, ударившись о камень, отскочил и был пойман рукой на некоторой высоте.
Который из шариков изменил больше свою внутреннюю энергию?

Ответ: внутренняя энергия шарика который упал в глину изменилась больше (?) . После отскока кинетическая энергия шарика превратилась в потенциальную с небольшими потерями.. Шарик, упавший в глину потерял всю свою механическую энергию, при торможении она преобразовалась во внутреннюю энергию шарика и глины.

4.Если жидкость, находящуюся в закупоренной бутылке, энергично встряхнуть, то ее температура повышается. Почему нагревается жидкость?

Ответ: если жидкость, находящуюся в закупоренной бутылке, энергично встряхнуть
станет больше скорость молекул, больше кинетическая энергия, больше внутренняя энергия (?)

5. Представьте себе случай, когда какое-либо тело не имеет механической энергии.

Реальна ли такая ситуация? Поясните это на примере.

Ответ: на земле лежит кирпич, его потенциальная энергия равна нулю,
кирпич находится в состоянии покоя, значит его кинетическая энергия тоже равна нулю

6. Возможно ли отсутствие у какого-нибудь тела внутренней энергии?
Что для этого должно произойти?

Ответ: нет, должно прекратиться движение молекул (?) и молекулы должны перестать друг с другом взаимодействовать-должны исчезнуть силы притяжения и отталкивания.

7. Изменится ли потенциальная энергия медного шара, лежащего на горизонтально расположенной поверхности стола, если повысить его температуру?

Ответ: потенциальная энергия медного шара при этом не изменится (?) , но изменится потенциальная и кинетическая энергия молекул его составляющих.

8. Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. За счет чего увеличивается его потенциальная энергия? Меняется ли при этом его внутренняя энергия?

Ответ: увеличение потенциальная энергии пузырька воздуха происходит за счет уменьшения потенциальной энергии воды, при этом его внутренняя энергия не изменится (?) Внутренняя энергия меняется незначительно. На большей глубине давление больше и воздух сжат сильнее, при подъеме размер пузырька увеличивается, изменяются промежутки между молекулами-а значит и потенциальная энергия взаимодействия молекул. Но в газе расстояния между молекулами настолько велики даже в сжатом состоянии, что это изменение несущественно.

22.Когда автомобиль больше расходует горючее: при езде без остановок или с остановками?

Горючее будет расходоваться по разному из-за разных энергетических затрат. При езде без остановок энергия топлива тратится на совершение механической работы по перемещению автомобиля, увеличение внутренней энергии трущихся детали и выхлопных газов. При езде с остановками к этим расходам добавляются затраты по преодолению силы трения покоя, которая всегда выше трения качения, и увеличению внутренней энергии тормозных дисков, шин и дороги при торможении.

44.За счет какой энергии совершается механическая работа при повышении столбика ртути в термометре?

Столбик ртути в термометре поднимается, когда температура жидкости возрастает. Это значит, что увеличилась скорость движения молекул и промежутки между ними, следовательно увеличилась внутренняя энергия. Часть ее тратится на совершение механической работы.

55.Верно ли утверждение: при теплообмене энергия всегда переходит от тел с большей внутренней энергией к телам с меньшей внутренней энергией?

Нет. При теплообмене энергия переходит от тела с большей температурой к менее нагретому телу, т.е. выравнивается кинетическая энергия молекул их составляющих. Но внутренняя энергия тела равна суммарной кинетической и потенциальной энергии всех молекул этого тела. Литр воды имеет большую внутреннюю энергию, чем капля, но при равной температуре теплообмен не происходит.

66.По озеру на большой скорости плывет катер. Изменяется ли при этом внутренняя энергия воды в озере? Как? Почему? Объясните. Конечно же внутренняя энергия воды в озере будет увеличиваться как и при любом процессе, связанном с трением. Если бы катер не терял постоянно энергию на совершение работы по преодолению силы трения, то при движении с выключенным двигателем его скорость оставалась бы неизменной. Энергия топлива расходуется на увеличение внутренней энергии деталей двигателя, окружающего воздуха, воды и корпуса катера.

3. Сжатую пружину поместили в сосуд с кислотой и растворили ее. Куда «исчезла» потенциальная энергия сжатой пружины?

4. Что можно сказать о внутренней энергии тела, температура которого понизилась?

5. Два медных бруска имеют одинаковую температуру, но масса одного 1 кг, а другого — 0,5 кг. Какой из двух данных брусков обладает большей внутренней энергией? Внутренняя энергия равна суммарной потенциальной и кинетической энергии молекул составляющей тело, в первом теле молекул больше, а значит и внутренняя энергия его больше.

1. Можно ли ртутным медицинским термометром измерить температуру капли? Нет. Измерение температуры термометром основано на теплообмене между термометром и измеряемым телом. При этом, для достоверности измерения необходимо, чтобы внутренняя энергия измеряемого тела менялась незначительно. Внутренняя энергия термометра значительно больше энергии капли, при теплообмене между термометром и каплей температура капли изменится существенно.

11. Кусок сахара раздробили на мелкие кусочки, а потом растерли в порошок. В каком случае внутренняя энергия сахара больше? Почему?

2. Дотронувшись рукой до поверхности двух тел, вам показалось, что одно из них более холодное. Можно ли из этого сделать вывод, что поверхность каждого из тел имеет разную температуру? Нет. Наше ощущение холодного и горячего связано не столько с температурой, сколько с интенсивностью теплообмена между рукой и телом. При одинаковой температуре, разные вещества имеют разную теплопроводность и теплоемкость. Поэтому при комнатной температуре металл ощущается более холодным, чем, например, дерево.

5. Два ртутных термометра с различной массой ртути в них опустили в горячую воду. Одинаковую ли температуру покажут термометры? Да. Если термометры имеют разные массы ртути, то увеличение объема ртути при нагревании будет сильнее заметно у большего термометра, что позволит сделать для него более чувствительную шкалу, но температура будет одинаковой. ответом на вопрос… кинетической энергии молекул жидкости А 6 Часть воды испарилась из чашки при отсутствии теплообмена с окружающей средой. Температура воды

  • Учебное пособие содержит краткое изложение основных теоретических положений, задачи по всем разделам курса общей физики, ответы и предложения, которыми можно воспользоваться при решении задач. Ббк 22. 3

    Сборник задач

    скорость молекул водорода больше средней квадратичной скорости молекул водя ­ных паров при той же температуре ? При какой температуре молекулы

  • Укажите пару веществ, скорость диффузии которых наибольшая при прочих равных условиях

    Документ

    Сосуд в горячую воду . Определите температуру горячей воды . Начальная температура газа 20 … повышая температуру 2) уменьшая объём сосуда 3) увеличивая внутреннюю энергию 4) . .. кинетической теории о том, что скорость молекул растет при увеличении температуры

  • В опытах Штерна по определению скоростей атомов в парах серебра подсчитывали число частиц N, модуль скорости которых попадает в определённые одинаковые интервалы Δυ от 0 до 1000 м/с. Какой рисунок соответствует результатам опытов?

    Документ

    Имеет большую плотность молекулы газа передают стенкам энергию молекулы газа передают стенкам импульс Сравнить кинетические энергии молекул температуре выше определен­ной, т.к. иначе они могут взорваться. Это связано с тем, что внутренняя энергия

  • Быть собой, выглядеть и одеваться так, как тебе нравится, устанавливать свои правила в жизни — что может быть лучше? Но иногда случается так, что человеку просто необходимо срочно изменить себя и свои предпочтения, причем кардинальным образом. Как измениться до неузнаваемости? Почему возникает такая необходимость? Об этом подробно поговорим ниже.

    Причины возникновения желания изменить себя

    Оснований для перемен может быть очень много, ведь, как известно, сколько людей — столько и мнений. Людей на эксперименты над собой чаще всего толкают такие причины:

    1. Любовь. Особенно первая, подростковая влюбленность, или острое чувство, влечение к противоположному полу. Человек впервые за все годы своей жизни может проснуться с мыслью: «Хочу измениться до неузнаваемости, так, чтобы мой возлюбленный (моя возлюбленная) смог полюбить меня».
    2. Когда человек понимает, что при сегодняшнем положении вещей, при том, как он выглядит и относится к людям, ему не добиться ничего в жизни, он решается на кардинальные перемены.
    3. Желание стать популярнее, привлечь к себе внимание. Эгоцентричные натуры очень склонны к частым переменам. Безусловно, они любят себя, но та оболочка, внешность, в которой они находятся, их постоянно не устраивает.
    4. Саморазвитие. Здоровое желание поменять что-либо в своей жизни, в себе возникает ввиду обычного человеческого любопытства. Все мы любим узнавать что-то новое и привносить это в свой быт.

    Помимо этого, существуют и психологические факторы, подвигающие человека на перемены. Различные стрессовые ситуации, конфликты и неудачи могут вызвать желание измениться. Новый образ подсознанием будет восприниматься как защита от негатива, связанного с прошлым.

    Внешние изменения для мужчин

    Представителям сильной половины человечества поменяться внешне достаточно сложно без помощи специалиста. Ниже рассмотрим несколько способов, до неузнаваемости, подходящие мужчинам:

    • Активно заняться спортом. Это отличная возможность изменить не только жизненный уклад, но и внешность. Пожалуй, многие мужчины мечтают о красивом, рельефном теле. Но достичь таких результатов без физических нагрузок нереально.
    • Состригите отросшую бороду, усы или же, наоборот, отрастите. Это сильно меняет черты лица. Попробуйте при помощи цветных линз, кардинально поменяйте свой гардероб.
    • Научиться правильно и грамотно общаться с противоположным полом. а значит, для того, чтобы заполучить в свои сети объект страсти, вам необходимо поменять манеру общения.
    • Принять себя таким, какой ты есть. Согласие с собственным «Я» ускоряет процесс как внутреннего, так и внешнего преображения. Решившись на перемены, обязательно согласуйте этот вопрос с самим собой, детально разобрав, для чего и почему вы это делаете.

    Безусловно, у мужчин меньше вариантов для перемен. И самым кардинальным методом остается пластическая хирургия. Но стоит ли прибегать к таким мерам?

    Способы внешних перемен для женщин

    Даме достаточно посетить салон красоты, как она невообразимо преображается. Как измениться до неузнаваемости девушке? Достаточно следовать простым рекомендациям:

    • Смена гардероба. Перемена в имидже должна производиться с учетом особенностей фигуры. К примеру, если у вас короткие и полные ноги, то замена юбки макси на мини не является целесообразной. Для начала определитесь, какой стиль вам подходит больше всего. Если ранее вы предпочитали строгую, классическую одежду, то для кардинальных перемен можно попробовать спортивный или городской стиль.
    • Смена прически. Изменение формы и цвета волос позволяет преобразиться буквально за 1,5-2 часа. Вы были блондинкой с длинными волосами? Станьте жгучей брюнеткой с короткой стрижкой! Однако стоит помнить, что частое окрашивание волос может привести к их выпадению.
    • Использование декоративной косметики. Как измениться до неузнаваемости? Применить косметику. Правильно нанесенные средства могут сделать лицо совершенно другим.
    • Сброс веса. Хотите кардинальных перемен? Начните со своего веса. Совершенно необязательно садиться на жесткую диету и изнурять себя голодовками. Достаточно определить для себя количество килограммов, от которых необходимо избавиться.

    И это далеко не все способы того, как измениться до неузнаваемости. Дамы более изобретательны в этом плане, они могут кардинально поменять себя за 1 день, неделю или месяц, причем без вмешательства специалистов.

    Все изменения начинаются с внутренних перемен. Обязательно обговорите с собой каждый пункт, который желаете применить к себе. Представителям обоих полов, прежде чем начать меняться, стоит задуматься, а для чего все это нужно? Если вы желаете сделать это ради кого-то или для кого-то, то задайтесь вопросом, будет ли этот человек рядом с вами после всех изменений? Станете ли вы успешнее, красивее и популярнее? Не стоит резко менять все в своей жизни из-за мимолетного желания — перевоплощение должно быть постепенным и обдуманным.

    Как измениться до неузнаваемости внутренне? Начать с небольших шагов, которые постепенно изменят ваш образ, темп жизни, а также характер.

    Расставьте приоритеты

    Определитесь с тем, чего вы хотите больше всего. Создайте определенный список желаний, выделите самое вожделенное. Не нужно растрачивать себя на реализацию бытовых, обыденных планов, к примеру, таких как покупка новой стиральной машины или кухонной плиты. Подумайте о том, когда вы в последний раз отдыхали, расслаблялись, проводили время с семьей? Начните с отпуска, с совместных обедов и прогулок с родными. Одиноким людям подойдет общение с друзьями и родителями, новые знакомства.

    Планируйте свой день правильно. Составьте список наиболее важных дел на сегодня и по мере выполнения вычеркивайте пункты — визуальное представление помогает подсознанию понять, что задача выполнена, а значит, мысли о ней более не уместны.

    Научитесь тому, о чем всегда мечтали

    Мы учимся всю жизнь, постоянно узнавая что-то новое. Но не всегда у нас есть возможность получить те знания, которые необходимы для реализации скрытого потенциала. Выучите иностранный язык, возьмите уроки игры на гитаре, рояле, попробуйте себя в роли певца или дизайнера. Любая новая роль позволит вам открыться и перемениться в короткое время.

    Реально ли измениться до неузнаваемости за месяц за счет новых навыков и знаний? Все зависит от вашего стремления к переменам, а также того вида деятельности, который решились освоить. Чем он сложнее, тем длительнее будет процесс обучения и изменения.

    Новые эмоции — новое «Я»

    Путешествуйте как можно чаще, и не обязательно по зарубежным странам. Посетите каждый маленький уголок родины — наплыв новых эмоций вам обеспечен. Оседлайте велосипед, прокатитесь по улицам родного города, встретьте рассвет на берегу озера — все это привнесет в вашу жизнь море позитива. Возьмите для себя за правило чаще улыбаться — с улыбкой меняетесь не только вы, но и мир вокруг вас.

    Как измениться за неделю до неузнаваемости? Начать излучать позитив. За один день, увы, этого добиться не получится, если человек по природе своей угрюм и не умеет радоваться жизни. Специальные тренировки помогут овладеть этим умением.

    Помните, что ваше внутреннее «Я» — храм, потому не пускайте в подсознание всякий мусор в виде бытовых проблем, конфликтов, мелких неурядиц. Они дестабилизируют эмоциональное состояние человека, мешая радоваться жизни.

    Повторение и упорство

    Будьте настойчивее в своих поступках, не опускайте руки. Постоянное повторение, поиск и искоренение допущенных промахов позволяет понять, как измениться до неузнаваемости. Характер можно переменить только Определите в себе ту черту, от которой хотите избавиться как можно скорее, и начните работу над собой.

    Если вы решили поменяться кардинальным образом, то начните с отказа от лени и праздности. Постоянный контроль своих мыслей и поступков, согласие с собственным «Я» — вот что поможет преодолеть трудности, связанные с переменами.

    Живите настоящим

    То, что было с вами в прошлом, должно отойти на второй план. Даже если ушедшие события приносят вам положительные эмоции и помогают расслабиться, их все равно стоит отодвинуть в сторону на время перемен. Помните! Тот человек, кем вы были в прошлом, и та личность, которой являетесь сейчас — это абсолютно разные люди.

    Концентрируйте свое внимание на том, что происходит в данный момент, не задумываясь о других вариантах развития событий. Во время прогулки одновременно фиксируйте взор на нескольких окружающих предметах, людях. Уходите с головой в ту ситуацию, в которой находитесь. При постоянных упражнениях вы научитесь медитировать и налаживать контакт с собой, а также примете реальность такой, какая она есть.

