Закон превращения энергии: Закон сохранения и превращения энергии – открытие в механике — Детская игровая комната «Волшебный лес»

Posted on 23.03.202029.04.2021 by alexxlab

Содержание

Законы сохранения энергии — Электронный учебник по законам сохранения

Если тело некоторой массы m двигалось под действием приложенных сил, и его скорость изменилась от до то силы совершили определенную работу A.

Работа всех приложенных сил равна работе равнодействующей силы

Работа равнодействующей силы. .A = F₁s cos α₁ + F₂s cos α₂ = F_1ss + F_2ss = F_рss = F_рs cos α

Между изменением скорости тела и работой, совершенной приложенными к телу силами, существует связь. Эту связь проще всего установить, рассматривая движение тела вдоль прямой линии под действием постоянной силы В этом случае векторы силы перемещения скорости и ускорения направлены вдоль одной прямой, и тело совершает прямолинейное равноускоренное движение. Направив координатную ось вдоль прямой движения, можно рассматривать F, s, υ и a как алгебраические величины (положительные или отрицательные в зависимости от направления соответствующего вектора). Тогда работу силы можно записать как A = Fs. При равноускоренном движении перемещение s выражается формулой

Отсюда следует, что

Это выражение показывает, что работа, совершенная силой (или равнодействующей всех сил), связана с изменением квадрата скорости (а не самой скорости).

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела:

Работа приложенной к телу равнодействующей силы равна изменению его кинетической энергии.

Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии. Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения.

Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:

Если тело движется со скоростью то для его полной остановки необходимо совершить работу

В физике наряду с кинетической энергией или энергией движения важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными.

Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю. Это утверждение поясняет рисунок ниже

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Работа консервативной силы A_1a2 = A_1b2. Работа на замкнутой траекторииA = A_1a2 + A_2b1 = A_1a2 – A_1b2 = 0

Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещения на ось OY, направленную вертикально вверх:

ΔA = F_т Δs cos α = –mgΔs _y,

где F_т = F_тy = –mg – проекция силы тяжести, Δs_y – проекция вектора перемещения. При подъеме тела вверх сила тяжести совершает отрицательную работу, так как Δs_y > 0. Если тело переместилось из точки, расположенной на высоте h₁, в точку, расположенную на высоте h₂ от начала координатной оси OY , то сила тяжести совершила работу

A = –mg (h₂ – h₁) = –(mgh₂ – mgh₁).

Работа силы тяжести

Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh, взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Если рассматривать движение тел в поле тяготения Земли на значительных расстояниях от нее, то при определении потенциальной энергии необходимо принимать во внимание зависимость силы тяготения от расстояния до центра Земли (закон всемирного тяготени). Для сил всемирного тяготения потенциальную энергию удобно отсчитывать от бесконечно удаленной точки, т. е. полагать потенциальную энергию тела в бесконечно удаленной точке равной нулю. Формула, выражающая потенциальную энергию тела массой m на расстоянии rот центра Земли, имеет вид:

где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная.

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Можно просто удлинить пружину на величину x, или сначала удлинить ее на 2x, а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях сила упругости совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A, взятой с противоположным знаком :

где k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, т. е. сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой посредством сил упругости.

Свойством консервативности наряду с силой тяжести и силой упругости обладают некоторые другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия между заряженными телами. Сила трения не обладает этим свойством. Работа силы трения зависит от пройденного пути. Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

E_k1 + E_p1 = E_k2 + E_p2.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Сумму E = E_k + E_p называют полной механической энергией. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой консервативными силами, то есть силами, для которых можно ввести понятие потенциальной энергии.

Пример применения закона сохранения энергии – нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, удерживающей тело массой m при его вращении в вертикальной плоскости (задача Х. Гюйгенса). Рис. 1.20.1 поясняет решение этой задачи.

К задаче Христиана Гюйгенса.

– сила натяжения нити в нижней точке траектории

Закон сохранения энергии для тела в верхней и нижней точках траектории записывается в виде:

Обратим внимание на то, что сила натяжения нити всегда перпендикулярна скорости тела; поэтому она не совершает работы.

При минимальной скорости вращения натяжение нити в верхней точке равно нулю и, следовательно, центростремительное ускорение телу в верхней точке сообщается только силой тяжести:

Из этих соотношений следует:

Центростремительное ускорение в нижней точке создается силами и направленными в противоположные стороны:

Отсюда следует, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити в нижней точке будет по модулю равно

Прочность нити должна, очевидно, превышать это значение.

Очень важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими консервативными силами действуют силы трения или силы сопротивления среды.

Сила трения не является консервативной. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание).

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую.

Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии

Один из проектов «вечного двигателя». Почему эта машина не будет работать?

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.

3. Сохранение энергии в тепловых процессах. Уравнение теплового баланса

Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в развитии науки в различных направлениях.

Над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии много работал У. Дж. М. Ранкин.

Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин)

Ранкин первым начал широко применять термин «энергия» и попытался дать этому понятию общее определение. Под энергией системы вслед за Ранкиным стали понимать её способность производить работу.

Ранкин писал:

Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу; количество энергии измеряется количеством работы, которую она способна произвести.

Французский математик и физик Ж. Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности — односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому.

Жан Батист Жозеф Фурье

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно (т. е. во времени!) выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие естественным образом (без участия внешних сил) тепловые процессы необратимы.

Второе, не менее важное открытие принадлежит С. Карно, который изучал проблему использования теплоты (тепловой энергии) через преобразование её в механическую энергию для производства работы в тепловых двигателях. Результаты своих исследований он изложил в сочинении «Размышления о движущей силе, огне и о машинах, способных развивать эту силу».

Николя Леонар Сади Карно

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает нагретое тело, непосредственно невозможно превратить в механическую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

Обрати внимание!

При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом (телами) (если нет потерь теплоты):

Qотд=Qполуч.

Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах. Физика, 8 класс: уроки, тесты, задания.