    Занятие позволяет обезопасить себя от негатива, исходящего от нас же самих, и излишнего беспокойства. Принятие реальности способствует улучшению жизни человека, помогает ему меняться внутренне, учит любить и ценить то, что у него есть.

    Не существует человека, который бы не сталкивался с ситуацией, когда на определенном этапе жизни возникает вопрос: как измениться в лучшую сторону, как поменять свое поведение, привычки, характер?

    Менять себя в лучшую сторону можно бесконечно, ведь всегда будет находиться что-то, что не устраивает. В процессе жизни у многих из нас формируется такое отношение к бытию, которое можно охарактеризовать двумя словами – чувство беспомощности.

    Нам кажется, что жизнь полна безнадежности и безысходности. Особенно страшно становится от того, что мы не в состоянии что-либо изменить. Причин так думать множество — это постоянная боль, бесконечные разочарования, непрекращающиеся обиды. Но в результате видим одно – категоричный отказ от жизни, отвращение к себе и невозможность видеть свою жизнь в позитивном ключе.

    В такой ситуации важно задать себе вопрос: «Что приводит меня к постоянным разочарованиям? Как я могу изменить себя в лучшую сторону и изменить свое отношение к миру?»

    Ведь именно стремление к лучшему и самосовершенствование способны изменить характер человека, его мировосприятие и отношение к жизни, тогда и окружающий мир будет относиться к нему совершенно иначе.

    Внутренние и внешние перемены в человеке непременно ведут к улучшению жизни. Становятся доступными самые высокие цели и мечты. Когда мы готовы меняться – мы растем !

    Внутренняя мотивация

    Что является одной из главных причин желания изменить себя и привычный образ жизни к лучшему? Зачастую это страх. Среди сильнейших мотиваторов — страх потерять здоровье, семью, работу, любимого человека, статус, страх не успеть что-то в жизни.

    Для начала перемен необходимо убедить себя и верить, что выход из любой ситуации всегда существует, важно иметь твердую надежду на решение проблемы.

    Только тогда влюбленная девушка, желающая похудеть и не потерять любимого человека, начинает ходить в бассейн и спортзал. Человек, который перенес инфаркт, сразу отказывается от курения. Страх бедности и несостоятельности заставляет усердно работать.

    Однако человек не станет менять себя и свою жизнь, если его всё устраивает и он уверен, что проживет и так неплохо. Не будет стремиться к переменам и тот, кто просто не видит возможности решения возникающих проблем и тяжелых ситуаций.

    Люди не борются с серьезными болезнями, потому что не верят и не надеются на выздоровление. Чтобы начать меняться, необходимо осознавать, насколько важно и дорого тебе всё то, что можно легко потерять.

    Начало перемен

    Способов, как измениться внутренне быстро и легко, не существует. Не придумали также волшебных средств для мгновенного искоренения дурных привычек или приобретения положительных качеств характера.

    Одного стремления изменить себя недостаточно – важно приложить определенные усилия для достижения успеха. Перемены начинаются с четкого понимания того, что именно вас раздражает или не устраивает в себе, что мешает спокойно жить.

    Необходимо выяснить для себя, какими положительными или отрицательными качествами вы обладаете, что они вам дают. Затем осознанно выбрать те из качеств, от которых нужно непременно избавиться, чтобы измениться в лучшую сторону.

    Не нужно стараться избавиться одновременно от всех плохих качеств и привычек. Это абсолютно непосильная задача!

    Необходимо постепенно и терпеливо культивировать положительные качества, присущие каждому человеку. Этот процесс подобен тому, как садовник заботится и ухаживает за цветами. Даже розы, избавленные от сорняков, не будут цвести и благоухать, если нет надлежащего ухода.

    Позитивное мышление

    Ежедневно мы слышим бесконечные жалобы на людей, жизнь, несправедливость. При этом все знают о полезности и важности позитивного мышления. Давно известно, что мысли людей зависят от их высказываний и влияют на поведение, эмоции и чувства.

    Священник Уилл Боуэн провел наблюдение за поведением людей в течение длительного времени. Он посоветовал тем, кто хотел кардинально изменить свою жизнь, походить три недели с браслетом на руке и стараться жить без жалоб, сплетен и раздражения.

    Если человек забывал и начинал говорить негативные фразы, он должен был надевать браслет на другую руку, а отсчет времени начинался заново. Цель эксперимента – проходить с браслетом на одной руке полных три недели.

    Проведенный метод оказался чрезвычайно эффективным. Участники наблюдения значительно изменились – научились замечать положительные качества в себе и окружающем мире, жить без жалоб в течение длительного времени, перестали негативно высказываться о вещах и людях.

    Так участники, которые хотели знать, как измениться до неузнаваемости внутренне, научились контролировать свои мысли и фразы, что привело к кардинальным переменам в их жизни. Кроме того, эксперимент позволил каждому узнать много интересного о себе, своем мышлении.

    Внешние изменения

    Как измениться внешне? Вопрос подобного рода непременно возникнет при желании изменить себя в лучшую сторону. Общий образ обязательно начнет претерпевать кардинальные изменения, как только появятся перемены во внутреннем мировосприятии.

    Научившись применять позитивное мышление, вы прекратите тратить силы и энергию на бесполезные обиды и разрушительные мысли, вы также сможете простить обидчиков и недоброжелателей.

    Как только Вы признаете свою уникальность, сразу же полюбите себя, научитесь проявлять любовь к другим людям. Не будет возникать желания избежать проблем и невзгод с помощью алкоголя, курения, переедания.

    Вы заметите изменения во внешнем облике: распрямленные плечи, уверенная походка, сверкающие глаза. Мир начнет стремительно меняться, а у вас появятся новые знакомства, увлечения, друзья. Вам будет хотеться изменить свой внешний вид, привычный имидж, ведь надо соответствовать новому внутреннему состоянию.

    Возможен и противоположный ход жизненных перемен. Сначала человек решает измениться внешне: избавиться от лишних килограммов, сделать новую прическу, обновить гардероб. Затем незамедлительно наступают перемены во внутреннем содержании и мышлении. Человек чувствует себя уверенно, потому что удовлетворен своим внешним обликом.

    Если вы решили и осознали, как измениться кардинально (внутренне или внешне), то не медлите с этим, не откладывайте начало лучшей жизни на «завтра», на «потом» или «попозже». Начинайте активно действовать сразу же, невзирая на время суток и день недели. Цените каждую секунду, ведь жизнь проходит быстро и безвозвратно!

    Изменения в характере

    Если хотите понять, как измениться в лучшую сторону характером, необходимо сделать следующие действия. Взять чистый лист бумаги и ручку, составить список из двух столбиков.

    В первом столбике написать те черты характера, которые, на ваш взгляд, негативно сказываются на поведении, во втором – указать черты, которые желали бы приобрести. В составлении такого списка могут помочь ваши родные и близкие люди. Это даст возможность вам посмотреть со стороны на себя, ведь часто мы не замечаем или не хотим признавать собственные недостатки.

    Далее нужно рядом с указанными недостатками характера написать предполагаемые способы превращения их в достоинства. Например, пессимизм можно побороть позитивным мышлением и положительным настроем, лень – активным образом жизни и увлечениями, злость – проявлением доброжелательности и т.д.

    Ответственно подумайте о том, как изменится ваша жизнь после изменения характера. Это будет мотивировать вас. Но помните, что недостаточно только знать, как измениться в характере. Важно приложить усилия и труд, проявить силу воли, а это непростое дело!

    Иногда изменить характер человека позволяет изменение внешнего вида. Особенно актуально это для женщин. Например, изменив прическу или цвет волос, женщина замечает, что ее отношение к окружающему миру начинает постепенно меняться.

    Существует также обратная взаимосвязь. Когда в сознании происходит переосмысление ценностей, может возникнуть желание измениться внешне, чтобы соответствовать своему новому «Я».

    Видео «Как стать счастливой»

    Изменения в характере – очень нелегкая задача. Стремясь улучшить себя и свой характер, контролируйте поведение и вовремя избавляйтесь от ненужных мыслей и действий!

    915. Закрытую пробирку погрузили в горячую воду. Изменилась ли кинетическая и потенциальная энергия молекул воздуха в пробирке? Если изменилась, то как?
    Согласно MKT температура газа пропорциональна средней кинетической энергии молекул. Соответственно кинетическая энергия молекул увеличится. Потенциальная энергия останется неизменной, так как она зависит от расстояния между молекулами.

    916. Две одинаковые колбы соединены с одинаковыми манометрами (рис. 254 и 255). Одну колбу опустили в сосуд с горячей водой, а другую — в сосуд с холодной. При этом уровни поверхности жидкости в манометрах изменились (относительно штриховой линии) и установились так, как показано на рисунках. Определите, в каком сосуде температура воды выше. В какой колбе кинетическая энергия молекул воздуха увеличилась?
    В сосуде В температура больше, чем в сосуде А. Кинетическая энергия молекул в нем увеличилась.

    917. По условиям предыдущей задачи определите: а) в какой колбе внутренняя энергия воздуха увеличилась, в какой — уменьшилась; б) в какой колбе внутренняя энергия воздуха изменилась больше относительно первоначального значения, а в какой — меньше; в) в каком манометре механическая работа, произведенная по подъему жидкости, больше; г) за счет какой энергии совершалась механическая работа по подъему жидкостей в манометрах. 
    а) внутренняя энергия воздуха увеличилась в сосуде В.
    б) в сосуде В внутренняя энергия изменилась больше относительно первоначального уровня.
    в) в манометре, соединенном с сосудом В, механическая работа, произведенная по поднятию жидкости, больше.
    г) за счет разности сил давления атмосферного воздуха и воздуха в колбе.

    918. В один стакан налита холодная вода, в другой — столько же кипятка. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией?
    В стакане с кипятком.

    919. Два медных бруска одинаковой формы и массами 100 и 500 г были взяты при комнатной температуре и погружены в кипящую воду на одинаковое время. Изменилась ли их внутренняя энергия? Одинаково ли изменилось значение внутренней энергии этих брусков относительно друг друга? Ответы объясните.
    Да; нет: у бруска массой 0,5 кг численное значение внутренней энергии увеличилось больше, чем у бруска массой 0,1 кг. Изменение внутренней энергии тем больше, чем больше число молекул в образце.

    920. В сосуде нагрели воду. Можно ли сказать, что внутренняя энергия воды увеличилась? Можно ли сказать, что воде передано некоторое количество теплоты? Ответы объясните.
    Да, поскольку внутренняя энергия зависит от температуры.
    Да, поскольку для изменения внутренней энергии системы необходимо сообщить ей некоторое количество теплоты.

    921. После обработки на точильном круге зубило становится горячим. Зубило, вынутое из горна, тоже горячее. Одинакова ли причина повышения температуры?
    Причины повышения температуры имеют различный характер. В первом случае температура повысилась за счет совершения работы, во втором — за счет теплопередачи.

    922. В закрытой трубке находится капля ртути (рис. 256). Трубку с одного конца нагрели. Объясните, за счет какой энергии совершается работа по перемещению ртути в трубке.
    За счет изменения внутренней энергии воздуха в трубке.

    923. При трении головки спички о коробок спичка воспламеняется. Объясните явление.
    При трении температура повышается, и становится возможна химическая реакция с выделением теплоты.

    924. Спичка загорается при трении ее о коробок. Она вспыхивает и при внесении ее в пламя свечи. В чем сходство и различие причин, приведших к воспламенению спички в обоих случаях?
    Сходства: спичка загорелась при повышении температуры ее головки.
    Различия: в первом случае температура повысилась за счет работы силы трения, во втором — за счет полученной теплоты Q от пламени свечи.

    925. Можно ли сказать (см. предыдущую задачу), что внутренняя энергия спичечной головки увеличилась; что ей передано некоторое количество теплоты; что она нагрелась до температуры воспламенения?
    Первое и третье утверждения верны во всех случаях; второе — только когда спичку внесли в пламя.

    926. Почему врач, поставив медицинский термометр больному, смотрит показание термометра не раньше, чем через 5-7 мин?
    Требуется время для того, чтобы сравнялись температуры термометра и тела посредством теплопередачи.

    927. Какие превращения энергии происходят в опыте (рис. 257)?
    Внутренняя энергия топлива горелки передается системе вода-пар, и внутренняя энергия воды и пара увеличивается, а та в свою очередь переходит в механическую энергию вылетевшей пробки.

    928. Со дна водоема всплывает пузырек воздуха. За счет чего увеличивается его потенциальная энергия?
    Пренебрегая силой сопротивления, сумма потенциальной энергии воды и потенциальной и кинетической энергий пузырька должна быть постоянной. Следовательно, потенциальная энергия пузырька за некоторый промежуток времени увеличивается на такую величину, на которую уменьшается потенциальная энергия воды.

    929. Объясните, почему происходит изменение внутренней энергии: а) при сжатии и расширении воздуха; б) при нагревании воды в кастрюле; в) при сжатии и растяжении резины; г) при таянии льда. 
    а) за счет изменения потенциальной энергии молекул газа, она зависит от расстояния между ними.
    б) за счет изменения кинетической энергии молекул воды.
    в)см. пункт а).
    г) см. пункт б).

    930. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения работы при: трении, ударе, сжатии.
    При трении ножа о точило температура ножа увеличивается, его внутренняя энергия также увеличивается. При ударе молотка по гвоздю температура и внутренняя энергия гвоздя увеличиваются. Тоже происходит при сжатии воздуха в велосипедном насосе.

    931. В одном сосуде разреженный газ. В другом таком же сосуде — сжатый. В каком сосуде газ имеет большую потенциальную энергию взаимодействия молекул и почему?
    Во втором, поскольку потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними.

    932. Почему пила нагревается, если ею пилить длительное время?
    За счет силы трения совершается работа по изменению внутренней энергии пилы.

    933. Объясните, на каком физическом явлении основан способ добывания огня трением.
    На повышении внутренней энергии и температуры за счет работы силы трения.

    934.Почему, если быстро скользить вниз по шесту или канату, можно обжечь руки?
    Сила трения совершает работу по увеличению внутренней энергии и температуры рук.

    935. Стеклянную банку с нагретым воздухом поставили на резиновую пленку (от детского надувного шара), укрепленную на обруче тагана-треножника (рис. 258). За счет убыли какой энергии приобрела потенциальную энергию резиновая пленка? Что является причиной деформации пленки?
    За счет убыли внутренней энергии в банке, которая перешла в окружающую среду. Причина деформации пленки — разность давлений атмосферы и воздуха в банке.

    936. Почему коньки легко скользят по льду, а по стеклу, поверхность которого более гладкая, на коньках кататься невозможно?
    При скольжении по льду внутренняя энергия коньков и льда увеличивается и между ними создается водяная прослойка, уменьшающая силу трения.

    937. Почему при вбивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, а когда гвоздь уже вбит, то достаточно нескольких ударов, чтобы сильно нагреть шляпку?
    При забивании гвоздя его шляпка нагревается слабо, поскольку энергия удара расходуется на преодоление сил трения при перемещении гвоздя в дереве. Когда гвоздь уже заколочен, при ударах его шляпка нагревается сильнее, так как энергия удара расходуется главным образом на увеличение внутренней энергии гвоздя.

    938. Ответьте на вопросы: а) Какие превращения энергии происходят при торможении движущегося автомобиля? б) Почему вода фонтана не поднимается до уровня воды в воронке (см. рис. 147)? в) Как изменяется внутренняя энергия газа в пузырьке, который всплывает со дна водоема?
    а) кинетическая энергия автомобиля расходуется на работу против силы трения и переходит во внутреннюю энергию покрышек и дороги.
    б) вода в фонтане не поднимается до уровня воды в воронке, так как часть кинетической энергии расходуется на преодоление трения и в конечном счете переходит во внутреннюю энергию воды и трубки.
    в) внутренняя энергия газа в пузырьке, всплывающем со дна водоема, уменьшается по мере подъема пузырька вверх (воздух внутри пузырька совершает работу по увеличению своего объема).