1.	Превращения энергии Сложность: лёгкое	1
2.	Нагревание при сжигании топлива Сложность: лёгкое	2,9
3.	КПД нагревательной установки Сложность: лёгкое	2
4.	Нагревание за счёт сгорания топлива Сложность: среднее	2
5.	КПД нагревательной установки Сложность: среднее	3
6.	Нагревание при падении на землю Сложность: среднее	4
7.	В котле Сложность: сложное	4
8.	Нагревание при падении с высоты Сложность: сложное	4
9.	Мощность двигателей самолёта Сложность: сложное	5
10.	Реактивный лайнер Сложность: сложное	5
11.	Паровой молот Сложность: сложное	5
12.	Измерение температуры воды Сложность: сложное	5
13.	Охлаждение энергетической установки Сложность: сложное	6

Превращение энергии при гармонических колебаниях.

Затухающие колебания.

Превращение энергии при гармонических колебаниях.
На примере колебаний тела на нити видим, что в положении равновесия скорость и, следовательно, кинетическая энергия тела максимальны. Если потенциальную энергию отсчитывать от положения равновесия, то она максимальна при амплитудном значении смещения, т.е. когда кинетическая энергия (скорость) равна нулю.
Т.к. мы рассматриваем свободные колебания (происходящие в отсутствие трения), то выполняется закон сохранения механической энергии: сумма кинетической и потенциальной энергий остается неизменной:
Пусть колебание происходит по закону синуса, тогда скорость меняется по закону косинуса. Запишем выражение для кинетической энергии: .
Согласно закону сохранения энергии, полная энергия будет равна максимальной кинетической, т. к. в положении равновесия потенциальная равна нулю. Тогда: . Для потенциальной энергии получим:
Т.о. мы видим, что колебания кинетической и полной энергий происходят в противофазе.
ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ.
*Затухающими* наз. колебания, энергия (а значит, и амплитуда) которых уменьшается с течением времени. Затухание свободных механических гармонических колебаний связано с убыванием механической энергии за счет действия сил сопротивления и трения.
Если сила сопротивления пропорциональна скорости относительного движения , то амплитуда колебаний изменяется по закону, где x₀ – начальная амплитуда, — коэффициент затухания, характеризующий быстроту убывания амплитуды, e – основание натурального логарифма.
Затухающие колебания не являются истинно периодическим процессом, т.к. в них никогда не повторяются значения физических величин.
Условным периодом затухающих колебаний наз. промежуток времени между двумя состояниями колеблющейся системы, в которых физические величины, характеризующие колебания, принимают аналогичные значения, изменяясь в одном и том же направлении: , где ω₀ – собственная частота свободных колебаний.
Мы видим, что период затухающих колебаний больше, чем период незатухающих колебаний с теми же параметрами колебательной системы.
При условии δ < ω₀ затухающие колебания описываются уравнением , где . Если δ > ω₀, то трение в системе очень велико и колебаний не происходит, запас механической энергии тела к моменту его возвращения в положение равновесия полностью расходуется на преодоление трения.

§ 46. Открытие закона сохранения и превращения энергии

Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно и установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Однако это открытие было подготовлено всем ходом развития физики в первой половине XIX в. Все большее и большее место в физических исследованиях занимали исследования явлений, в которых имело место превращение различных форм движения друг в друга. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его пондермоторного действия, изучение процессов превращения теплоты в работу и т. д. — все Это способствовало возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы друг в друга.

Эта идея вызревала и начинала вступать в конфликт со взглядами, основанными на концепции «невесомых». Эту идею все чаще высказывают различные ученые и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг был сделан многими учеными. Интересно отметить, что ряд из них не были специалистами физиками в момент открытия закона сохранения и превращения энергии. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Майер, немецкий ученый Гельмгольц (бывший в то время врачом и физиологом и лишь затем ставший физиком) и, наконец, англичанин Джоуль, занимавшийся физическими исследованиями.

Роберт Майер

Роберт Майер (1814—1878) занимался медициной и физиологией. В 1840 г. он обнаружил, что кровь, взятая из вены у людей, живущих в тропиках, имеет более яркий цвет, нежели у людей, живущих в Европе. Исследуя это явление, Майер решил, что причиной этого служит различие в разности температур человеческого тела и окружающей среды. Размышляя над этим вопросом, он и пришел в конце концов к общей идее о неразрушимости «сил природы» и о способности их превращаться друг в друга. Свои взгляды и выводы Майер впервые изложил в работе «О количественном и качественном определении сил». Здесь под словом «сила» Майер понимает то, что в дальнейшем стали называть энергией. Этот термин он сохраняет и в последующих своих работах. Силы, по Майеру,— причины, изменяющие взаимное отношение между веществами тел. Из законов логики и принципа причинности, по Майеру, следует, что силы — неуничтожимые объекты, но изменяющиеся по своим качествам. Наука, «изучающая вид бытия сил (физика), должна считать количество своих объектов неизменными и только качество их изменяющимся»¹, — полагает Майер. Далее он пишет:

«…движение, теплота и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество, представляют собой явления, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам»²

Высказав эти общие положения, Майер, однако, при конкретном рассмотрении их сделал ряд ошибочных и путаных допущений. Так, например, за меру механического движения он принимал не кинетическую энергию, а количество движения. Указанную работу Майер предполагал напечатать в физическом журнале «Annalen der physik». Однако редактор журнала Поггендорф отказался ее опубликовать. Статья носила общий полуфилософский характер и не содержала каких-либо конкретных экспериментальных или теоретических результатов.

В том же 1841 г. Майер написал новую работу по тому же вопросу и, учитывая свой неудачный опыт, послал ее в химико-фармацевтический журнал «Annalen der Chemie und Pharmacie», где она и была напечатана в 1842 г. под названием «Замечания о силах неживой природы». В этой статье, также в основном носящей общий характер, Майер уже более обстоятельно развил свои идеи и не допускал ошибочных положений, которые содержались в первой статье. Новым важным моментом было то, что, говоря о превращении механической энергии в теплоту, Майер впервые устанавливает существование механического эквивалента теплоты. Он писал:

«…Необходимо ответить на вопрос, как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла. Например, мы должны были определить, как высоко должен быть поднят определенный груз над поверхностью земли, чтобы его сила падения была эквивалентна нагреванию равного ему по весу количества воды с 0 до 1°»³.