    939. Почему шариковые, роликовые и игольчатые подшипники у машин нагреваются меньше, чем подшипники скольжения?
    Сила трения в подшипниках скольжения больше.

    940. Что является причиной сильного нагревания и сгорания искусственных спутников Земли при вхождении их в нижние плотные слои атмосферы?
    Трение спутников об атмосферу Земли.

    941. При скоростной обработке металла температура в точках отделения стружки от изделия повышается на 800-900 °С. Объясните причину явления.
    При обработке металла его температура увеличивается за счет совершения работы силы трения.

    942. При опиловке металла напильником один ученик за 5 мин снял слой толщиной 2 мм. Другой ученик при обработке такой же детали за то же время снял таким же напильником слой толщиной 3 мм. Почему повысилась температура деталей? У кого из учащихся деталь после обработки приобрела более высокую температуру? Почему?
    Температура повысилась за счет работы силы трения. У второго ученика деталь нагрелась сильнее, так как он совершил большую работу.

    943. Как объяснить, что при откачивании воздуха из баллона внутренняя энергия оставшейся части воздуха уменьшилась?
    Внутренняя энергия уменьшается, поскольку при откачивании уменьшается число частиц в баллоне.

    944. Две серебряные чайные ложки различной массы опустили в стакан с горячей водой. Будут ли равны температуры ложек и изменения их внутренних энергий через 1 с после погружения; через 0,5 ч?
    Их температура будут различными через 1 с и одинаковыми — через 0,5 ч. Изменения внутренней энергии в обоих случаях будут различными.

    Полная механическая энергия — урок. Физика, 8 класс.

    Полная механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергии.

    Полную механическую энергию рассматривают в тех случаях, когда действует закон сохранения энергии и она остаётся постоянной.

    Если на движение тела не оказывают влияния внешние силы, например, нет взаимодействия с другими телами, нет силы трения или силы сопротивления движению, тогда полная механическая энергия тела остаётся неизменной во времени.

    Eпот+Eкин=const

     

    Разумеется, что в повседневной жизни не существует идеальной ситуации, в которой тело полностью сохраняло бы свою энергию, так как любое тело вокруг нас взаимодействует хотя бы с молекулами воздуха и сталкивается с сопротивлением воздуха. Но, если сила сопротивления очень мала и движение рассматривается в относительно коротком промежутке времени, тогда такую ситуацию можно приближённо считать теоретически идеальной.

    Закон сохранения полной механической энергии обычно применяют при рассмотрении свободного падения тела, при его вертикальном подбрасывании или в случае колебаний тела.

    Пример:

    При вертикальном подбрасывании тела его полная механическая энергия не меняется, а кинетическая энергия тела переходит в потенциальную и наоборот.

    Преобразование энергии отображено на рисунке и в таблице.

     

     

    Точка нахождения тела

    Потенциальная энергия

    Кинетическая энергия

    Полная механическая энергия 

    3) Самая верхняя 

    (h = max)

    Eпот = m⋅g⋅h (max)

    Eкин = 0

     Eполная = m⋅g⋅h

    2) Средняя 

    (h = средняя)

    Eпот = m⋅g⋅h

    Eкин = m⋅v22

    Eполная=m⋅v22+m⋅g⋅h

    1) Самая нижняя 

    (h = 0)

    Eпот = 0

    Eкин = m⋅v22 (max)

    Eполная = m⋅v22

     

    Исходя из того, что в начале движения величина кинетической энергии тела одинакова с величиной его потенциальной энергии в верхней точке траектории движения, для расчётов могут быть использованы ещё две формулы.

    Если известна максимальная высота, на которую поднимается тело, тогда можно определить максимальную скорость движения по формуле:

     

     vmax=2⋅g⋅hmax.

     

    Если известна максимальная скорость движения тела, тогда можно определить максимальную высоту, на которую поднимается тело, брошенное вверх, по такой формуле:

     

     hmax=vmax22g.

     

     

    Чтобы отобразить преобразование энергии графически, можно использовать имитацию «Энергия в скейт-парке», в которой человек, катающийся на роликовой доске (скейтер) перемещается по рампе. Чтобы изобразить идеальный случай, предполагается, что не происходит потерь энергии в связи с трением. На рисунке показана рампа со скейтером, и далее на графике показана зависимость механической энергии от места положения скейтера на траектории.

     

     

    На графике синей пунктирной линией показано изменение потенциальной энергии. В средней точке рампы потенциальная энергия равна \(нулю\). Зелёной пунктирной линией показано изменение кинетической энергии. В верхних точках рампы кинетическая энергия равна \(нулю\). Жёлто-зелёная линия изображает полную механическую энергию — сумму потенциальной и кинетической — в каждый момент движения и в каждой точке траектории. Как видно, она остаётся \(неизменной\) во всё время движения. Частота точек характеризует скорость движения — чем дальше точки расположены друг от друга, тем больше скорость движения.

     

     

    На графике видно, что значение потенциальной энергии в начальной точке совпадает со значением кинетической энергии в середине рампы.

    В реальной ситуации всегда происходят потери энергии, так как часть энергии выделяется в виде тепла под влиянием сил трения и сопротивления. 

    Поэтому для того, чтобы автомобиль двигался с равномерной и неизменной скоростью, необходимо постоянно подводить дополнительную энергию, которая компенсировала бы энергетические потери.

    Способы изменения внутренней энергии — Внутренняя энергия

    Цель: рассмотреть способы изменения внутренней энергии.

    Демонстрации: опыт по нагреванию жидкости в латунной трубке; опыт по выдавливанию пробки из сосуда при помощи воздушного насоса.

    Ход урока

    I. Повторение. Проверка домашнего задания

    Тема предыдущего урока органично связана с новой темой, и поэтому повторение материала не только позволит определить уровень усвоения материала, но и станет органичным переходом к новой теме.

    Дополнительно к вопросам по изученному параграфу можно задать и такие, которые заставят учащихся глубже задуматься над содержанием основных понятий и явлений, например:

    — Может ли тело, обладая внутренней энергией, не иметь механическую энергию? Приведите примеры.

    — Может ли тело иметь механическую энергию, но не иметь внутренней?

    — Всегда ли выполняется закон сохранения механической энергии? Полной энергии?

    II. Изучение нового материала

    План изложения нового материала:

    1. Демонстрация опытов.

    2. Механическая работа как причина изменения внутренней энергии.

    3. Изменение внутренней энергии путем теплообмена.

    1. Освещение нового материала логично начать с показа опыта по нагреванию эфира в латунной трубке при помощи суровой нити или прочной тканевой ленты. При этом не следует допускать вылета пробки из отверстия. Касаясь стенок трубки, легко заметить, что температура эфира увеличилась. Следовательно, при нагревании тела внутренняя энергия молекул увеличивается.

    2. Данный опыт показывает, что внутреннюю энергию можно увеличить за счет совершения механической работы над телом.

    Именно такой способ добычи огня использовали наши предки. За счет трения при быстром вращении сухой кусок дерева нагревался более чем на 250 °С, и загорался.

    Говоря о возможности увеличения внутренней энергии за счет совершения работы, следует особо отметить, что существует и обратный процесс. Если тело само совершает работу, то при этом его внутренняя энергия уменьшается.

    Подкрепляя данный тезис, можно показать опыт, описанный и проиллюстрированный в учебнике на с. 9. Появление тумана в сосуде в момент вылета пробки указывает на уменьшение температуры воздуха. Следовательно, воздух совершил работу по выталкиванию пробки за счет своей внутренней энергии.

    3. Есть еще один способ изменения внутренней энергии.

    Нагревание чашки, в которую налили горячую воду, камня, брошенного в огонь — все это увеличивает внутреннюю энергию тел. Работа при этом не совершается.

    Изменение внутренней энергии тел без совершения над телами работы, называется теплопередачей.

    Физика этого процесса проста. При взаимодействии молекул горячей воды с молекулами стенок холодной чашки молекулы воды при ударах передают часть своей кинетической энергии. При этом скорость молекул чашки увеличивается, а скорость молекул воды падает.

    Как только температуры чашки и воды станут равными, теплообмен прекращается.

    Следует обратить внимание на тот факт, что при теплопередаче (теплообмене) энергия всегда передается от горячего тела к холодному, то есть от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Обратный процесс сам собой никогда не происходит.

    Чтобы количественно оценивать изменение внутренней энергии, вводят понятие количества теплоты (Q).

    Та энергия, которую тело отдает или получает в результате теплообмена, называется количеством теплоты.

    Очевидно, что Q измеряется, как и энергия, в джоулях:

    [Q] = Дж.

    III. Итог урока

    Подводя итог уроку, необходимо сделать вывод о том, что существует два способа изменения внутренней энергии:

    а) за счет совершения механической работы;

    б) за счет теплообмена.

    Эти способы равноправны. Мы никогда не можем угадать, за счет чего увеличилась температура тела. Это может быть и результат теплообмена, и результат совершения работы над телом.

    Таким образом, изменение внутренней энергии тела всегда происходит за счет энергии других тел: либо при теплопередаче (за счет изменения внутренней энергии), либо при совершении работы (за счет механической энергии).

    Домашнее задание

    1. § 3 учебника; вопросы и задания к параграфу.

    2. Задание 1, с. 10

    3. Сборник задач В. И. Лукашика, Е. В. Ивановой, № 929, 934.

    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.

    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.Скорость , с которой организм использует энергию пищи для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется скоростью метаболизма. Общий коэффициент преобразования энергии человека в состоянии покоя называется базальным уровнем метаболизма (BMR) и распределяется 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 доля 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 ее часть используется для питания химических процессов, например, в почках и печени, а также при производстве жира. BMR — это функция возраста, пола, общей массы тела и количества мышечной массы (которая сжигает больше калорий, чем телесный жир).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 себя. Помня, что тепловая энергия — это просто кинетическая энергия атомов и молекул, мы понимаем, 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 в объект из его окружения.Количество тепловой энергии, передаваемой 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 окружающей среде 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 возгорания, 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 использоваться для полезной работы. Дополнительная тепловая энергия, генерируемая в ходе химических реакций, приводящих в действие мышечные сокращения наряду с трением в суставах и других тканях, еще больше снижает эффективность людей. .

    «Увы, наши тела не 100 % эффективны в преобразовании энергии пищи в механическую продукцию. Но при КПД около 25 % и мы удивительно хороши, учитывая, что большинство автомобилей составляет около 20 % , и что кукурузное поле Айовы эффективно преобразовывает поступающий солнечный свет в химическое хранилище [потенциальной энергии] только на 1,5 % . ” 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 массой 65 кг и поднимется по лестнице высотой 15 м и ? Сколько тепловой энергии человек передает в окружающую среду в виде тепла выхлопных газов?

    Во-первых, давайте посчитаем изменение потенциальной энергии гравитации:

    Человек действительно работал над преобразованием химической потенциальной энергии своего тела в механическую энергию, в частности, в потенциальную гравитационную 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 находим, 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 выхлопное тепло 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 ), а не в джоулях. 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 ( Cal ) 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 соответствующие уровни потребления энергии для различных видов деятельности.

    Нормы потребления энергии и кислорода в среднем для мужчин 76 кг
    Деятельность 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
    Игра в теннис 440 1,26
    Плавание брасс 475 1.36
    Каток (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
    Играющий 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 поднимался 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 потенциальная гравитационная 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 Вт 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, чтобы высвободить химическую потенциальную энергию, которую мы в конечном итоге преобразуем в работу и отводим тепло. Атомы и более мелкие молекулы, образующиеся 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 оригинальных дров. 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. В диаграмме не учитываются 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 ввода энергии Желаемая форма вывода Максимальная 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% +

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

    Передачи и преобразования энергии | Национальное географическое общество


    Энергия не может быть создана или уничтожена, это означает, что общее количество энергии во Вселенной всегда было и всегда будет постоянным. Однако это не означает, что энергия неизменна; он может изменять форму и даже переходить между объектами.

    Типичный пример передачи энергии, который мы видим в повседневной жизни, — это передача кинетической энергии — энергии, связанной с движением — от одного движущегося объекта к неподвижному объекту посредством работы. В физике работа — это мера передачи энергии и относится к силе, приложенной объектом на расстоянии. Когда клюшка раскачивается и ударяется о неподвижный мяч для гольфа, часть кинетической энергии клюшки передается на мяч, когда клюшка «работает» с мячом.При передаче энергии, подобной этой, энергия перемещается от одного объекта к другому, но остается в той же форме. Передачу кинетической энергии легко наблюдать и понять, но другие важные передачи не так легко визуализировать.

    Тепловая энергия связана с внутренней энергией системы из-за ее температуры. Когда вещество нагревается, его температура повышается, потому что молекулы, из которых оно состоит, движутся быстрее и получают тепловую энергию за счет передачи тепла. Температура используется для измерения степени «горячего» или «холодного» объекта, а термин «тепло» используется для обозначения тепловой энергии, передаваемой от более горячей системы к более холодной.Передача тепловой энергии происходит тремя способами: за счет теплопроводности, конвекции и излучения.

    Когда тепловая энергия передается между соседними молекулами, которые контактируют друг с другом, это называется проводимостью. Если поместить металлическую ложку в кастрюлю с кипящей водой, даже ее конец, не касающийся воды, станет очень горячим. Это происходит потому, что металл является эффективным проводником, а это означает, что тепло легко проходит через материал. Колебания молекул на конце ложки, касающемся воды, распространяются по всей ложке, пока все молекулы не начнут вибрировать быстрее (т.е., вся ложка нагревается). Некоторые материалы, такие как дерево и пластик, не являются хорошими проводниками — тепло не проходит легко через эти материалы — и вместо этого известны как изоляторы.

    Конвекция возникает только в жидкостях, таких как жидкости и газы. Когда вода кипятится на плите, молекулы воды на дне кастрюли находятся ближе всего к источнику тепла и первыми получают тепловую энергию. Они начинают двигаться быстрее и разлетаться, создавая меньшую плотность молекул на дне горшка.Затем эти молекулы поднимаются к верху горшка и заменяются на дне более холодной и плотной водой. Процесс повторяется, создавая поток молекул, опускающихся, нагревающихся, поднимающихся, охлаждающихся и снова опускающихся.

    Третий тип передачи тепла — излучение — критически важен для жизни на Земле и важен для обогрева водоемов. При использовании излучения источник тепла не должен касаться нагреваемого объекта; излучение может передавать тепло даже через космический вакуум. Почти вся тепловая энергия на Земле исходит от Солнца и излучается на поверхность нашей планеты, перемещаясь в форме электромагнитных волн, таких как видимый свет.Материалы на Земле затем поглощают эти волны, чтобы использовать их для получения энергии или отражать их обратно в космос.

    При преобразовании энергии энергия меняет форму. Шар, сидящий на вершине холма, обладает гравитационной потенциальной энергией, которая представляет собой потенциал объекта для выполнения работы из-за его положения в гравитационном поле. Вообще говоря, чем выше на холме находится этот шар, тем больше у него гравитационной потенциальной энергии. Когда сила толкает его вниз с холма, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую.Мяч продолжает терять потенциальную энергию и набирать кинетическую энергию, пока не достигнет подножия холма.

    Во Вселенной без трения мяч продолжал бы катиться бесконечно, достигнув дна, поскольку у него была бы только кинетическая энергия. На Земле, однако, мяч останавливается у подножия холма из-за того, что кинетическая энергия преобразуется в тепло противодействующей силой трения. Так же, как и с передачей энергии, энергия сохраняется при преобразованиях.

    В природе передача и преобразование энергии происходят постоянно, например, в прибрежных дюнах.