Майер сообщает далее, что он проделал соответствующий расчет, используя известные уже тогда значения теплоемкости воздуха при постоянном давлении c_p и теплоемкости при постоянном объеме c_v, и нашел механический эквивалент теплоты, который, по его расчетам, оказался равным 365 кГм/ккал.

В 1845 г. Майер опубликовал книгу «Органическое движение в его связи с обменом веществ», где более подробно изложил учение о сохранении и превращении энергии («силы», по его терминологии). Более подробно основные положения Майера заключаются в следующем. В природе, полагал он, имеются два рода причин: одним присуще свойство весомости и непроницаемости — это материя, другая группа причин — это силы. Материя и силы неразрушимы. Это следует из принципа, что причина всегда равна действию, которое, в свою очередь, является причиной для последующего действия. Одновременно причины способны принимать различные формы. «Причины есть (количественно) неразрушимые и (качественно) способные к превращениям объекты». В связи с этим и силы — неразрушимые, способные к превращениям объекты. В природе существуют несколько качественно различных «сил». Во-первых, движение: «Движение есть сила». Эта сила измеряется величиной живой силы. При соударении упругих тел общая сумма «живых сил» остается постоянной. Другой силой является «сила падения». Под этой силой Майер подразумевает потенциальную энергию поднятого тела. Она измеряется произведением веса на высоту. При падении «сила падения» и «сила движения» взаимно превращаются друг в друга. Общая же их сумма остается постоянной. Тепло также является «силой». Она может быть превращена в механическое движение, и наоборот. Превращение механического эффекта (общее название, по Майеру, для кинетической и потенциальной энергии) в теплоту и наоборот происходит всегда в строго эквивалентных количествах. В работе «Органическое движение и обмен веществ» Майер приводит более точное значение механического эквивалента теплоты (чем в статье 1842 г.), найденное опять-таки исходя из различия между теплоемкостью воздуха при постоянном объеме и постоянном давлении. По его расчетам, механический эквивалент равен 425 кГм/ккал.

Формой проявления физической силы является также электричество. В случае трения механическая энергия может превращаться в электричество. Майер приводит пример с электрофором, справедливо отмечая, что при удалении верхней пластинки приходится затрачивать механическую работу против электрической силы помимо работы против силы тяжести.

Кроме перечисленных сил существует еще «химическая сила». Этой силой, по Майеру, обладают химические вещества, способные соединяться, будучи разобщенными: химически раздельное существование, или химическая разность веществ, есть «сила». Майер рассматривает примеры взаимопревращаемости «сил»: механического движения в теплоту и электричество, электричества — в теплоту и «механический эффект», теплоты — в электричество и т. д. Майер понимал, что его теория не только является новой, но и противоречит существующим взглядам. Поэтому он специально высказывается против представления о невесомых. Он пишет:

«Выскажем великую истину: не существует никаких нематериальных материй. Мы прекрасно сознаем, что мы ведем борьбу с укоренившимися и канонизированными крупнейшими авторитетами гипотезами, что мы хотим вместе с невесомыми жидкостями изгнать из учения о природе все, что осталось от богов Греции; однако мы знаем также, что природа в ее простой истине является более великой и прекрасной, чем любое создание человеческих рук, чем все иллюзии сотворенного духа»⁴.

Первые работы Майера не обратили на себя внимания физиков. Напечатаны они были не в физических журналах, в значительной степени носили общий характер, не говоря уже о том, что они находились в противоречии с господствующей теорией теплорода и вообще с представлениями о невесомых.

В 1843 г. независимо от Майера к открытию эквивалентности теплоты и работы, а затем и к закону сохранения и превращения энергии пришел англичанин Джемс Прескотт Джоуль (1818— 1889). Начиная с 1841 г. Джоуль занимался исследованием выделения теплоты электрическим -током. В это время, в частности, он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем (закон Джоуля—Ленца). Исследуя затем общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, за определенное время, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У него, Джоуля, складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может рассматриваться как важный агент, который переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло»⁵. Но источником электрического тока может служить также и «Электромагнитная машина». Как в этом случае нужно рассматривать теплоту, выделяемую электрическим током? Джоуль задается также вопросом: что будет, если в цепь с гальваническим элементом включить магнитоэлектрическую машину (т. е. электродвигатель), как повлияет это на количество теплоты, выделяемой током в цепи?

Джемс Прескотт Джоуль

Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль и пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе.«Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты», опубликованной в 1843 г. Прежде всего Джоуль исследовал вопрос о количестве теплоты, выделяемой индукционным током. Для этого он поместил проволочную катушку с железным сердечником в трубку, которая была наполнена водой, и вращал ее в магнитном поле, образованном полюсами магнита (рис. 63). Измеряя величину индукционного тока гальванометром, соединенным с концами проволочной катушки при помощи ртутного коммутатора, и одновременно определяя количество теплоты, выделенной током в трубке, Джоуль пришел к заключению, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению.

Рис. 63. Установка Джоуля (магнит на чертеже не указан)

Рис. 64. Установка Джоуля для определения механического эквивалента теплоты

Затем Джоуль включил проволочную катушку, помещенную в трубку с водой, в гальваническую цепь. Вращая ее в противоположных направлениях, он измерял силу тока в цепи и выделенную при этом теплоту за определенный промежуток времени, так что катушка играла один раз роль электродвигателя, а другой раз — генератора электрического тока. Сравнивая затем количество выделенной теплоты с теплотой химических реакций, протекающих в гальваническом элементе, Джоуль пришел к заключению, что «теплота, обусловленная химическим действием, подвержена увеличению или уменьшению» и что «мы имеем, следовательно, в магнитоэлектричестве агента, способного обычным механическим средством уничтожать или возбуждать теплоту»⁶.

Наконец, Джоуль заставлял вращаться эту трубку в магнитном поле уже под действием падающих грузов Измеряя количество теплоты, выделившееся в воде, и совершённую при опускании грузов работу, он подсчитал механический эквивалент теплоты, который оказался равным 460 кГм/ккал.

В том же году Джоуль сообщил об опыте, в котором механическая работа непосредственно превращалась в теплоту. Он измерил теплоту, выделяемую при продавливании воды через узкие трубки* При этом он получил, что механический эквивалент теплоты равен 423 кГм/ккал.

В дальнейшем Джоуль вновь возвращался к экспериментальному определению механического эквивалента теплоты. В 1849 г. он проделал известный опыт по измерению механического эквивалента теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью (рис. 64). Измеряя совершенную грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.

Открытие механического эквивалента теплоты привело Джоуля к открытию закона сохранения и превращения энергии. В лекции, прочитанной им в 1847 г. в Манчестере, он говорил:

«Вы видите, следовательно, что живаи сила может быть превращена в теплоту и что теплота может превращаться в живую силу, или в притяжение на расстоянии. Все трое, следовательно, — именно, теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (к которым я могу причислить свет…) — взаимно превращаемы друг в друга. Причем при этих превращениях ничего не теряется»⁷.

Герман Гельмгольц (1821—1894) —врач и физиолог по образованию, сразу после-окончания Медико-хирургического института занимался исследованиями в области физиологии, в частности, связанными с вопросом преобразования различных форм энергии в живом организме. Эти исследования привели к вопросу: «какие отношения должны существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?»⁸. Работая над этой проблемой, Гельмгольц также пришел к открытию закона сохранения и превращения энергии. Он написал работу, которую Поггендорф также отказался напечатать в свом журнале; она была опубликована отдельной книгой в 1847 г.

Гельмгольц исходит из хорошо всем известного закона сохранения «живых сил», который, безусловно, действителен для центральных сил. Он пишет:

«Когда тела природы действуют друг на друга притягательными и отталкивательными силами, не зависящими от времени и скорости, то сумма их живых сил и сил напряжения остается постоянной, так что максимум полученной работы будет, следовательно, величиной определенной и конечной»⁹. (Здесь под «силой напряжения» (Spannkraft) Гельмгольц понимал потенциальную энергию.)

Однако закон сохранения живых сил действует только в механике, да и то лишь для случая консервативных сил (Гельмгольц ограничивал первоначально его действие центральными силами).

Герман Гельмгольц

Для того чтобы перейти теперь к общему закону сохранения «сил» (так Гельмгольц, подобно Майеру, называет энергию), он полагает, что все явления природы в конечном итоге сводятся к движению и расположению материальных тел, между которыми действуют центральные силы.

Пока что в подобных рассуждениях Гельмгольца по существу нового ничего нет. Так многие думали и до него и в его время. И если бы он ограничился этими рассуждениями, то его заслуга в открытии закона сохранения и превращения энергии свелась бы к нулю. Главное, что он исследовал, как, по его мнению, закон сохранения «живых сил» проявляется во всех физических явлениях: в механике, теплофизике, электродинамике и т. д. Он фактически изучил вопрос о превращении разных видов энергии в физических процессах, хотя рассматривал эти формы как проявление «живой силы» или «силы напряжения».

Гельмгольц исследовал сначала процессы превращения энергии в рамках механики, т. е. процессы превращения кинетической энергии в потенциальную и обратно. Затем он рассматривает процессы превращения механического движения в теплоту, ссылаясь при этом на открытие Джоулем механического эквивалента теплоты. После этого Гельмгольц переходит к электрическим явлениям. Он определил, что энергия заряженного конденсатора равна 1/2 q²/c, где q — заряд, с — емкость конденсатора. При разряде эта энергия превращается в теплоту, которая выделяется в проводнике, замыкающем пластинки конденсатора.

Гельмгольц также исследует энергетические процессы в гальванической цепи; рассматривает работу электрического тока и выделяемую в цепи теплоту (используя закон Джоуля — Ленца), а также случай, когда в цепь включен термоэлемент.

Рассматривая электромагнитые явления, используя при этом закон сохранения энергии, Гельмгольц получил выражение закона электромагнитной индукции. Он рассматривал замкнутый контур с током и движущийся под действием этого тока магнит. За малый промежуток времени dt в системе происходят следующие изменения. Во-первых, батарея, поддерживающая в цепи ток I, производит работу, равную εldt, где ε —электродвижущая сила батареи. Во-вторых, в цепи за этот промежуток времени выделяется количество теплоты, равное I²Rdt, где R — сопротивление цепи. И, наконец, изменяется взаимное расположение магнита и контура с током, что приводит, как полагал Гельмгольц, к изменению «живой силы» магнита. Изменение этой «живой силы» должно быть равно IdV, где V — потенциальная функция, введенная Нейманом. Согласно закону сохранения «силы», должно выполняться равенство

Отсюда следует, что в цепи возбуждается электродвижущая сила индукции, равная -dV/dt. Если учесть, что величина V равна потоку магнитной индукции через контур, то, как мы видим, получен закон электромагнитной индукции¹⁰.

В конце работы Гельмгольц останавливается на вопросе о применимости принципа сохранения «силы» к органическим процессам и решает его положительно. В заключение он пишет:

«Я думаю, что приведенные данные доказывают, что высказанный закон не противоречит ни одному из известных в естествознании фактов и поразительным образом подтверждается большим числом их… полное подтверждение (закона — Б. С.)… должно быть рассматриваемо как одна из главных задач ближайшего будущего физики»¹¹

Работа Гельмгольца была встречена более чем прохладно. Сам Гельмгольц в своих воспоминаниях писал:

«Я был… до некоторой степени удивлен тем сопротивлением, которое я встретил в кругу специалистов; мне было отказано в приеме работы в Poggendorf’s Annalen и среди членов берлинской академии был только математик К. Г. И. Якоби, принявший мою сторону»¹²

Однако, несмотря на холодный прием, который встретили первоначально работы Майера, Гельмгольца и Джоуля, их общая идея получала все большее и большее распространение и применение в практике физических исследований. Мысль о том, что открыт новый очень важный физический закон и даже больше — общий естественнонаучный закон, постепенно овладевает умами ученых. В развитии основных положений Майера, Джоуля и Гельмгольца важную роль сыграли работы английских ученых В. Томсона, У. Дж. Ранкина и немецкого физика Р. Клаузиуса.