    Когда тепловая энергия излучается солнцем, оно нагревает и сушу, и океан, но вода имеет высокую удельную теплоемкость, поэтому она нагревается медленнее, чем земля. Эта разница температур создает конвекционный поток, который затем проявляется в виде ветра.

    Этот ветер обладает кинетической энергией, которую он может передавать песчинкам на пляже, перенося их на небольшое расстояние. Если движущийся песок сталкивается с препятствием, он останавливается из-за трения, создаваемого контактом, и его кинетическая энергия затем преобразуется в тепловую энергию или тепло.Когда со временем накапливается достаточное количество песка, эти столкновения могут создавать песчаные дюны и, возможно, даже целое поле дюн.

    Эти недавно сформированные песчаные дюны создают уникальную среду для растений и животных. В этих дюнах могут расти растения, используя световую энергию, излучаемую солнцем, для преобразования воды и углекислого газа в химическую энергию, которая хранится в сахаре. Когда животное ест растение, оно использует энергию, хранящуюся в этом сахаре, чтобы нагреть свое тело и двигаться, преобразовывая химическую энергию в кинетическую и тепловую энергию.

    Хотя это не всегда может быть очевидным, передачи и преобразования энергии постоянно происходят вокруг нас, и это то, что позволяет жизни, какой мы ее знаем, существовать.

    Теплопередача, удельная теплоемкость и калориметрия — University Physics Volume 2

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Объясните явления с участием тепла как формы передачи энергии
    • Решение проблем, связанных с теплопередачей

    В предыдущих главах мы видели, что энергия — одно из фундаментальных понятий физики. Тепло — это тип передачи энергии, который вызывается разницей температур и может изменять температуру объекта. Как мы узнали ранее в этой главе, теплопередача — это движение энергии от одного места или материала к другому в результате разницы температур. Теплообмен является основой таких повседневных действий, как отопление и приготовление пищи, а также многих производственных процессов. Он также составляет основу тем, которые будут рассмотрены в оставшейся части этой главы.

    Мы также вводим понятие внутренней энергии, которая может быть увеличена или уменьшена за счет теплопередачи.Мы обсуждаем другой способ изменить внутреннюю энергию системы, а именно выполнение работы над ней. Таким образом, мы начинаем изучение взаимосвязи тепла и работы, которая лежит в основе двигателей и холодильников и является центральной темой (и источником названия) термодинамики.

    Внутренняя энергия и тепло

    Тепловая система имеет внутренней энергии (также называемой тепловой энергией ) , которая является суммой механических энергий ее молекул. Внутренняя энергия системы пропорциональна ее температуре.Как мы видели ранее в этой главе, если два объекта с разной температурой приводят в контакт друг с другом, энергия передается от более горячего объекта к более холодному, пока тела не достигнут теплового равновесия (то есть они имеют одинаковую температуру). Ни один из объектов не совершает никакой работы, потому что никакая сила не действует на расстоянии (как мы обсуждали в разделе Работа и кинетическая энергия). Эти наблюдения показывают, что тепло — это энергия, спонтанно передаваемая из-за разницы температур. (Рисунок) показывает пример теплопередачи.

    (а) Здесь безалкогольный напиток имеет более высокую температуру, чем лед, поэтому они не находятся в тепловом равновесии. (b) Когда безалкогольный напиток и лед могут взаимодействовать, тепло передается от напитка ко льду из-за разницы температур до тех пор, пока они не достигнут одинаковой температуры, что приводит к достижению равновесия. Фактически, поскольку безалкогольный напиток и лед контактируют с окружающим воздухом и скамейкой, конечная равновесная температура будет такой же, как и температура окружающей среды.

    Значение слова «тепло» в физике отличается от его обычного значения.Например, в разговоре мы можем сказать, что «жара была невыносимой», но в физике мы бы сказали, что температура была высокой. Тепло — это форма потока энергии, а температура — нет. Между прочим, люди более чувствительны к тепловому потоку , чем к температуре.

    Поскольку тепло — это форма энергии, в системе СИ единицей измерения является джоуль (Дж). Другой распространенной единицей энергии, часто используемой для получения тепла, является калория (кал), определяемая как энергия, необходимая для изменения температуры 1,00 г воды, в частности, между и, поскольку существует небольшая температурная зависимость.Также обычно используется килокалория (ккал), которая представляет собой энергию, необходимую для изменения температуры 1,00 кг воды на. Так как масса чаще всего указывается в килограммах, то килокалория удобна. Как ни странно, пищевые калории (иногда называемые «большими калориями», сокращенно Cal) на самом деле являются килокалориями, что нелегко определить по маркировке упаковки.

    Механический эквивалент тепла

    Также можно изменять температуру вещества, выполняя работу, которая передает энергию в систему или из нее. Это понимание помогло установить, что тепло — это форма энергии. Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) провел множество экспериментов, чтобы установить механический эквивалент тепла — работы, необходимой для получения тех же эффектов, что и теплопередача . В единицах, используемых для этих двух величин, эквивалентность равна

    .

    Мы считаем, что это уравнение представляет преобразование между двумя единицами энергии. (Другие числа, которые вы можете увидеть, относятся к калориям, определенным для температурных диапазонов, отличных от до.)

    (рисунок) показывает одну из самых известных экспериментальных установок Джоуля для демонстрации того, что работа и тепло могут производить одни и те же эффекты, и измерения механического эквивалента тепла. Это помогло установить принцип сохранения энергии. Гравитационная потенциальная энергия ( U ) была преобразована в кинетическую энергию ( K ), а затем рандомизирована по вязкости и турбулентности в увеличенную среднюю кинетическую энергию атомов и молекул в системе, что привело к увеличению температуры. Вклад Джоуля в термодинамику был настолько значительным, что в его честь была названа единица энергии в системе СИ.

    Эксперимент Джоуля установил эквивалентность тепла и работы. По мере того, как массы спускались вниз, они заставляли весла работать на воде. Результатом стало повышение температуры, измеренное термометром. Джоуль обнаружил, что он пропорционален W и, таким образом, определил механический эквивалент тепла.

    Увеличение внутренней энергии за счет теплопередачи дает тот же результат, что и увеличение ее за счет выполнения работы.Следовательно, хотя система имеет четко определенную внутреннюю энергию, мы не можем сказать, что она имеет определенное «теплосодержание» или «рабочее содержание». Четко определенная величина, которая зависит только от текущего состояния системы, а не от истории этой системы, называется переменной состояния . Температура и внутренняя энергия являются переменными состояния. Подводя итог этому абзацу, тепло и работа не являются переменными состояния .

    Между прочим, увеличение внутренней энергии системы не обязательно увеличивает ее температуру.Как мы увидим в следующем разделе, температура не меняется, когда вещество переходит из одной фазы в другую. Примером может служить таяние льда, которое может быть достигнуто путем добавления тепла или выполнения работы трения, например, когда кубик льда трется о шероховатую поверхность.

    Изменение температуры и теплоемкость

    Мы отметили, что теплопередача часто вызывает изменение температуры. Эксперименты показывают, что без фазового перехода и без какой-либо работы над системой или ею переданное тепло обычно прямо пропорционально изменению температуры и массы системы в хорошем приближении.(Ниже мы покажем, как действовать в ситуациях, когда приближение неверно.) Константа пропорциональности зависит от вещества и его фазы, которая может быть газом, жидкостью или твердым телом. Мы опускаем обсуждение четвертой фазы, плазмы, потому что, хотя это наиболее распространенная фаза во Вселенной, она редка и недолговечна на Земле.

    Мы можем понять экспериментальные факты, заметив, что передаваемое тепло — это изменение внутренней энергии, которая представляет собой полную энергию молекул.В типичных условиях полная кинетическая энергия молекул составляет постоянную долю внутренней энергии (по причинам и за исключениями, которые мы увидим в следующей главе). Средняя кинетическая энергия молекулы пропорциональна абсолютной температуре. Следовательно, изменение внутренней энергии системы обычно пропорционально изменению температуры и количеству молекул, N . Математически зависимость от вещества в значительной степени обусловлена ​​разной массой атомов и молекул.Мы рассматриваем его теплоемкость с точки зрения его массы, но, как мы увидим в следующей главе, в некоторых случаях теплоемкость на молекулу одинакова для разных веществ. Зависимость от вещества и фазы также является результатом различий в потенциальной энергии, связанной с взаимодействиями между атомами и молекулами.

    Значения удельной теплоемкости обычно необходимо измерять, потому что нет простого способа их точно рассчитать. (Рисунок) показывает типичные значения теплоемкости для различных веществ.Из этой таблицы видно, что удельная теплоемкость воды в пять раз больше, чем у стекла и в 10 раз больше, чем у железа, что означает, что для повышения температуры воды на определенное количество тепла требуется в пять раз больше тепла, чем у стекла, и в 10 раз больше. столько, сколько по железу. Фактически, вода имеет одну из самых высоких удельной теплоемкости из всех материалов, что важно для поддержания жизни на Земле.

    Удельная теплота газов зависит от того, что поддерживается постоянным во время нагрева — обычно от объема или давления.В таблице первое значение удельной теплоемкости для каждого газа измерено при постоянном объеме, а второе (в скобках) измерено при постоянном давлении. Мы вернемся к этой теме в главе, посвященной кинетической теории газов.

    Обычно удельная теплоемкость также зависит от температуры. Таким образом, точное определение c для вещества должно быть дано в терминах бесконечно малого изменения температуры. Для этого отметим это и заменим на d :

    За исключением газов, температурная и объемная зависимость удельной теплоемкости большинства веществ слабая при нормальных температурах.Поэтому мы обычно принимаем удельную теплоемкость постоянными и равными значениям, указанным в таблице.

    (рисунок) иллюстрирует повышение температуры, вызванное работой. (Результат такой же, как если бы такое же количество энергии было добавлено с помощью паяльной лампы, а не механически.)

    Расчет повышения температуры в результате работы, проделанной на грузовике с веществом. Тормоза, используемые для контроля скорости на спуске, выполняют свою работу, преобразуя гравитационную потенциальную энергию в повышенную внутреннюю энергию (более высокую температуру) тормозного материала ((рисунок)). Это преобразование предотвращает преобразование гравитационной потенциальной энергии в кинетическую энергию грузовика. Поскольку масса грузовика намного больше, чем масса тормозного материала, поглощающего энергию, повышение температуры может происходить слишком быстро, чтобы тепло от тормозов передавалось в окружающую среду; Другими словами, тормоза могут перегреться.

    Дымящиеся тормоза тормозной тележки — видимое свидетельство механического эквивалента тепла.

    Рассчитайте повышение температуры 10 кг тормозного материала со средней удельной теплоемкостью, если материал удерживает 10% энергии от спускающегося грузовика массой 10 000 кг 75.0 м (при вертикальном перемещении) с постоянной скоростью.

    Стратегия

    Мы вычисляем гравитационную потенциальную энергию ( Mgh ), которую весь грузовик теряет при спуске, приравниваем ее к увеличению внутренней энергии тормозов, а затем находим повышение температуры, возникающее только в тормозном материале.

    Решение Сначала мы рассчитаем изменение гравитационной потенциальной энергии при спуске грузовика:

    Поскольку кинетическая энергия грузовика не изменяется, закон сохранения энергии говорит нам, что потерянная потенциальная энергия рассеивается, и мы предполагаем, что 10% ее передается внутренней энергии тормозов, так что возьмите.Затем мы рассчитываем изменение температуры от переданного тепла, используя

    , где м — масса тормозного материала. Вставьте указанные значения, чтобы найти

    Значение Если бы грузовик ехал некоторое время, то непосредственно перед спуском температура тормозов, вероятно, была бы выше, чем температура окружающей среды. Повышение температуры при спуске, вероятно, приведет к очень сильному повышению температуры тормозного материала, поэтому этот метод непрактичен.Вместо этого грузовик использовал бы технику торможения двигателем. Другая идея лежит в основе новейшей технологии гибридных и электрических автомобилей, в которой механическая энергия (кинетическая и гравитационная потенциальная энергия) преобразуется тормозами в электрическую энергию в аккумуляторе. Этот процесс называется регенеративным торможением.

    В задачах обычного типа объекты с разными температурами контактируют друг с другом, но изолированы от всего остального, и им позволяют прийти в равновесие.Контейнер, который предотвращает передачу тепла внутрь или наружу, называется калориметром, а использование калориметра для измерения (обычно теплоемкости или удельной теплоемкости) называется калориметрией.

    Мы будем использовать термин «проблема калориметрии» для обозначения любой проблемы, в которой рассматриваемые объекты термически изолированы от своего окружения. Важная идея при решении задач калориметрии заключается в том, что во время теплообмена между объектами, изолированными от их окружения, тепло, полученное более холодным объектом, должно равняться теплу, теряемому более горячим объектом, из-за сохранения энергии:

    Мы выражаем эту идею, записывая, что сумма тепла равна нулю, потому что полученное тепло обычно считается положительным; тепло потеряно, отрицательное.

    Расчет конечной температуры в калориметрии. Предположим, вы наливаете 0,250 кг воды (около чашки) в алюминиевую кастрюлю весом 0,500 кг, снятую с плиты, с температурой 0 ° C. Предположим, что теплопередача не происходит ни к чему другому: кастрюлю кладут на изолирующую подкладку, и не учитывают теплопередачу воздуху за короткое время, необходимое для достижения равновесия. Таким образом, это проблема калориметрии, даже если изолирующий контейнер не указан. Также предположим, что выкипает незначительное количество воды.Какова температура, при которой вода и поддон достигают теплового равновесия?

    Стратегия Изначально кастрюля и вода не находятся в тепловом равновесии: кастрюля имеет более высокую температуру, чем вода. Теплопередача восстанавливает тепловое равновесие при соприкосновении воды и поддона; она останавливается, когда достигается тепловое равновесие между поддоном и водой. Тепло, теряемое кастрюлей, равно теплу, полученному водой — это основной принцип калориметрии.

    Решение

    1. Используйте уравнение теплопередачи, чтобы выразить тепло, теряемое алюминиевой сковородой, через массу сковороды, удельную теплоемкость алюминия, начальную температуру сковороды и конечную температуру:
    2. Выразите тепло, получаемое водой, через массу воды, удельную теплоемкость воды, начальную температуру воды и конечную температуру:
    3. Обратите внимание, что и и что, как указано выше, они должны быть в сумме равными нулю:
    4. Поместите все термины с левой стороны, а все остальные термины с правой стороны.Решение для


      и введите числовые значения:

    Значение Почему конечная температура намного ближе к, чем к? Причина в том, что вода имеет большую удельную теплоемкость, чем большинство обычных веществ, и, следовательно, претерпевает меньшее изменение температуры при данной теплопередаче. Большой водоем, например озеро, требует большого количества тепла для значительного повышения температуры. Это объясняет, почему температура в озере остается относительно постоянной в течение дня, даже когда изменение температуры воздуха велико.Однако температура воды действительно меняется в течение длительного времени (например, с лета на зиму).

    Проверьте свое понимание Если для повышения температуры породы необходимо 25 кДж, от какого количества тепла необходимо нагреть камень?

    В хорошем приближении теплопередача зависит только от разницы температур. Поскольку разница температур в обоих случаях одинакова, во втором случае необходимы те же 25 кДж. (Как мы увидим в следующем разделе, ответ был бы другим, если бы объект был сделан из некоторого вещества, которое меняет фазу где-то между и.)

    Температурно-зависимая теплоемкость При низких температурах удельная теплоемкость твердых тел обычно пропорциональна. Первое понимание этого поведения было связано с голландским физиком Питером Дебаем, который в 1912 году рассмотрел атомные колебания с помощью квантовой теории, которую Макс Планк недавно использовал для излучения. Например, хорошее приближение для удельной теплоемкости соли NaCl: Константа 321 K называется температурой Дебая NaCl, и формула хорошо работает, когда Используя эту формулу, сколько тепла требуется для повышения температуры 24.0 г NaCl от 5 К до 15 К?

    Решение Поскольку теплоемкость зависит от температуры, нам нужно использовать уравнение

    Мы решаем это уравнение для Q , интегрируя обе части:

    Затем подставляем данные значения и вычисляем интеграл:

    Значение Если бы мы использовали уравнение и удельную теплоемкость соли при комнатной температуре, мы получили бы совсем другое значение.

    15.1 Первый закон термодинамики — Физика в колледже для курсов AP®

    Цели обучения

    К концу этого раздела вы сможете:

    • Определите первый закон термодинамики.
    • Опишите, как сохранение энергии соотносится с первым законом термодинамики.
    • Опишите примеры первого закона термодинамики, работающего в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
    • Рассчитайте изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и проделанной работы.

    Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения AP® и научные практики:

    • 4.C.3.1 Учащийся может делать прогнозы о направлении передачи энергии из-за разницы температур на основе взаимодействий на микроскопическом уровне. (S.P.6.1)
    • 5.B.4.1 Учащийся может описывать и делать прогнозы относительно внутренней энергии систем. (С.П. 6.4, 7.2)
    • 5.B.7.1 Учащийся может предсказать качественные изменения внутренней энергии термодинамической системы, включая передачу энергии за счет тепла или проделанной работы, и обосновать эти прогнозы с точки зрения принципов сохранения энергии. (С.П. 6.4, 7.2)

    Рис. 15.2 Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику. По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника. (кредит: Джина Гамильтон)

    Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, тогда важен принцип сохранения энергии.Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее. Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в в системе за вычетом чистой работы, выполненной на системой. В форме уравнения первый закон термодинамики равен

    . ΔU = Q − W. ΔU = Q − W. размер 12 {ΔU = Q — W} {}

    15.1

    Здесь ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} — это изменение внутренней энергии UU размера 12 {U} {} системы. QQ размер 12 {Q} {} — это чистое тепло , переданное в систему , то есть размер QQ 12 {Q} {} представляет собой сумму всей теплопередачи в систему и из нее. Размер WW 12 {W} {} — это чистая работа , выполненная системой. , то есть размер WW 12 {W} {} — это сумма всей работы, выполненной в системе или ею. Мы используем следующие условные обозначения: если размер QQ 12 {Q} {} положительный, значит, имеется чистый теплоперенос в систему; если размер WW 12 {W} {} положительный, значит, система выполняет сетевую работу.Таким образом, положительный размер QQ 12 {Q} {} добавляет энергию в систему, а положительный размер WW 12 {W} {} забирает энергию из системы. Таким образом, ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}. Также обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем проделанной работы, разница сохраняется как внутренняя энергия. Тепловые двигатели — хороший тому пример: в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу. (См. Рис. 15.3.) Теперь мы рассмотрим размер QQ 12 {Q} {}, размер WW 12 {W} {} и размер ΔUΔU 12 {ΔU} {}.

    Рисунок 15.3 Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. QQ размером 12 {Q} {} представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Размер QQ 12 {Q} {} положителен для чистой передачи тепла в систему . Размер WW 12 {W} {} — это общий объем работы, выполняемой системой. Размер WW 12 {W} {} является положительным, когда выполняет больше работы по системе, чем на ней. Изменение внутренней энергии системы, ΔUΔU размер 12 {ΔU} {}, связано с теплом и работой согласно первому закону термодинамики, ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}.

    Установление связей: закон термодинамики и закон сохранения энергии

    Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике. Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.

    Heat

    Q и Work W

    Теплопередача (размер QQ 12 {Q} {}) и выполнение работы (размер WW 12 {W} {}) — два повседневных средства подачи или отвода энергии системы. Процессы совершенно разные. Теплообмен, менее организованный процесс, обусловлен разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии. Тем не менее тепло и работа могут дать одинаковые результаты. Например, оба могут вызвать повышение температуры.Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину. Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе. Однако оба могут изменить размер UU внутренней энергии 12 {U} {} системы.Внутренняя энергия — это форма энергии, совершенно отличная от тепла или работы.

    Внутренняя энергия

    U

    Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами. Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. Внутренняя энергия UU размером 12 {U} {} системы представляет собой сумму кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул. Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией.Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями. Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.

    Макроскопически, мы определяем изменение внутренней энергии ΔUΔU размером 12 {ΔU} {} как значение, определяемое первым законом термодинамики:

    ΔU = Q − W.ΔU = Q − W. размер 12 {ΔU = Q — W} {}

    15,2

    Многие подробные эксперименты подтвердили, что ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}, где ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} — это изменение полной кинетической и потенциальной энергии всех атомов и молекулы в системе. Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия UU размером 12 {U} {} системы зависит только от состояния системы, а — не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, размер UU 12 {U} {} оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например, была ли проведена теплопередача или проделана работа. .Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем вычислить изменения ее внутренней энергии UU размером 12 {U} {} на основе нескольких макроскопических переменных.

    Соединения в реальном мире: Поршни

    В предыдущей главе температура была связана со средней кинетической энергией отдельных молекул в материале. Это относится к концепции полной внутренней энергии в системе. Напомним, что полная внутренняя энергия системы определяется как сумма всех кинетических энергий всех элементов системы плюс сумма всех потенциальных энергий взаимодействий между всеми парами элементов в системе. Например, рассмотрим двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень находится в цилиндре. Сначала поршень сжимает газ в цилиндре, заставляя молекулы ближе друг к другу и изменяя их потенциальную энергию за счет внешней силы, выполняющей работу с системой. Это ход сжатия, рисунок 15.4 (б). Затем топливо сгорает в цилиндре, повышая температуру и, следовательно, кинетическую энергию всех молекул. Следовательно, внутренняя энергия системы была преобразована в химическую потенциальную энергию в кинетическую.Это происходит между компрессией и силовым ходом на рисунке. Затем поршень выталкивается обратно, используя часть внутренней энергии системы для работы с внешней системой, как показано в рабочем ходе на рисунке.

    Рисунок 15.4 Поршни двигателя внутреннего сгорания в цилиндре.

    Установление соединений: макроскопические и микроскопические

    В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчете поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы. Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.

    Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию U1U1 размером 12 {U rSub {размер 8 {1}}} {} в Состоянии 1, и он имеет внутреннюю энергию U2U2 размером 12 {U rSub {размер 8 {2}}} {} в Состоянии 2, независимо от того, как он попал в любое из состояний.Таким образом, изменение внутренней энергии ΔU = U2-U1ΔU = U2-U1 размер 12 {ΔU = U rSub {размер 8 {2}} — U rSub {размер 8 {1}}} {} не зависит от того, что вызвало изменение. Другими словами, ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} не зависит от пути . Под путем мы понимаем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}. И размер QQ 12 {Q} {}, и размер WW 12 {W} {} зависят от пути , а размер ΔUΔU 12 {ΔU} {} — нет. Эта независимость от пути означает, что внутреннюю энергию UU размером 12 {U} {} легче учесть, чем передачу тепла или проделанную работу.

    Пример 15.1

    Расчет изменения внутренней энергии: такое же изменение размера единицы 12 {U} {} производится двумя разными процессами

    (a) Предположим, что теплопередача в систему составляет 40,00 Дж, в то время как система выполняет работу 10,00 Дж. Позже происходит передача тепла из системы на 25,00 Дж, в то время как в системе выполняется 4,00 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?

    (б) Каково изменение внутренней энергии системы, когда всего 150.00 Дж теплообмена происходит из (от) системы и 159,00 Дж работы выполняется в системе? (См. Рисунок 15.5).

    Стратегия

    В части (а) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Тогда первый закон термодинамики (ΔU = Q − W) (ΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {}) может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

    Решение для (а)

    Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

    Q = 40.00J − 25,00 Дж = 15,00 Дж. Q = 40,00 Дж − 25,00 Дж = 15,00 Дж. размер 12 {Q = «40» «.» «00» «J» — «25» «. «00» «J» = «15» «.» «00» «J»} {}

    15,3

    Аналогичным образом, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или

    W = 10,00J − 4,00J = 6,00 J.W = 10,00J − 4,00J = 6,00 J. Размер 12 {W = «10» «.» «00» «J» -4 «.» «00» «J» = 6 «.» «00» «J»} {}

    15,4

    Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

    ΔU = Q − W = 15,00J − 6,00J ​​= 9,00 Дж. ΔU = Q − W = 15.00J − 6.00J = 9.00 J. размер 12 {DU = Q-W = «15» «.» «00» «J» -6 «.» «00» «J» = 9 «.» «00» «J»} {}

    15,5

    Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов. Во-первых, рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на тренировке, или

    . ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00J − 10,00J = 30,00 J. ΔU1 = Q1 − W1 = 40,00J − 10,00J = 30,00 J. размер 12 {DU rSub {размер 8 {1}} = Q rSub {размер 8 {1 }} -W rSub {размер 8 {1}} = «40» «.» «00» «J» — «10» «. «00» «J» = «30» «.» «00» «J»} {}

    15,6

    Теперь рассмотрим 25.00 Дж отвод тепла и 4,00 Дж работы на входе, или

    ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. ΔU2 = Q2 − W2 = -25,00 Дж — (- 4,00 Дж) = — 21,00 Дж. Размер 12 {DU rSub {размер 8 {2 }} = Q rSub {размер 8 {2}} -W rSub {размер 8 {2}} «= -» «25» «.» «00» «J» — \ (-4 «.» «00» «J» \) «= -» «21» «.» «00» «J»} {}

    15,7

    Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или

    ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00J + −21,00J = 9,00 J.ΔU = ΔU1 + ΔU2 = 30,00J + −21,00J = 9,00 J. размер 12 {DU = DU rSub {размер 8 {1}} + DU rSub {размер 8 {2}} = «30» «.»» 00 «» J «+ left (-» 21 «». «» 00 «» J «right) = 9». «» 00 «» J «} {}

    15,8

    Обсуждение на (a)

    Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

    Решение для (b)

    Здесь чистая теплопередача и общая работа даны как Q = –150,00 JQ = –150,00 Дж для размера 12 {Q «= -» «150» «». «00» «J»} {} и W = –159,00 JW = –159,00 J, размер 12 {W «= -» «159» «.» «00» «J»} {}, так что

    ΔU = Q – W = –150.00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж. ΔU = Q – W = –150,00 Дж — (- 159,00 Дж) = 9,00 Дж. Размер 12 {DU = Q-W «= -» «150» «.» «00» «J» — \ (- «159» «.» «00» «J» \) = 9 «.» «00» «Дж»} {}

    15,9

    Обсуждение (b)

    Совершенно другой процесс в части (b) дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части (a). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с размером ΔUΔU 12 {ΔU} {}, а не с отдельным QQ размером 12 {Q} {} s или размером WW 12 {W} {} s. Система оказывается в том же состоянии как в (a), так и (b).Части (a) и (b) представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой одинаково — оно не зависит от пути.

    Рисунок 15.5 Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа потребляет в общей сложности 6,00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет ΔU = Q − W = 9,00 Дж ΔU = Q − W = 9,00 Дж для размера 12 { DU = QW = 9 «.» «00» «J»} {}. (б) Отвод тепла 150.00 Дж из системы во время работы дает ей 159,00 Дж, увеличивая внутреннюю энергию на 9,00 Дж. Если система начинается в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.

    Применение научных методов: энергия в картофельной пушке

    Спланируйте и спланируйте эксперимент по измерению полной энергии картофельной пушки. Как вы будете измерять, сколько работы было выполнено? Как вы рассчитаете вложенную энергию? Как тогда можно оценить, сколько тепла было отпущено? Какие переменные необходимо поддерживать постоянными в нескольких испытаниях для достижения наилучших результатов?

    Траектория снаряда должна быть измеримой и позволять рассчитывать проделанную работу. Подвод энергии следует рассчитывать исходя из типа используемого топлива. Было бы полезно использовать одинаковое количество топлива в каждом испытании. Тепловую мощность можно оценить путем сравнения подводимой энергии с энергией, необходимой для выполнения работы.

    Метаболизм человека и первый закон термодинамики

    Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики. Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики.Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду. Это означает, что размер QQ 12 {Q} {} отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром. Это означает, что размер WW 12 {W} {} положительный.В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку ΔU = Q − WΔU = Q − W размер 12 {ΔU = Q — W} {} отрицательно.

    Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Организм метаболизирует всю пищу, которую мы потребляем. По сути, метаболизм — это процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи. Это означает, что питание осуществляется в форме работы.Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

    В химии и биохимии одна калория (пишется с строчной буквы c) определяется как энергия (или теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и любители веса обычно используют диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной буквы ° C).Одна еда Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать эти две калории.

    Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из организма, а пища возвращает ее.Если вы едите необходимое количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге ΔU = 0ΔU = 0 размер 12 {ΔU = 0} {}. Если вы постоянно переедаете, то ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} всегда положительно, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если ΔUΔU размер 12 {ΔU} {} будет отрицательным в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию.Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

    Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Организм накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание. Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы восполнить потерянную пищу. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным из-за более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа. Однако следует отметить, что живые системы не находятся в тепловом равновесии .

    Тело дает нам отличный индикатор того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир.В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице. Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба приложения первого закона термодинамики показаны на рис. 15.6. Одним из огромных преимуществ законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, является то, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета промежуточных осложнений.В таблице 15.1 представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.

    Рис. 15.6 (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела (размер QQ 12 {Q} {}), и работа, выполняемая телом (размер WW 12 {W} {}), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в накопленную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом.
    Срок Определение
    UU размер 12 {U} {} Внутренняя энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы. Можно разделить на множество подкатегорий, таких как тепловая и химическая энергия. Зависит только от состояния системы (например, размера PP 12 {P} {}, размера VV 12 {V} {} и размера TT 12 {T} {}), а не от того, как энергия поступает в систему.Изменение внутренней энергии не зависит от пути.
    QQ размер 12 {Q} {} Тепло — энергия, передаваемая из-за разницы температур. Характеризуется случайным движением молекул. Сильно зависит от пути. QQ size 12 {Q} {} вход в систему положительный.
    WW размер 12 {W} {} Работа — энергия, передаваемая силой, перемещающейся на расстояние.Организованный, упорядоченный процесс. Зависит от пути. Размер WW 12 {W} {}, выполненный системой (либо против внешней силы, либо для увеличения объема системы), является положительным.

    Таблица 15.1 Краткое изложение терминов для первого закона термодинамики, ΔU = Q − W

    15.1 Первый закон термодинамики — физика колледжа: OpenStax

    Резюме

    • Определите первый закон термодинамики.
    • Опишите, как сохранение энергии соотносится с первым законом термодинамики.
    • Опишите примеры первого закона термодинамики, работающего в повседневных ситуациях, включая биологический метаболизм.
    • Рассчитайте изменения внутренней энергии системы после учета теплопередачи и проделанной работы.
    Рис. 1. Этот кипящий чайник представляет энергию в движении. Вода в чайнике превращается в водяной пар, потому что тепло передается от плиты к чайнику. По мере того, как вся система нагревается, работа выполняется — от испарения воды до свиста чайника.(кредит: Джина Гамильтон)

    Если нас интересует, как теплопередача преобразуется в работу, тогда важен принцип сохранения энергии. Первый закон термодинамики применяет принцип сохранения энергии к системам, в которых передача тепла и выполнение работы являются методами передачи энергии в систему и из нее. Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в системе за вычетом чистой работы, выполненной системой.В форме уравнения первый закон термодинамики равен

    .