Прежде всего открытие закона сохранения и превращения энергии сыграло решающую роль в последующих исследованиях процессов превращения теплоты в работу, которые привели к созданию основ термодинамики. Закон сохранения и превращения энергии получает применение и в других областях физики, например в исследованиях по электродинамике.

В. Томсон уже в 1848 г., опираясь на работы Джоуля, применяет закон сохранения и превращения энергии к явлению электромагнитной индукции. Он показал (независимо от Гельмгольца), что «общая работа, потраченная на произведение движения, вызывающего электромагнитную индукцию, должна быть эквивалентна механическому эффекту, потерянному током»¹³.

Позже Томсон, используя закон сохранения и превращения энергии, снова исследовал явление электромагнитной индукции, а затем и явление самоиндукции, установив при этом, что энергия проводника с током может быть выражена формулой Li²¹²2, где L — величина, зависящая только от геометрии проводника (названная позже коэффициентом самоиндукции). Исследуя вопрос об энергии магнитов и токов, Томсон в 1853 г. выразил эту энергию в виде интеграла, взятого по объему.

В 1852 г. Клаузиус применил закон сохранения и превращения энергии к электрическим явлениям. В работе «О механическом эквиваленте электрического разряда и происходящем при этом нагревании проводников» Клаузиус писал:

«…подобно тому как посредством теплоты может быть произведена механическая работа, электрический ток способен вызывать частично механическое действие, частично теплоту»¹⁴.

В том же году Клаузиус применил закон сохранения энергии к энергетическим процессам в цепи постоянного тока, а в следующем году — к термоэлектрическим явлениям.

Помимо Томсона и Клаузиуса над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии работал Ранкин. Он первым начал широко пользовать термин «энергия» и попытался дать понятию энергии общее определение. Под энергией Ранкин понимает способность производить работу. Определяя понятие энергии, он писал в 1855 г.: «Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу»; «количество энергии измеряется количеством работы»¹⁵, которую она способна произвести. Еще раньше, в 1853 г., Ранкин разделил энергию на «Актуальную» и «Потенциальную». Он писал:

«Актуальная, или Ощутимая (sensible), Энергия — это измеримое, переносимое и превратимое состояние, побуждающее субстанцию изменять свое состояние… Когда такое измеиение происходит, то актуальная энергия исчезает и заменяется Потенциальной, или Скрытой (Latent), Энергией, которая измеряется величиной изменения состояния, сопротивлением против которого это изменение совершается»¹⁶.

К «Актуальной» энергии Ранкин относит «живую силу», теплоту, лучистую теплоту, свет, химическое действие и электрический ток, которые являются ее различными формами; к потенциальной энергии — «механическую силу гравитации», упругость, химическое сродство, энергию статического электричества и магнетизма.

Томсон, который сначала пользовался введенным Ранкином термином «актуальная энергия», впоследствии заменил его на «кинетическую энергию».

Уже в 50-х годах закон сохранения и превращения энергии был признан как общий закон природы, охватывающий все физические явления. Теперь начинаются спора о приоритете его открытия. Все началось с небольшой полемики между Майером и Джоулем на страницах французского журнала «Comptes rendus» еще в 1847— 1849 гг. о приоритете в открытии механического эквивалента теплоты. В 1849 г. довольно распространенная в Германии газета специально выступила против Майера, охарактеризовав его как дилетанта, и предостерегла публику от «мнимого открытия г-на доктора Майера», указывая, что якобы несостоятельность его рассуждений уже доказана авторитетными научными кругами. В 1851 г. Майер в статье «О механическом эквиваленте теплоты», излагая историю открытия, писал:

«Новая теория начала вскоре привлекать к себе внимание ученых. Но так как ее стали рассматривать и у нас в Германии и за границей как исключительно иностранное открытие, то это побудило меня выставить свои права на приоритет»¹⁷.

В 1851 г. Гельмгольц впервые упоминает работы Майера, а в 1852 г. подтверждает приоритет последнего в открытии закона сохранения и превращения энергии.

«Утверждение о неразрушимости работы механических сил и эквивалентности различных естественных сил с определенной величиной механической работы,— писал Гельмгольц,— впервые высказал Майер»¹⁸.

Во весь голос в защиту приоритета Майера выступил в 1862 г. английский физик Тиндаль в публичной лекции. Клаузиус¹⁹ писал о Тиндале:

«Темой для своего доклада он избрал сочинения Майера и в обычной для него увлекательной форме изложил все основные выводы работ Майера. Когда публика, в сильнейшей степени заинтересовавшаяся данным вопросом, естественно, пожелала узнать, кому принадлежат все эти исследования, Тиндаль назвал имя человека, который, живя в маленьком немецком городке, без всякой научной поддержки и поощрения с удивительной энергией и настойчивостью работал над развитием своих гениальных мыслей»²⁰.

Против признания приоритета Майера резко выступил английский физик Тэт в журнале «Good Words». Возражая Тиндалю, он отказался признать какие бы то ни было заслуги Майера. Между Тэтом и Тиндалем развернулась полемика. На ее откликнулись Гельмгольц и Клаузиус. Если Гельмгольц весьма осторожно защищал Майера, то Клаузиус резко возражал Тэту по поводу одной из его статей. Он писал, что эта статья может только повредить

«Вашей собственной столь высокой научной репутации. Любой читатель с первого взгляда увидит, что это не нелицеприятное ирторическое изложение вопроса, чего бы следовал о ожидать от ученого вашего ранга, а проникнутая партийностью статья, написанная только для прославления некоторых немногих лиц»²¹.