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = QW}. [/ Latex]

    Здесь [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] — это изменение внутренней энергии [latex] \ boldsymbol {U} [/ latex] системы. [Latex] \ boldsymbol {Q} [/ latex] — это чистое тепло, передаваемое в систему , то есть [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] — это сумма всей теплопередачи в систему и из нее. [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex] — это работа сети , выполненная системой , то есть [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex] — это сумма всей работы, выполненной в системе или в системе.Мы используем следующие условные обозначения: если значение [latex] \ boldsymbol {Q} [/ latex] положительное, то в системе имеется чистый теплообмен; если значение [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex] положительно, то система выполняет сетевую работу. Итак, положительный [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] добавляет энергии системе, а положительный [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex] забирает энергию из системы. Таким образом, [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = Q-W}. [/ Latex] Обратите внимание, что если в систему передается больше тепла, чем выполненная работа, разница сохраняется как внутренняя энергия.Тепловые двигатели — хороший тому пример: в них происходит передача тепла, чтобы они могли выполнять свою работу. (См. Рис. 2.) Теперь мы рассмотрим [latex] \ boldsymbol {Q}, \: \ boldsymbol {W}, [/ latex] и [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] дальше.

    Рис. 2. Первый закон термодинамики — это принцип сохранения энергии, установленный для системы, в которой тепло и работа являются методами передачи энергии для системы, находящейся в тепловом равновесии. Q представляет собой чистую теплопередачу — это сумма всех теплопередач в систему и из нее. Q положительно для чистой передачи тепла в систему. W — это общий объем работы, выполненной в системе. W положительно, когда система выполняет больше работы, чем над ней. Изменение внутренней энергии системы, ΔU , связано с теплом и работой по первому закону термодинамики, ΔU = Q-W .

    ВЫПОЛНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ: ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ И ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ


    Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии, сформулированный в форме, наиболее полезной в термодинамике.Первый закон устанавливает связь между теплопередачей, проделанной работой и изменением внутренней энергии системы.

    Теплопередача ([латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex]) и выполнение работы ([латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex]) — два повседневных средства передачи энергии в систему или вывода энергии из системы. . Процессы совершенно разные. Теплообмен, менее организованный процесс, обусловлен разницей температур. Работа — это вполне организованный процесс, в котором действует макроскопическая сила, действующая на расстоянии.Тем не менее тепло и работа могут дать одинаковые результаты. Например, оба могут вызвать повышение температуры. Передача тепла в систему, например, когда Солнце нагревает воздух в велосипедной шине, может повысить ее температуру, и поэтому может работать над системой, например, когда велосипедист нагнетает воздух в шину. Как только произошло повышение температуры, невозможно сказать, было ли оно вызвано теплопередачей или работой. Эта неопределенность — важный момент. Теплообмен и работа — это энергия в пути, и ни одна из них не хранится как таковая в системе.Однако оба могут изменить внутреннюю энергию [латекс] \ boldsymbol {U} [/ латекс] системы. Внутренняя энергия — это форма энергии, совершенно отличная от тепла или работы.

    Мы можем думать о внутренней энергии системы двумя разными, но последовательными способами. Первый — это атомно-молекулярная точка зрения, которая исследует систему в атомном и молекулярном масштабе. внутренняя энергия [латекс] \ boldsymbol {U} [/ latex] системы — это сумма кинетической и потенциальной энергий ее атомов и молекул.Напомним, что кинетическая плюс потенциальная энергия называется механической энергией. Таким образом, внутренняя энергия — это сумма атомной и молекулярной механической энергии. Поскольку невозможно отследить все отдельные атомы и молекулы, мы должны иметь дело со средними значениями и распределениями. Второй способ взглянуть на внутреннюю энергию системы — с точки зрения ее макроскопических характеристик, которые очень похожи на средние атомные и молекулярные значения.

    Макроскопически мы определяем изменение внутренней энергии [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] как то, что определяется первым законом термодинамики:

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = QW}.[/ латекс]

    Многие подробные эксперименты подтвердили, что [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U} = QW}, [/ latex], где [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] — это изменение общей кинетики и потенциальная энергия всех атомов и молекул в системе. Также экспериментально было определено, что внутренняя энергия [латекс] \ boldsymbol {U} [/ latex] системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния . Более конкретно, [латекс] \ boldsymbol {U} [/ latex] оказывается функцией нескольких макроскопических величин (например, давления, объема и температуры), независимо от прошлой истории, например, было ли тепло перевод или работа сделана.Эта независимость означает, что, зная состояние системы, мы можем вычислить изменения ее внутренней энергии [latex] \ boldsymbol {U} [/ latex] с помощью нескольких макроскопических переменных.

    ВЫПОЛНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ: МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ И МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ


    В термодинамике мы часто используем макроскопическую картину при расчете поведения системы, в то время как атомная и молекулярная картина дает основные объяснения в терминах средних значений и распределений. Мы еще раз увидим это в следующих разделах этой главы.Например, в теме энтропии расчеты будут производиться с использованием атомно-молекулярного представления.

    Чтобы лучше понять, как думать о внутренней энергии системы, давайте рассмотрим систему, переходящую из состояния 1 в состояние 2. Система имеет внутреннюю энергию [латекс] \ boldsymbol {U_1} [/ latex] в состоянии 1, и он имеет внутреннюю энергию [латекс] \ boldsymbol {U_2} [/ latex] в Состоянии 2, независимо от того, как он попал в какое-либо состояние. Таким образом, изменение внутренней энергии [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = U_2-U_1} [/ latex] не зависит от того, что вызвало изменение.Другими словами, [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] не зависит от пути . Под путем мы понимаем способ добраться от начальной точки до конечной точки. Почему важна эта независимость? Обратите внимание, что [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U} = QW}. [/ Latex] И [latex] \ boldsymbol {Q} [/ latex], и [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex] зависят от путь , а [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] — нет. Эта независимость пути означает, что внутреннюю энергию [латекс] \ boldsymbol {U} [/ latex] легче учитывать, чем теплопередачу или проделанную работу.

    Пример 1: Расчет изменения внутренней энергии: одно и то же изменение в

    U производится двумя разными процессами

    (a) Предположим, что теплопередача в систему составляет 40,00 Дж, в то время как система выполняет работу 10,00 Дж. Позже происходит передача тепла из системы на 25,00 Дж, в то время как в системе выполняется 4,00 Дж работы. Каково чистое изменение внутренней энергии системы?

    (б) Каково изменение внутренней энергии системы, когда всего 150.00 Дж теплообмена происходит из (от) системы и 159,00 Дж работы выполняется в системе? (См. Рисунок 3).

    Стратегия

    В части (а) мы должны сначала найти чистую теплопередачу и чистую работу, выполненную на основе данной информации. Тогда первый закон термодинамики [латекс] \ boldsymbol {(\ Delta {U} = Q-W)} [/ latex] может быть использован для определения изменения внутренней энергии. В части (b) приведены чистая теплопередача и проделанная работа, поэтому уравнение можно использовать напрямую.

    Решение для (а)

    Чистая теплопередача — это теплопередача в систему за вычетом теплопередачи из системы, или

    [латекс] \ boldsymbol {Q = 40.00 \ textbf {J} -25.00 \ textbf {J} = 15. 00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Аналогично, общая работа — это работа, выполненная системой за вычетом работы, выполненной в системе, или

    [латекс] \ boldsymbol {W = 10.00 \ textbf {J} -4.00 \ textbf {J} = 6.00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Таким образом, изменение внутренней энергии определяется первым законом термодинамики:

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = Q-W = 15.00 \ textbf {J} -6.00 \ textbf {J} = 9.00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Мы также можем найти изменение внутренней энергии для каждого из двух шагов.Во-первых, рассмотрим 40,00 Дж теплопередачи на входе и 10,00 Дж на тренировке, или

    .

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} _1 = Q_1-W_1 = 40.00 \ textbf {J} -10.00 \ textbf {J} = 30.00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Теперь рассмотрим 25,00 Дж теплоотдачи на выходе и 4,00 Дж работы на входе, или

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} _2 = Q_2-W_2 = -25.00 \ textbf {J} — (- 4.00 \ textbf {J}) = — 21.00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Общее изменение — это сумма этих двух шагов, или

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = \ Delta {U} _1 + \ Delta {U} _2 = 30. 00 \ textbf {J} + (- 21,00 \ textbf {J}) = 9,00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Обсуждение на (а)

    Неважно, смотрите ли вы на процесс в целом или разбиваете его на этапы, изменение внутренней энергии одинаково.

    Решение для (b)

    Здесь чистая теплопередача и общая работа даны как [латекс] \ boldsymbol {Q = -150.00 \ textbf {J}} [/ latex] и [латекс] \ boldsymbol {W = -159.00 \ textbf {J} }, [/ latex] так, чтобы

    [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = QW = -150.00 \ textbf {J} — (- 159,00 \ textbf {J}) = 9,00 \ textbf {J}}. [/ Latex]

    Обсуждение на (б)

    Совершенно другой процесс в части (b) дает такое же изменение внутренней энергии на 9,00 Дж, что и в части (a). Обратите внимание, что изменение в системе в обеих частях связано с [латексом] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex], а не с отдельным [латексом] \ boldsymbol {Q} \ text {s} [/ latex ] или [латекс] \ boldsymbol {W} \ text {s} [/ latex]. Система оказывается в том же состоянии как в (a), так и (b).Части (a) и (b) представляют два разных пути, которыми должна следовать система между одними и теми же начальными и конечными точками, и изменение внутренней энергии для каждой одинаково — оно не зависит от пути.

    Рисунок 3. Два разных процесса производят одно и то же изменение в системе. (a) Всего в системе происходит передача тепла 15,00 Дж, в то время как работа потребляет всего 6,00 Дж. Изменение внутренней энергии составляет Δ U = Q-W = 9,00 Дж . (б) Отвод тепла 150.00 Дж из системы во время работы дает ей 159,00 Дж, увеличивая внутреннюю энергию на 9,00 Дж. Если система начинается в одном и том же состоянии в пунктах (а) и (б), она окажется в одном и том же конечном состоянии в любом случае — ее конечное состояние связано с внутренней энергией, а не с тем, как эта энергия была получена.

    Метаболизм человека и первый закон термодинамики

    Метаболизм человека — это преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир. Метаболизм — интересный пример действия первого закона термодинамики.Теперь мы еще раз посмотрим на эти темы с помощью первого закона термодинамики. Рассматривая тело как интересующую нас систему, мы можем использовать первый закон для изучения теплопередачи, выполнения работы и внутренней энергии в различных видах деятельности, от сна до тяжелых упражнений. Каковы некоторые из основных характеристик теплопередачи, выполнения работы и энергии в организме? Во-первых, температура тела обычно поддерживается постоянной за счет передачи тепла в окружающую среду. Это означает, что [latex] \ boldsymbol {Q} [/ latex] отрицательный. Другой факт: тело обычно работает с внешним миром.Это означает, что [latex] \ boldsymbol {W} [/ latex] положительный. В таких ситуациях тело теряет внутреннюю энергию, поскольку [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U} = Q-W} [/ latex] отрицательно.

    Теперь рассмотрим эффекты еды. Прием пищи увеличивает внутреннюю энергию тела за счет добавления химической потенциальной энергии (это неромантичный взгляд на хороший стейк). Организм метаболизирует всей пищи, которую мы потребляем. По сути, метаболизм — это процесс окисления, в котором высвобождается химическая потенциальная энергия пищи.Это означает, что питание осуществляется в форме работы. Энергия пищи указывается в специальной единице, известной как калория. Эта энергия измеряется сжиганием пищи в калориметре, как и определяются единицы.

    В химии и биохимии одна калория (обозначается строчной буквой c) определяется как энергия (или теплопередача), необходимая для повышения температуры одного грамма чистой воды на один градус Цельсия. Диетологи и наблюдатели за весом обычно используют диетических калорий, которые часто называют калориями (пишется с заглавной буквы ° C).Одна пища Калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма воды на один градус Цельсия. Это означает, что одна диетическая калория для химика равна одной килокалории, и нужно быть осторожным, чтобы не путать эти две калории.

    Опять же, рассмотрим внутреннюю энергию, потерянную телом. Эта внутренняя энергия может идти по трем направлениям — на теплопередачу, выполнение работы и накопленный жир (крошечная часть также идет на восстановление и рост клеток). Передача тепла и выполнение работы забирают внутреннюю энергию из организма, а пища возвращает ее.Если вы едите необходимое количество пищи, ваша средняя внутренняя энергия остается постоянной. Все, что вы теряете на теплопередачу и выполнение работы, заменяется едой, так что в конечном итоге [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U} = 0}. [/ Latex] Если вы постоянно переедаете, то [латекс] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] всегда положительный, и ваше тело сохраняет эту дополнительную внутреннюю энергию в виде жира. Обратное верно, если вы едите слишком мало. Если значение [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] отрицательное в течение нескольких дней, тогда организм метаболизирует собственный жир, чтобы поддерживать температуру тела и выполнять работу, которая забирает у тела энергию. Именно так соблюдение диеты способствует снижению веса.

    Жизнь не всегда так проста, как знает любой человек, сидящий на диете. Организм накапливает жир или метаболизирует его только в том случае, если потребление энергии меняется в течение нескольких дней. После того, как вы сели на основную диету, следующая будет менее успешной, потому что ваше тело изменит способ реагирования на низкое потребление энергии. Ваша основная скорость метаболизма (BMR) — это скорость, с которой пища преобразуется в теплообмен и работу, выполняемую, когда организм находится в полном покое. Организм регулирует базальную скорость метаболизма, чтобы частично компенсировать переедание или недоедание.Организм будет снижать скорость метаболизма, а не устранять собственный жир, чтобы восполнить потерянную пищу. Вы легче простужаетесь и чувствуете себя менее энергичным из-за более низкой скорости метаболизма, и вы не будете терять вес так быстро, как раньше. Упражнения помогают похудеть, потому что они обеспечивают теплоотдачу от вашего тела и работы, а также повышают уровень метаболизма, даже когда вы находитесь в состоянии покоя. Снижению веса также способствует довольно низкая эффективность тела в преобразовании внутренней энергии в работу, так что потеря внутренней энергии в результате выполнения работы намного больше, чем проделанная работа. Следует отметить, однако, что живые системы не находятся в тепловом равновесии .

    Тело дает нам отличный индикатор того, что многие термодинамические процессы необратимы . Необратимый процесс может идти в одном направлении, но не в обратном, при заданном наборе условий. Например, хотя телесный жир может быть преобразован для выполнения работы и передачи тепла, работа, выполняемая телом, и передача тепла в него не могут быть преобразованы в телесный жир.В противном случае мы могли бы пропустить обед, загорая или спустившись по лестнице. Другой пример необратимого термодинамического процесса — фотосинтез. Этот процесс представляет собой поглощение растениями одной формы энергии — света — и ее преобразование в химическую потенциальную энергию. Оба применения первого закона термодинамики показаны на рисунке 4. Одно большое преимущество законов сохранения, таких как первый закон термодинамики, состоит в том, что они точно описывают начальную и конечную точки сложных процессов, таких как метаболизм и фотосинтез, без учета осложнения между ними.В таблице 1 представлены термины, относящиеся к первому закону термодинамики.

    Рис. 4. (а) Первый закон термодинамики применительно к метаболизму. Тепло, передаваемое из тела ( Q ), и работа, выполняемая телом ( W ), удаляют внутреннюю энергию, в то время как прием пищи заменяет ее. (Прием пищи можно рассматривать как работу, выполняемую телом.) (Б) Растения преобразуют часть лучистой теплопередачи в солнечном свете в накопленную химическую энергию — процесс, называемый фотосинтезом. Таблица 1. Сводка терминов для первого закона термодинамики, ΔU = Q − W
    • Первый закон термодинамики задается как [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U} = QW}, [/ latex], где [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] — это изменение внутренняя энергия системы, [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] — это чистая теплопередача (сумма всей теплопередачи в систему и из нее), а [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex ] — это общая проделанная работа (сумма всей работы, проделанной в системе).
    • И [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex], и [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex] — это энергия в пути; только [latex] \ boldsymbol {\ Delta {U}} [/ latex] представляет собой независимую величину, которую можно хранить.
    • Внутренняя энергия [латекс] \ boldsymbol {U} [/ latex] системы зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния.
    • Метаболизм живых организмов и фотосинтез растений — это специализированные типы передачи тепла, выполнения работы и внутренней энергии систем.