В дальнейшем Тэт продолжал выступать против приоритета Майера. В 1876 г. он писал:

«…уже пришло время поставить Майера… на соответствующее ему место… Создан и экспериментально доказан был закон сохранения энергии в его общем виде бесспорно Кольдингом в Копенгагене и Джоулем в Манчестере»²².

В Германии, хотя на сторону Майера встал Клаузиус и в какой-то степени Гельмгольц, Майер продолжал подвергаться нападкам, которые иногда принимали форму сплетен. В 1858 г. распространяются слухи о его мнимой смерти. Поггендорф в своем большом биографическом словаре (1863) в заключение более чем скромной статьи о Майере писал: «…кажется, около 1858 г. умер в доме умалишенных». Правда в конце книги он поместил дополнительную «справку» о Майере: «Не умер…, но еще жив»²³.

Наконец, в защиту приоритета Майера выступил Е. Дюринг²⁴, который одновременно принижал роль Джоуля и Гельмгольца в открытии закона сохранения и превращения энергии, что также не способствовало укреплению приоритета Майера.

Борьба вокруг приоритета Майера была связана с борьбой вокруг понимания существа самого закона сохранения и превращения энергии. Майер подходил к пониманию этого закона с более широких философских позиций, чем многие из его современников и особенно ученые, подобные Тэту, придерживавшиеся узко эмпирических представлений о познании. Майер был несомненно революционером в науке, стоял в ряде вопросов на стихийно диалектических позициях, непонятных для многих его современников, которые не могли отойти от метафизического мировоззрения.

Впервые правильно оценил заслуги Майера Энгельс. Отдавая дань Гельмгольцу, Энгельс тем не менее указывал:

«…Уже в 1842 г. Майер утверждал «неуничтожимость силы», а в 1845 г. он, исходя из своей новой точки зрения, сумел сообщить гораздо более гениальные вещи об «отношениях между различными процессами природы», чем Гельмгольц в 1847 г.»²⁵.

В другом месте Энгельс отметил:

«…количественное постоянство движения было высказано уже Декартом и почти в тех же выражениях, что и теперь (Клаузиусом, Робертом Майером?). Зато превращение формы движения открыто только в 1842 г., и это, а ие закон количественного постоянства, есть новое»²⁶.

Именно Майер впервые подчеркивал существование качественных превращений различных форм энергии друг в друга, а не просто утверждал ее количественное постоянство. Это и было наиболее важным, с точки зрения общего мировоззрения, в установленном законе сохранения и превращения энергии, и как раз это обстоятельство ускользало от внимания многих ученых того времени, которые пытались просто подвести новый закон под общее механическое мировоззрение, толкуя его, подобно Гельмгольцу, как выражение закона сохранения живых сил.

Установление закона сохранения и превращения энергии было революционным шагом в развитии физической науки и науки вообще. Этот закон связывал воедино все физические явления, ликвидируя метафизические перегородки между отдельными областями физики, закрепленные учением о «невесомых», которому теперь пришел конец. «Невесомые» материи были окончательно изгнаны из физики. Энгельс писал:

«…физические силы — эти, так сказать, неизменные «виды» физики — превратились в различным образом дифференцированные и переходящие по определенным законам друг в друга формы движения материи. Из науки была устранена случайность наличия такого-то и такого-то количества физических сил, ибо были доказаны их взаимная связь и переходы друг в друга»²⁷.

Энгельс придавал большое значение установлению закона сохранения и превращения энергии для правильного диалектико-материалистического воззрения на мир, ставя его в один ряд с открытием клетки и теорией Дарвина:

«Благодаря этим трем великим открытиям и прочим громадным успехам естествознания, — писал он. — мы можем теперь в общем и целом обнаружить не только ту связь, которая существует между процессами природы в отдельных ее областях, но также и ту, которая имеется между этими отдельными областями. Таким образом, с помощью фактов, доставленных самим эмпирическим естествознанием, можно в довольно систематической форме дать общую картину приводы как связного целого»²⁸.

¹Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии. М. — Л., ГТТИ, 1933, с. 62.
²Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии, с. 68—69.
³Там же, с. 85—86.
⁴Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии, с. 130.
⁵Goule G. Fhe scientific papers. Vol. 1, London, 1884, p. 120.
⁶Joule J. The scientific papers Vol. 1, p. 146.
⁷Там жe, p. 270—271.
⁸Гельмгольц Г. О сохранении силы. М., ГТТИ, 1922, с. 69—70.
⁹Не1mhо11z Н. Wissenschaftiche Abhandlungen. В. I. Leipzig, 1882. SS. 26—27.
¹⁰Этот вывод Гельмгольца нельзя считать корректным. На это обратил внимание Максвелл (см.: Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М., Гостехиздат, 1952, с. 403—405).
¹¹Гельмгольц Г. О сохранении силы. М. — Л., ГТТИ, 1934, с, 115.
¹²Там же, с.

124.
¹³Thomson W. Mathematical and Physical papers. Vol. 1, Cambridge, 1882,. p. 91.
¹⁴Clausius R. Ann. Phys. B. 86, 1852, s. 337.
¹⁵Rankin W. Miscellaneous scientific papers. London, 1881, p. 217.
¹⁶Там жe.
¹⁷Майер P. Закон сохранения и превращения энергии, с. 279.
¹⁸Не1mhо11z Н. Fortschritte der Physik, V. Gahrgang, 1853, s. 241.
¹⁹Клаузиус до 1862 г. был невысокого миения о Майере. Письмо Тиндаля, в котором он просил сообщить ему о сочинениях Манера, заставило Клаузиуса подробно позмакомяться с работами Майера, в результате чего он резко изменил свое мнение. Об этом он сообщил Тиндалю, посылая ему работы, написанные Майером.
²⁰Розенбергер Ф. История физики, ч. III, вып. II. М.—JI., ОНТИ, 1936, с. 55—56.
²¹Там же, с. 57.
²²Там жe, с. 54.
²³Там жe.
²⁴During Е.

Robert Mayer, der Galilei des 19. Jahrhunderts, Chemnitz,. 1880.
²⁵Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т. 20, с. 400.
²⁶Там же, с. 5
²⁷Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е, Т. 20, с. 353.
²⁸Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Изд. 2-е. Т 21, с. 304.

Закон сохранения и превращения энергии. 8 класс

Первобытный человек добывал огонь трением одного куска дерева о другой.

Крышка чайника, в которой кипит вода, подпрыгивает.

Распиливающая бревно пила нагревается.

От вращающегося точильного камня, когда к нему прижимают лезвие ножа, отлетают искры — раскаленные частицы металла.

отмечаем день рождения Джеймса Джоуля с «МЭШ» / Новости города / Сайт Москвы

В библиотеке «Московской электронной школы» («МЭШ») размещены материалы, посвященные Джеймсу Джоулю. Ко дню рождения известного физика предлагается познакомиться с подборкой образовательных материалов.

Вспомнить, как работает закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы, познакомиться с принципами работы поршня и многое другое столичные школьники смогут, открыв сценарий урока по физике для 10–11-х классов. Здесь представлена теория, подготовлены вопросы и видеофрагменты. Также все желающие после усвоения материала смогут выполнить домашнее задание.

Британский ученый Джеймс Джоуль и русский физик немецкого происхождения Эмилий Ленц практически в одно время доказывают, что количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени. Эту закономерность стали называть законом Джоуля — Ленца. Повторить тему поможет одноименное интерактивное приложение.

Для существования электрического тока необходима среда, в которой существуют заряды, способные двигаться под действием внешнего поля. Как известно, самые лучшие проводники — металлы, ведь количество свободных электронов в них создает наиболее благоприятные условия для электрического тока. Однако не все тела и вещества могут его проводить. Вспомнить особенности проводников и диэлектриков поможет специальное приложение.

Разработали приложение и для подготовки к ЕГЭ. Ребятам необходимо решить 15 задач, подобных заданию № 18 из экзамена по физике.

Джеймс Джоуль родился 24 декабря в 1818 году. Он открыл первый закон термодинамики, стал автором почти сотни научных работ, а еще в его честь названа единица измерения количества выделяемого тепла.

Как пользоваться Библиотекой «МЭШ»

«Московская электронная школа» — проект для учителей, учеников и их родителей, который помогает создать высокотехнологичную образовательную среду в школах столицы. Он разработан Департаментом образования и науки Москвы совместно с городским Департаментом информационных технологий.

Библиотека «МЭШ» — это сервис проекта «Московская электронная школа», в котором размещен широкий спектр образовательных материалов: более 50 тысяч сценариев уроков и более восьми тысяч видеоуроков, свыше 1600 электронных учебных пособий, 348 учебников, свыше 130 тысяч образовательных интерактивных приложений, восемь уникальных виртуальных лабораторий, 245 произведений художественной литературы, а также огромное количество тестовых заданий, соответствующих содержанию ОГЭ и ЕГЭ, и многое другое.

В библиотеке «МЭШ» собрано более одного миллиона материалов Составлен рейтинг популярных сценариев уроков в «МЭШ»

Закон сохранения энергии Примеры

Закон сохранения энергии — это закон физики, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую или передана от одного объекта к другому. Этот закон преподается учащимся средних и старших классов на уроках физики, физики и химии.

Понимание закона сохранения энергии

Определение закона сохранения энергии подчеркивает, что энергия не является чем-то, что можно разрушить или создать.Важно понимать, что это на самом деле означает. Было бы неправильно сказать, что целью эксперимента было бы получение энергии, поскольку это потребовало бы усилий по созданию чего-то, что не может быть создано. Вместо этого энергия постоянно преобразуется, чтобы ее можно было использовать. Например, солнечные панели не создают солнечную энергию. Они используют энергию солнца и преобразуют ее в другой вид энергии (электричество).

Примеры на каждый день: закон сохранения энергии

Многие примеры, иллюстрирующие закон сохранения энергии, можно увидеть в повседневной жизни.Просмотрите эти знакомые примеры передачи энергии, чтобы составить четкое представление о том, как научный закон сохранения энергии влияет на повседневные явления.

Сохранение энергии Примеры с участием людей

Энергия может передаваться между людьми или от людей к объектам. Все эти примеры иллюстрируют закон сохранения энергии.

Келли побежала через комнату и врезалась в своего брата, повалив его на пол. Кинетическая энергия, которой она обладала из-за своего движения, была передана ее брату, заставив его двигаться.
Два футболиста столкнулись на поле, и оба полетели назад. Энергия передавалась от каждого игрока к другому, отправляя их в том направлении, в котором они бежали.
Когда вы толкаете книгу по столу, энергия движущейся руки передается от вашего тела к книге, заставляя книгу двигаться.
При ударе ногой по футбольному мячу, стоящему на земле, энергия передается от тела бьющего к мячу, приводя его в движение.
Сэм переставлял мебель, и ему потребовалась помощь, чтобы сдвинуть тяжелый диван. Его брат подошел, и вместе они смогли толкнуть диван через всю комнату. Когда диван скользил по деревянному полу, энергия передавалась от мужчин к предмету мебели.
Пальцы, ударяющие по клавишам пианино, передают энергию от руки игрока к клавишам.
Билли ударил боксерскую грушу, передав энергию от руки к неподвижной груши.
Бет так сильно ударилась о стену, что проделала в ней дыру.Энергия передавалась от тела Бет к гипсокартону, заставляя его двигаться.

Примеры экономии энергии от объекта к объекту

Когда два объекта сталкиваются друг с другом, энергия передается между двумя объектами.