    Концептуальные вопросы

    1: Опишите фотографию чайника в начале этого раздела с точки зрения теплопередачи, проделанной работы и внутренней энергии. Как передается тепло? Какая работа и что делается? Как чайник поддерживает свою внутреннюю энергию?

    2: Первый закон термодинамики и закон сохранения энергии, как обсуждалось в главе 7.6 «Сохранение энергии», явно связаны.Чем они различаются по рассматриваемым видам энергии?

    3: Теплопередача [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] и проделанная работа [латекс] \ boldsymbol {W} [/ latex] всегда являются энергией в пути, тогда как внутренняя энергия [латекс] \ boldsymbol {U } [/ latex] — это энергия, запасенная в системе. Приведите пример каждого типа энергии и конкретно укажите, как он передается или находится в системе.

    4: Чем отличаются теплопередача и внутренняя энергия? В частности, что можно сохранить как таковое в системе, а что нет?

    5: Если вы сбежите по лестнице и остановитесь, что произойдет с вашей кинетической энергией и вашей начальной гравитационной потенциальной энергией?

    6: Объясните, как пищевая энергия (калории) может рассматриваться как молекулярная потенциальная энергия (в соответствии с атомарным и молекулярным определением внутренней энергии).6 \ textbf {J}} [/ latex] теплопередачи происходит в окружающую среду?

    5: Предположим, что женщина выполняет 500 Дж работы, и 9500 Дж передается в окружающую среду в процессе. а) Как уменьшается ее внутренняя энергия, если не меняется температура или потребление пищи? (То есть другой передачи энергии нет.) Б) Какова ее эффективность?

    6: (a) Сколько пищевой энергии усвоит человек в процессе выполнения 35,0 кДж работы с эффективностью 5. 00%? б) Сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать постоянную температуру? Ясно покажите, как вы следуете шагам стратегии решения проблем термодинамики, изложенной в главе 15.5 Стратегии решения проблем термодинамики.

    7: (a) Какова средняя скорость метаболизма в ваттах человека, который усваивает 10 500 кДж пищевой энергии за один день? (б) Какое максимальное количество работы в джоулях он может выполнить без расщепления жира, предполагая максимальную эффективность 20.0%? (c) Сравните его производительность с дневной мощностью двигателя 187 Вт (0,250 лошадиных сил).

    8: (a) Как долго будет хватать энергии в чашке йогурта мощностью 1470 кДж (350 ккал) у женщины, выполняющей работу мощностью 150 Вт с эффективностью 20,0% (например, при неторопливом лазании? лестница)? (б) Означает ли время, указанное в части (а), что легко потребить больше пищевой энергии, чем вы можете разумно ожидать, работая с упражнениями?

    9: (a) Женщина, поднимающаяся на памятник Вашингтону, усваивает [латекс] \ boldsymbol {6. 2 \ textbf {kJ}} [/ latex] пищевой энергии. Если ее КПД составляет 18,0%, сколько тепла передается в окружающую среду, чтобы поддерживать ее температуру постоянной? (б) Обсудите величину теплопередачи, указанную в (а). Это согласуется с тем, что вы быстро разминаетесь во время тренировки?

    Глоссарий

    первый закон термодинамики
    утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно чистой теплопередаче в система минус чистая работа, выполненная на система
    внутренняя энергия
    сумма кинетической и потенциальной энергий атомов и молекул системы
    метаболизм человека
    преобразование пищи в теплообмен, работу и накопленный жир

    Решения

    Задачи и упражнения

    1:

    [латекс] \ boldsymbol {1.7 \ textbf {J}} [/ latex]; таким образом, двигатель производит в 7,67 раз больше работы, чем человек

    9:

    (а) 492 кДж

    (b) Такое количество тепла соответствует тому факту, что вы быстро согреваетесь во время тренировки. Поскольку организм неэффективен, выделяемое избыточное тепло должно рассеиваться через потоотделение, дыхание и т. Д.

    Принцип сохранения энергии — обзор

    ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ЭКСПЛУАТАЦИЮ СИСТЕМЫ ОВК

    Рисунок 7.4 показана упрощенная модель базового элемента системы HVAC. Это может быть чиллер, воздухоочиститель, насос или другой предмет. Давайте разработаем базовый энергетический баланс для этой общей системы, а затем воспользуемся полученными данными для разработки инструментов для оценки вариантов управления энергопотреблением. (Символы в следующем уравнении определены на рис. 7.4.)

    Рис. 7.4. Базовая модель системы HVAC.

    По принципу сохранения массы

    (7,1) м˙1 = м˙2, кг / сек.

    Это эквивалент:

    (7.2) A1 v¯1 ρ1 = A2 v¯2 ρ2,

    где v¯1, v¯2 — средние скорости.

    Это называется уравнением неразрывности .

    По принципу сохранения энергии, общий расход энергии, поступающей на границу системы, должен равняться скорости истечения энергии. (Примечание: если читатель не знаком с основами термодинамики, следует ознакомиться с приложением к главе 7.) Это можно выразить следующим образом:

    (7,3) м˙1 (es1 + ef1) + E˙i + E ˙s = m˙2 (es2 + ef2),

    , где теперь

    e s = удельная энергия, переносимая в систему или покидающая систему входящей жидкостью, Дж / кг

    e f = «расходная» работа на входе или выходе из системы, Дж / кг

    Обратите внимание, что e s и e f будет зависеть от свойств жидкости (обычно воздух, вода, или хладагент). E i может состоять из тепла, добавляемого в систему или теряемого в системе. E s может быть включенной мощностью (например, двигатель, приводящий в действие вентилятор в системе) или извлеченной мощностью (турбина, приводимая в движение существующим потоком жидкости).

    Удельная энергия e s представляет собой сумму кинетической, потенциальной и внутренней энергии жидкости, определяемой выражением (на единицу массы)

    (7. 4) es1 = v¯122 + z1 g + μ1 Дж / кг,

    , где г — гравитационная постоянная, равная 9.81 м / сек 2 .

    Энергия потока e f 1 находится путем вычисления силы, действующей на площадь A 1 , а затем вычисления работы в единицу времени:

    (7,5) мÀ1 ef1 = P1A1v¯ 1 Дж / сек.

    Следовательно,

    (7,6) ef1 = P1A1v¯m˙1 = P1ρ1 Дж / кг.

    Аналогичные уравнения могут быть записаны для местоположения 2.

    Теперь мы можем записать уравнение потока энергии в установившемся режиме :

    (7,7) мÀ1 [v¯122 + z1 g + μ1 + P1ρ1] + E˙ 1 + E˙s = m˙2 [v¯222 + z2 g + μ2 + P2ρ2].

    Это уравнение можно упростить в зависимости от приложения. Прежде всего отметим, что по определению энтальпии:

    (7,8) h = μ + Pρ Дж / кг.

    Следовательно, уравнение потока энергии принимает следующий вид:

    (7,9) m˙1 [v¯122 + z1 g + h2] + E˙1 + E˙s = m˙2 [v¯222 + z2 g + h3] .

    Во многих практических задачах разница в высоте невелика, и термином потенциальной энергии можно пренебречь. Кроме того, во многих случаях изменения плотности незначительны, а в других их необходимо учитывать. «Средние» скорости потока требуют тщательного рассмотрения, поскольку в некоторых ситуациях скорости потока в разных потоках могут сильно различаться.

    Пример.

    Желательно обеспечить источник горячей воды при 100 ° C для системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Горячая вода должна быть получена путем смешивания пара с 3,79 кг / сек воды при 74 ° C. Сколько нужно пара при 102 ° C?

    Допущения:

    a.

    Игнорировать условия гравитации

    b.

    Предположим, что исходная скорость на входе = скорость на выходе; с дополнительными данными это можно проверить

    c.

    Валовые работы не выполняются

    d.

    Будут потери от водонагревателя, но данные не приводятся; пока игнорируйте их

    Необходимые данные:

    Пар: при 102 ° C, ч 2 ≃ 2,67 МДж / кг

    Вода: при 100 ° C, ч 3 ≃ 0,418 МДж / кг

    При 74 ° C, ч л ≃ 0,308 МДж / кг

    Раствор:

    мÀ1 h2 + m˙2h3 = m˙3h4 (3,79) ( 0,308) + мÀ2 (2. 67) = (3,79 + м˙2) (0,418) м˙2 = 0,18 кг / сек

    Следующая проверка влияния тепловых потерь:

    Суммарная подводимая энергия =

    (3,79) (0,308) + (0,18) ( 2,67) = 1,66 МДж / сек

    Предположим, что рассчитаны 10-процентные потери тепла. Затем следует увеличить поток пара, чтобы обеспечить 10 процентов (0,17 МДж / сек дополнительной энергии, например):

    0,17 МДж / сек 2,67 МДж / сек = 6,4 × 10-2 кг / сек.

    Поэтому рассмотрите возможность использования расхода пара:

    0,18 + 0,064 = 0,24 кг / сек.

    В этом обзоре базовой термодинамики энергетических систем мы рассмотрим основные компоненты систем HVAC.

    Котлы и источники тепла.

    Источники тепла, используемые в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, включают бойлеры (высокотемпературная горячая вода или пар), воздушные печи, тепловые насосы и электрические резистивные нагреватели. Бойлеры, паровые системы и системы горячего водоснабжения будут рассмотрены в главе 9, а тепловые насосы и источники электрического тепла — в главе 8.

    Особое значение для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха имеют следующие аспекты источников тепла:

    Защита тепла (изоляция трубопроводов, предотвращение утечек, рекуперация конденсата или горячей воды)

    Эффективная передача тепла (обслуживание теплообменника)

    Рекуперация тепла (из вентиляционного воздуха и других источников)

    Эти темы обсуждаются в других разделах этой главы и в других главах (см. Указатель).

    Чиллеры.

    В системах HVAC обычно используются поршневые компрессоры для меньших размеров и центробежные компрессоры для большей производительности. Рисунок 7.5a представляет собой схему основного цикла. На рисунке 7.6 показан типичный чиллер.

    Фиг. 7.5. Типичный рабочий цикл чиллера.

    Рис. 7.6. Большой чиллер HVAC.

    На рисунках 7.5 (b), (c) и (d) показаны термодинамические циклы. Для дальнейшего обсуждения обратитесь к диаграмме давление-энтальпия (рис. 7.5d). Линия, идущая вправо между точками 1 и 2, представляет сжатие процесса.В этом процессе хладагент сжимается от низкого давления испарения до необходимого давления конденсации. В идеале это было бы изоэнтропическое сжатие по линиям постоянной энтропии.

    Компрессоры в хорошем состоянии приближаются к изоэнтропическому сжатию, имея КПД около 90 процентов, в результате чего потребление энергии на 11 процентов выше, чем было бы в идеальном случае. Энергия, потребляемая во время этого хода, определяется путем вычитания энтальпии конечного состояния (точка 2) из ​​энтальпии начального состояния (точка 1).

    Конденсация хладагента высокого давления происходит между точками 2 и 3 при постоянном давлении. Вертикальная линия слева между точками 3 и 4 показывает постоянное расширение энтальпии через расширительный клапан, который снижает давление хладагента с конденсатора на давление испарителя. Горизонтальная линия в нижней части представляет собой охлаждающую часть цикла, в которой жидкий хладагент кипит и поглощает тепло в испарителе. В двухфазной области это процесс с постоянной температурой / постоянным давлением, но когда весь хладагент испарится (на правом конце линии), его температура начинает повышаться, поскольку он продолжает поглощать тепло.Это называется перегревом хладагента и требуется для предотвращения попадания жидкого хладагента обратно в компрессор и предотвращения возможных повреждений. Количество тепла, поглощаемого испаряющимся хладагентом, определяется путем вычитания энтальпии конечного состояния из энтальпии начального состояния.

    Мощность чиллера часто выражается в тоннах , где одна тонна охлаждения определяется как передача тепла со скоростью 3,52 кВт (12000 БТЕ / час) на тонну, что примерно соответствует охлаждение путем плавления льда из расчета одна тонна в сутки.

    Теперь применим уравнение 7.9 к рисунку 7.5, чтобы получить производительность чиллера. Ясно, что

    (7.10) Ee = h2 − h5 Дж / кг.

    Переведя в тонны, получим:

    (7,11) Производительность в тоннах = m˙ (h2 − h53,520),

    , где

    m˙ = расход хладагента, кг / с

    3520 = количество ватт на тонну

    1 ватт = 1 Джоуль в секунду

    Для установки с поршневым компрессором пусть

    N = скорость компрессора, оборотов в секунду

    14 D D D 90 p = рабочий объем поршня компрессора, м 3 / об

    η v = объемный КПД компрессора

    ρ r = плотность хладагента, кг / м 3 3 3 3 3 3

    Тогда

    (7,12) Производительность = N Dρ ηv ρr (h2 − h53,520),

    Это означает, что производительность зависит от следующих факторов:

    Скорость компрессора,

    Рабочий объем компрессора,

    Зазор компрессора (который влияет на η v ),

    Используемый хладагент и температуры цикла.

    Очевидно, что общая производительность системы также зависит от КПД двигателя ( E s ) и производительности цикла конденсации, которые можно проанализировать аналогичным образом.Теперь сделаем несколько замечаний, касающихся производительности компрессора.

    Разница температур в теплообменнике определяется путем сравнения температуры конденсации или испарения (температура насыщенной жидкости на диаграммах давление-энтальпия) с температурой воздуха или воды на выходе. Теплообменники хладагент-вода и испарители прямого расширения обычно рассчитаны на разницу температур 6 ° C (10 ° F), в то время как конденсаторы с воздушным охлаждением обычно рассчитаны на 12 ° C (20 ° F).Небольшой недорогой корпус и оконные блоки часто проектируются с температурой до 12 ° C (20 ° F) в испарителе и 17 ° C (30 ° F) в конденсаторе. Значительно более высокие температурные различия указывают на то, что поверхность теплообмена «загрязнена» и очистка необходима. На каждый градус Цельсия превышения разницы температур требуется около 2 процентов дополнительной энергии или 0,02 кВт-ч / тонна-час.

    Настройка перегрева определяется путем вычитания температуры насыщенной жидкости, соответствующей температуре испарения, из температуры хладагента на выходе из испарителя.Эта разница обычно составляет от 5 ° до 7 ° C и поддерживается расширительным клапаном. Если эта разница температур низкая, есть вероятность, что часть хладагента вернется в компрессор в виде жидкости и вызовет повреждение, а если эта разница высока (12-17 ° C или 20-30 ° F), большая часть испаритель используется для перегрева хладагента. В этом случае требуется гораздо более низкая температура кипения, чтобы обеспечить такое же количество охлаждения.

    Таким образом, регулировка настройки перегрева термостатического расширительного клапана приведет к повышению температуры кипения.Экономия снова составит около 0,02 кВт на тонну при повышении температуры кипения на градус Цельсия.