При игре в пул биток выполняется по неподвижному шару-восьмерке. Биток обладает энергией. Когда биток попадает в шар-восьмерку, энергия передается от шара-восьмерки, заставляя его двигаться. Биток теряет энергию, потому что энергия, которая была передана восьмерке, биток замедляется.
При игре в мяч для игры на лужайке в бочче бросается маленький мяч с намерением попасть в более крупные шары и заставить их двигаться. Когда больший шар движется из-за того, что в него попал маленький шар, энергия передается от маленького шара к большему.
Бейсбольный мяч попадает в окно в доме, разбивая стекло. Энергия шара передавалась стеклу, заставляя его разлетаться на части и лететь в разных направлениях.
Когда движущийся автомобиль ударяется о припаркованный автомобиль и заставляет припаркованный автомобиль двигаться, механическая энергия передается от движущегося автомобиля к припаркованному.
Клэр бросила шар, который ударил в вазу ее матери, опрокинув ее. Энергия передавалась от движущегося шара к неподвижной вазе, заставляя вазу двигаться.
При наезде на дорожный знак знак упадет. Энергия будет передаваться от движущегося автомобиля к неподвижному знаку, заставляя знак двигаться.
Когда шар для боулинга сбивает кегли, которые стояли неподвижно, энергия передается от шара к кеглям. Энергия не теряется.
При наезде на бордюр автомобиль развалился.Энергия от движущегося автомобиля передавалась неподвижному цементу, заставляя его двигаться.

Другие примеры сохранения энергии

Многие другие ситуации иллюстрируют, как энергия может переходить из одной формы в другую или передаваться между объектами.

Вода может производить электричество. Когда вода падает с неба, она преобразует потенциальную энергию в кинетическую. Эта энергия затем используется для вращения турбины генератора для производства электроэнергии. Потенциальная энергия воды в плотине может быть преобразована в кинетическую энергию.
Потенциальная энергия из нефти или газа — это вид химической энергии. Его энергию можно использовать для обогрева домов, офисов и других зданий, чтобы согреться зимой.
Лампочки преобразуют электрическую энергию в свет, который освещает темные места.
Кошка, сидящая на самой высокой ветке дерева, обладает так называемой потенциальной энергией. Если кошка упадет с ветки и упадет на землю, ее потенциальная энергия теперь преобразуется в кинетическую.
Собака налетела на елку и свалила ее. Во время удара энергия передавалась от движущейся собаки к неподвижному дереву, заставляя дерево двигаться.

Узнать больше об энергии

Вышеприведенные примеры закона сохранения энергии показывают, насколько банальна эта физическая концепция в повседневной жизни. Теперь, когда вы знакомы с этим научным законом, найдите время, чтобы узнать о различных типах энергии.

Законы термодинамики | Безграничная химия

Три закона термодинамики

Законы термодинамики определяют фундаментальные физические величины (температуру, энергию и энтропию), которые характеризуют термодинамические системы.

Цели обучения

Обсудите три закона термодинамики.

Основные выводы

Ключевые моменты

Первый закон, также известный как Закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена в изолированной системе.
Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда увеличивается.
Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю.

Ключевые термины

абсолютный ноль : самая низкая теоретически возможная температура.
энтропия : термодинамическое свойство, которое является мерой тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы.

Система или окружение

Чтобы избежать путаницы, ученые обсуждают термодинамические величины применительно к системе и ее окружению. Все, что не является частью системы, составляет ее окружение.Система и окружение разделены границей. Например, если система представляет собой один моль газа в контейнере, то граница — это просто внутренняя стенка самого контейнера. Все, что находится за пределами границы, считается окружающей средой, включая сам контейнер.

Граница должна быть четко определена, чтобы можно было четко сказать, находится ли данная часть мира в системе или в ее окружении. Если материя не может пройти через границу, то система называется закрытой ; в противном случае это открыто .Замкнутая система все еще может обмениваться энергией с окружающей средой, если система не является изолированной, и в этом случае ни материя, ни энергия не могут проходить через границу.

Термодинамическая система : Схема термодинамической системы

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть ни создана, ни разрушена; энергия может быть только передана или изменена из одной формы в другую.Например, включение света производит энергию; однако преобразуется именно электрическая энергия.

Один из способов выразить первый закон термодинамики состоит в том, что любое изменение внутренней энергии (∆E) системы определяется суммой тепла (q), протекающего через ее границы, и работы (w), совершаемой над система по окрестностям:

[латекс] \ Delta \ text {E} = \ text {q} + \ text {w} [/ latex]

Этот закон гласит, что есть два вида процессов, тепло и работа, которые могут привести к изменению внутренней энергии системы. Поскольку и тепло, и работа могут быть измерены и определены количественно, это то же самое, что сказать, что любое изменение энергии системы должно приводить к соответствующему изменению энергии окружающей среды вне системы. Другими словами, энергия не может быть создана или уничтожена. Если тепло поступает в систему или окружающая среда работает над ней, внутренняя энергия увеличивается, а знаки q и w положительны. И наоборот, тепловой поток из системы или работа, выполняемая системой (в окружающей среде), будет происходить за счет внутренней энергии, и поэтому q и w будут отрицательными.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики гласит, что энтропия любой изолированной системы всегда увеличивается. Изолированные системы спонтанно эволюционируют к тепловому равновесию — состоянию максимальной энтропии системы. Проще говоря: энтропия Вселенной (конечной изолированной системы) только увеличивается и никогда не уменьшается.

Простой способ представить себе второй закон термодинамики состоит в том, что комната, если ее не убирать и не прибирать, со временем неизменно становится более беспорядочной и беспорядочной — независимо от того, насколько осторожно нужно содержать ее в чистоте. Когда комната очищается, ее энтропия уменьшается, но усилия по ее очистке привели к увеличению энтропии за пределами комнаты, которое превышает потерянную энтропию.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда температура приближается к абсолютному нулю. Энтропия системы при абсолютном нуле обычно равна нулю и во всех случаях определяется только количеством различных основных состояний, которые она имеет.В частности, энтропия чистого кристаллического вещества (совершенный порядок) при абсолютной нулевой температуре равна нулю. Это утверждение верно, если в идеальном кристалле есть только одно состояние с минимальной энергией.