    Механическое состояние компрессоров определяется следующим образом. Там, где построенная линия сжатия наклонена значительно правее, чем линии изоэнтропического сжатия, внутри компрессора происходит значительное дросселирование. В небольших и плохо спроектированных компрессорах это может быть из-за неправильного размера клапана и плохой конструкции. В более крупных агрегатах это происходит из-за неисправности клапана или прорыва колец.Поскольку часть хладагента отводится назад от нагнетательного патрубка к всасывающей части, он сохраняет большую часть своего тепла сжатия, и его необходимо повторно сжимать, что требует чрезмерного использования энергии. В центробежных компрессорах поверхности между рабочим колесом и корпусом обрабатываются с высокими допусками, чтобы обеспечить очень плотную посадку. После многих лет эксплуатации эти поверхности изнашиваются, что приводит к значительной обратной утечке и неэффективной работе.

    Охлаждение также может выполняться блоками прямого расширения (DX), которые аналогичны чиллерам, за исключением того, что хладагент охлаждает воздух напрямую, а не использует охлажденную воду в качестве теплоносителя. Установки DX устраняют необходимость в насосах охлажденной воды, а также снижают потери эффективности, связанные с передачей тепла к воде и от нее. Как правило, они должны располагаться близко (~ 30 м) к охлаждающим змеевикам, чтобы их размер ограничивался охлаждением, необходимым для одного воздухообрабатывающего агрегата. Один большой чиллер может обслуживать несколько распределенных кондиционеров воздуха. Если воздухоочистители расположены близко друг к другу, может быть более эффективным использование блока DX.

    Вентиляторы.

    Вентиляторы вызывают движение потоков воздуха или газа, передавая энергию для преодоления сопротивления пути потока.Требуемая мощность зависит от объема перемещаемого газа, разницы давлений на вентиляторе, плотности газа, а также механических размеров, конструкции и эффективности вентилятора.

    Общее повышение давления, измеренное на вентиляторе, складывается из двух компонентов:

    (7,13) ΔP = Ps + Pv Н / м2,

    , где

    P с = статическое давление

    P v = скорость давления.

    Скоростное давление можно определить по скорости воздушного пара с помощью закона Бернулли:

    (7.14) v = 2Pvρ м / сек; Pv = v¯2 ρ2,

    , где

    v = скорость воздуха, м / с

    ρ = плотность воздуха кг / м 3 .

    Обратите внимание, что часто давление вентилятора (статическое и скорость) обычно измеряется в дюймах водяного столба. Коэффициент преобразования:

    (7,15), умноженное на дюйм воды × 249,1, чтобы получить Н / м2.

    Выходная мощность вентилятора выражается в его воздушной мощности и эквивалентна работе, выполняемой вентилятором в воздухе.Для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха повышением плотности воздуха от входа к выходу, как правило, можно пренебречь. Следовательно, газ можно рассматривать как несжимаемый, и уравнение (7.9) сводится к:

    (7.16) E˙1 = m˙ [v¯22 − v¯222]

    m˙ = массовый расход , кг / с

    v 2 = скорость на выходе, м / с

    v 1 = скорость на входе, м / с.

    Снова используя закон Бернулли,

    (7.17) P1 = P2 = 12ρ (v22 − v12);

    и отметив, что

    (7,18) P1 − P2 = ΔP N / m2m˙ / ρ = V˙ m3 / sec,

    , тогда получаем

    (7.19) E˙i = V˙ Δ P N⋅msec = Джоулсек = ватт,

    , где теперь E˙i — это работа, выполняемая вентилятором в воздухе в единицу времени. Если входная мощность на валу вентилятора E˙1 равна ваттам, то механический КПД вентилятора определяется выражением

    (7.20) η = V˙ Δ PQs.

    Можно определить либо static , либо общий КПД , в зависимости от того, какой перепад давления используется в уравнении 7.20.

    Некоторые параметры имеют важное влияние на производительность вентилятора с точки зрения энергии.

    Объемный расход воздуха, проходящего через вентилятор, V˙ напрямую зависит от скорости вращения крыльчатки. Это выражается следующим образом для вентилятора, скорость которого изменяется с N 1 на N 2 :

    (7,21) V˙2 = (N2N1) V˙1

    Давление, развиваемое вентилятором, P , (статический или общий) изменяется как квадрат скорости рабочего колеса:

    (7. 22) P2 = (N2N1) 2P1.

    Мощность, необходимая для привода вентилятора, Q , зависит от кубической скорости крыльчатки:

    (7,23) Q2 = (N2N1) 3Q1.

    Эти законы для вентиляторов указывают, что для данной системы распределения воздуха (определенные воздуховоды, заслонки и т. Д.), Если воздушный поток должен быть удвоен, требуется восьмикратная (2 3 ) мощность. И наоборот, если воздушный поток должен быть сокращен вдвое, требуется одна восьмая (1/2 3 ) мощности. Это важный факт для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, потому что даже небольшое уменьшение воздушного потока (скажем, на 10 процентов) может привести к значительной экономии энергии (27 процентов).

    Способ уменьшения воздушного потока имеет решающее значение для реализации этой экономии. Максимальная экономия достигается за счет подбора двигателя точно для обеспечения необходимого воздушного потока. В существующих системах простая замена шкивов для обеспечения желаемой скорости также приведет к снижению энергии в соответствии с кубическим законом. Однако эффективность существующих двигателей вентиляторов имеет тенденцию падать ниже диапазона половинной нагрузки, поэтому существует практический предел.

    Если требуется подача воздуха с переменным объемом, это может быть достигнуто с помощью управления входными лопастями, выпускных заслонок, двигателей с регулируемой скоростью, вентиляторов с регулируемым шагом или цикличности.Относительная эффективность этих подходов показана на рисунке 7.7.

    Рис. 7.7. Потребляемая мощность вентилятора для различных типов регуляторов частичной нагрузки.

    Источник: Smith, C.B., ed., Эффективное использование электроэнергии , Pergamon Press, 1978 г. Авторские права © 1978

    Производительность вентилятора представлена ​​в кривых вентилятора , как показано на рисунке 7.8. Обычно встречаются вентиляторы двух типов: центробежные и осевые. Управление вентиляторами осуществляется путем управления выпускной заслонкой, входной заслонки, регулируемой скорости, регулируемым шагом или циклическим переключением.

    Рис. 7.8. Типичная кривая производительности вентилятора.

    Регулировка скорости — наиболее эффективный практический метод управления вентиляторами и экономии энергии. Новые разработки в области полупроводниковых приводов переменного тока с регулируемой скоростью делают эту возможность сегодня особенно интересной.

    Управление заслонкой приводит к потере мощности, поскольку энергия избыточного давления должна рассеиваться за счет дросселирования. В конечном итоге это также вносит дополнительную тепловую нагрузку в систему кондиционирования воздуха в дополнение к потере энергии вентилятора.

    Насосы.

    Большинство насосов, представляющих интерес для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, являются центробежными или осевыми. В таких насосах жидкость поступает в насос под атмосферным или более высоким давлением и нагнетается в набор вращающихся лопастей или лопастей, называемых рабочим колесом . Затем крыльчатка выпускает жидкость с более высоким давлением и более высокой скоростью. При анализе насосов, представляющих интерес для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, мы можем пренебречь конкретными изменениями энергии. Тогда уравнение 7.9 сводится к:

    (7.24) m˙1 [v122 + P1ρ + z1 g] + E˙f = m˙2 [v222 + P2ρ + z2 g],

    где:

    m˙1 = m˙2 = m˙

    Q f = E˙f = работа, выполненная с жидкостью.

    Перестановка,

    (7.25) Qf = m˙1 [v12 − v122 + P1 + P1ρ + (z2 − z1) g].

    Здесь первая величина в скобках представляет собой член кинетической энергии (скоростной напор), вторая — термин энергии потока (напор статического давления), а третья — термин потенциальной энергии (изменение высоты). Обратите внимание: если мы удалим константу g из скобок, уравнение (7.25) сводится к:

    (7.26) Qf = m˙g [v22 − v122g + P2 + P1gρ + (z2 − z1)].

    Теперь видно, что каждый член в скобке имеет единицы длины, и его часто называют общим напором в метрах (футах), создаваемым насосом. При этом соотношении гидравлическая мощность насоса определяется выражением

    (7.27) Qf = m˙gH = V˙ρgH = V˙ΔP ватт,

    , где Δ P — полное давление (Н / м 2 ) разработан насосом.

    Пример.

    Предположим, насос имеет следующие характеристики.Что такое жидкость work Q f ?

    Напор = 30,5 м (100 футов)
    Расход = 6,31 × 10 −3 м 3 / сек (100 галлонов в минуту)
    Плотность воды = 1000 кг / м 3
    г = 9,81 м / с 2
    Q f = (6,31) (10 −3 ) (10 3 ) (9,81 ) (30,5) = 1888 Вт.

    Уравнение 7.27 описывает только работу, выполняемую с жидкостью, и не включает потери на трение внутри насоса. Если известен КПД насоса η p , мощность на валу можно найти как

    (7,28) Qs = E˙s = Qfηρwatts.

    Q s часто называют мощностью накачки (pp).

    Насосы зависят от изменений скорости для добавления энергии жидкости. В реальной системе эти отношения сложны, но их можно приблизительно проанализировать, рассматривая пути потока внутри насоса.Если это сделано, можно определить крутящий момент, прилагаемый насосом к жидкости, а мощность жидкости Q f можно найти из соотношения

    (7.29) Qf = Tω,

    , где

    T = крутящий момент, Нм

    ω = угловая скорость рабочего колеса, рад / с.

    Скорости в центробежном насосе зависят от геометрии (фиксируется диаметром рабочего колеса и углами лопастей) и от скорости рабочего колеса и, следовательно, зависят от скорости насоса.Таким образом, можно показать, что насосы подчиняются законам, аналогичным законам вентилятора, описанным ранее (уравнения 7.21, 7.22 и 7.23). Другими словами:

    Расход напрямую зависит от скорости N

    Давление (напор) зависит от N 2

    Мощность зависит от N 3

    Интересно, что эффект уменьшения диаметра рабочего колеса примерно такой же, как и уменьшение скорости. Таким образом, уравнения с 7.21 по 7.23 можно переписать как функцию диаметра рабочего колеса D, где D 1 и D 2 представляют два диаметра рабочего колеса (при прочих равных условиях):

    (7.30) V˙2 = [ D2D1] V˙1

    (7.31) P2 = [D2D1] 2P1

    Q2 = [D2D1] 3 Q1

    Это практический результат, имеющий определенное значение в ситуациях модернизации, как будет обсуждаться позже. Для низкоскоростных насосов регулировка рабочего колеса практична для снижения скорости до 25–30 процентов и менее практична для высокоскоростных насосов.

    Насосы работают с жидкостями и тем самым повышают температуру. Хотя это обычно не имеет значения для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, это может указывать на неправильное применение насоса или неисправность насоса.

    Пренебрегая потерями в подшипниках и излучением, энергия, добавленная к массе м жидкости с удельной теплоемкостью c p , составляет:

    (7,33) e = cp (T2 − T1) Дж / кг

    С этого момента от мощности насоса (кроме той части, которая хранится в виде энергии в жидкости):

    (7. 34) Qs − Qf = m˙ cp ΔT Вт,

    , где

    pp = мощность насоса, Вт = Q с

    c p = удельная теплоемкость, Дж / ° C кг

    Δ T = T 2 — T 1 , ° C

    η p = КПД насоса, безразмерный.

    Решая для Δ T и отмечая, что Q с = Q f / η p ,

    ΔT = Qsm˙ 1ηρ.

    А, используя уравнение (7.27),

    (7.35) ΔT = gHcp (1ηρ − 1) ° C.

    Очевидно, что это не важный фактор, если напор не превышает нескольких сотен метров.

    Производительность насоса может быть представлена ​​в табличной или графической форме. Графическое представление данных насоса имеет форму кривых насоса (рис. 7.9), которые напоминают кривые вентилятора, показанные на рис. 7.8. На рисунке 7.10 показан типичный насос системы HVAC.

    Рис. 7.9. Типичные характеристики насоса.

    Фиг.7.10. Типичный насос HVAC.

    Градирни.

    Градирни используются для отвода тепла от конденсаторов или другого оборудования. Некоторые конденсаторы имеют воздушное охлаждение. Конденсаторы с воздушным охлаждением требуют меньшего обслуживания, но имеют недостаток, заключающийся в том, что они ограничиваются температурой по сухому термометру, что приводит к более высокой температуре конденсации и снижению эффективности чиллера. Охлаждающая вода конденсатора перекачивается в градирню, где охлаждается воздухом. Типичными типами градирен являются: принудительная тяга, принудительная тяга, принудительная тяга с поперечным потоком и гиперболическая тяга.Градирни с принудительной тягой (рис. 7.11) обычно встречаются при операциях ОВК.

    Рис. 7.11. Эскиз градирни и энергетический баланс.

    В градирне вода разбрызгивается восходящим потоком воздуха. Заметное охлаждение может быть достигнуто, если температура воздуха ниже, чем температура воды. Однако больший охлаждающий эффект достигается за счет испарения части воды конденсатора. Вода, потерянная при испарении, должна быть заменена подпиточной водой.

    Уравнение 7.8 можно применить для анализа градирни, хотя некоторые модификации необходимы, потому что четыре потока входят и выходят, а не два.Выполняются внешние работы двух видов; энергия требуется для работы вентилятора и перекачивания воды из конденсатора.

    Для практических целей мы можем игнорировать разницу в скорости и высоте и пренебречь энергозатратами, обеспечиваемыми вентилятором и насосом. Уравнение 7.9 затем сводится к (номенклатура см. На рис. 7.9):

    m˙w1hw1 − m˙w2hw2 = m˙a (ha4 − ha3) + m˙vhv4 − m˙v3hv3.

    Обратите внимание, что правая часть уравнения (7.36) — это энергия, отводимая градирней. Чтобы максимизировать это, необходимо (для фиксированных условий конденсатора):

    Максимальный поток воздуха M˙a

    Максимальный h a 4 h a 3 , и. е., увеличение энтальпии воздуха

    Минимизация M˙v3 (более низкая температура по влажному термометру)

    Для заданных условий градирни теплопередача увеличивается до максимума за счет увеличения h wl (более высокая температура поступающей воды) . Однако это ограничено практическими соображениями. Для поршневых компрессоров температура конденсации должна составлять около 32 ° C (90 ° F). Для центробежных компрессоров допустимы более низкие температуры. Для максимальной эффективности следует использовать минимально возможную температуру конденсации.Способы достижения этого будут обсуждаться позже.

    Производительность градирни определяется диапазоном охлаждения (ΔT между температурами воды в точках (1) и (2)) и приближением (ΔT между температурой воды в точке (2) и температурой по влажному термометру входящего воздуха (3)).

    Возможные проблемы с градирнями — это засорение (которое влияет на воздушный поток и теплопередачу), чрезмерное количество подпиточной воды, неправильный контроль температуры и механические повреждения, приводящие к утечкам и неэффективной работе.

    Работа — Энергетическое образование

    Работа — 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 прилагается 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 видеть физически.Это также может повлиять 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 эти два процесса принципиально разные, и их можно изучить на странице тепло и работа.

    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, что работа ([math] W [/ math]) может изменять ([math] \ Delta [/ math]) кинетическую энергию системы ([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

    • [math] W [/ math] — 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 на то, 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 положительная работа была выполнена. Если направления противоположны, например сила трения и сопротивления воздуха движущемуся автомобилю, энергия системы будет уменьшаться, что приведет к выполнению отрицательной работы.

    В физическом смысле работа никогда не бывает чем-то, чем обладает объект. Это всего лишь то, что один объект делает с другим. Работа изменяет количество механической и внутренней энергии, которой обладают объекты.Когда работа выполняется на системе или объекте, к этому добавляется энергия. Когда работа выполняется системой или объектом, 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 прилагаться через большее расстояние; они не меняют объем проделанной работы.

    Список литературы

    1. 1.0 1.1 1.2 Р. Д. Найт, «Работа и кинетическая энергия» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Пирсон Аддисон-Уэсли, 2008 г., 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.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
    тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск