Что такое закон сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и превращения энергии

Урок 21. Физика 9 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам в личном кабинете

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно его приобрести.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Закон сохранения и превращения энергии”

Развитие познания совершается по спирали.

Наступает время, когда наука возвращается

к идеям, однажды уже высказанным.

Но это возвращение совершается на новом,

более высоком уровне, которому предшествовал

длительный исторический опыт познания.

Ранее говорилось о таком понятии, как механическая энергия. Механическая энергия – это физическая величина, являющаяся функцией состояния системы и характеризующая способность системы совершать работу. В свою очередь, механическая энергия делится на два вида — кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия — это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. А ее изменение равно работе равнодействующей всех сил действующей на тело.

Потенциальная энергия — это энергия, определяемая взаимным расположением тел или частей тела друг относительно друга и характером сил взаимодействия между ними.

Потенциальная энергия делится на два вида: потенциальную энергию тела в поле тяготения — это энергия, обусловленная взаимодействием тела с Землей; и потенциальную энергию упруго деформированного тела — это энергия, обусловленная взаимодействием частей тела между собой.

А могут ли тела обладать одновременно и кинетической и потенциальной энергией?

В курсе физики 7 класса говорилось о том, что сумма кинетической и потенциальной энергии есть полная механическая энергия тела или системы тел.

Рассмотрим замкнутую систему тел «тело — Земля», между которыми действует только сила тяжести.

Под действием этой силы изменяется и кинетическая, и потенциальная энергии тела. Причем работа силы тяжести будет равна как изменению кинетической энергии тела, так и его потенциальной энергии, но взятой с обратным знаком. Т. е. увеличение кинетической энергии системы будет осуществляться за счет убыли ее потенциальной энергии.

Из этих уравнений получаем, что сумма кинетической и потенциальной энергии тела остается неизменной.

Т.о. полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения, остается постоянной, при любых взаимодействиях в системе. Это утверждение носит название закона сохранения энергии в механике.

Это закон справедлив и для замкнутой системы, взаимодействующей силами упругости.

А что, если в системе тел, например, будут действовать силы трения, или же в системе тел будут происходит неупругие деформации? В этих случаях механическая энергия системы будет убывать. Но это не означает, что механическая энергия исчезает бесследно. Она превращается в другой вид энергии, в частности во внутреннюю энергию.

Т.о. для любой замкнутой системы тел всегда выполняется закон сохранения и превращения энергии, который является фундаментальным законом природы: величина полной энергии замкнутой системы остается постоянной. При этом, будучи не созидаемой и неуничтожимой, энергия может превращаться из одного вида энергии в другой.

Обратимся к истории открытия закона сохранения энергии. Ученые и практики всех времен обращались к исследованиям различных энергетических процессов и предпринимали попытки обобщений в которых содержались элементы формулировки закона сохранения и превращения энергии.

Еще мыслители древности Демокрит и Эпикур утверждали вечность и неуничтожимость материи и движения. Повседневная практическая деятельность требовала познаний законов движения, прежде всего, единственно известного — механического. И поэтому не случайно, что закон сохранения энергии начинал вырисовываться в рамках механики. В 1633 г. «Трактате о свете» идея сохранения движения была сформулирована Декартом следующим образом: «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно теряет, а отнять от него лишь столько, на сколько увеличит собственное движение». В таком виде совершенно четко отмечается количественное постоянство движенья, причем никакое другое движение, кроме механического Декарт не рассматривал. Эта идея получила дальнейшее развитие у Лейбница в его законе сохранения живых сил.

Принцип сохранения живой силы гласит: если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействий точек друг на друга, или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами.

После классических работ И. Ньютона и Г.В. Лейбница принцип сохранения движения получил четкую формулировку в трудах М.В. Ломоносова, который решился объединить два принципа сохранения: движения и материи. Именно М.В. Ломоносову принадлежит открытие закона сохранения вещества, повторенное затем совершенно независимо от него Антуаном Лораном Лавуазье. В 1744 г. М.В. Ломоносов написал ставшие знаменитыми слова «Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте. сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Так в середине XVIII столетия М.В. Ломоносовым был четко сформулирован закон сохранения массы и движения как всеобщий закон природы.

Более того, первая часть его выражения (“все перемены в натуре случающиеся. “) сформулирована так широко, что если бы эти слова были написаны сто лет спустя, когда стали известны другие «перемены в натуре» — многочисленные взаимные преобразования энергии (электрической, тепловой, химической, механической), то другие формулировки закона сохранения к превращения энергии и сохранения материи были бы излишни. Но, к сожалению, и эпоха была еще не та, и научные труды Ломоносова почти полтора столетия оставались неизвестными.

Решающую роль в установлении закона сохранения и превращения энергии история отводит Роберту Майеру, Джеймсу Джоулю и Герману Гельмгольцу.

Роберт Майер был судовым врачом на голландском корабле, когда в 1840 г. «внезапно» ему пришла в голову мысль о законе сохранения и превращения энергии. Слово «внезапно» взято в кавычки недаром: о внезапном озарении писал впоследствии Майер, но может ли быть внезапным открытие, предпосылки которого были хорошо известны выпускнику Тюбингенского университета? Внезапным был для Майера исходный толчок: он обратил внимание на то, что было хорошо известно врачам, работающим постоянно в тропических широтах. Во время стоянки корабля на Яве заболел матрос, и Майер, как тогда было принято, «пустил ему кровь», вскрыв вену. Каково же было его удивление, когда он увидел, что венозная кровь была не стать темной, как в умеренных широтах. Майер понял, что при высокой средней температуре воздуха для поддержания жизнедеятельности и необходимой температуры организма требуется меньше питательных веществ и меньшее «сгорание» последних. Сопоставление многочисленных научных фактов из области химии, физики и биологии привело его к тому, что мысли, согласно выражению Майера, пронзившие его, подоено молнии, навели на вывод о существовании всеобщего закона природы.

Идеи Майера носили столь общий и универсальный характер, что они сначала не были восприняты современниками.

Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу.

Джеймс Прескотт Джоуль приходит к более общему выводу: «Могучие силы природы. неразрушимы,и. во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов».

Наконец, немецкий ученый Герман Гельмгольц в 1847 г. в работе «О сохранении силы» дал в наиболее общем виде закон сохранения, показав, что сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной. Большое значение имело приведенное в этой же работе доказательство того, что процессы в живых организмах тоже подчиняются закону сохранения энергии. Здесь же впервые дана математическая трактовка закона.

Завершением длительного пути, пройденного наукой до точной формулировки закона сохранения энергии, можно считать доклад Уильяма Томсона (впоследствии лорда Кельвина) «О динамической теории тепла», где Томсон ввел в науку термин «энергия» в современном его смысле.

Основные выводы:

– Закон сохранения в механике: полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости, остается постоянной, при любых взаимодействиях в системе.

– Закон сохранения и превращения энергии: величина полной энергии замкнутой системы остается постоянной. При этом, будучи не созидаемой и неуничтожимой, энергия может превращаться из одного вида энергии в другой

Закон сохранения механической энергии

О чем эта статья:

Каникулы со смыслом в Skysmart для детей 4-17 лет

Энергия: что это такое

Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим ), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

Кинетическая энергия

Еще разок: кинетическая энергия — это энергия действия. Величина, которая очевиднее всего характеризует действие — это скорость. Соответственно, в формуле кинетической энергии точно должна присутствовать скорость.

Кинетическая энергия

Ек = (m*v^2)/2

Ек — кинетическая энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. И наоборот — чем медленнее, тем меньше кинетическая энергия.

Задачка раз

Определить кинетическую энергию собаченьки массой 10 килограмм, если она бежала за мячом с постоянной скоростью 2 м/с.

Решение:

Формула кинетической энергии Ек = (m*v^2)/2

Ек = (10*2^2)/2 = 20 Дж

Ответ: кинетическая энергия пёсы равна 20 Дж.

Задачка два

Найти скорость бегущего по опушке гнома, если его масса равна 20 килограммам, а его кинетическая энергия — 40 Дж

Решение:

Формула кинетической энергии Ек = (m*v^2)/2

Ответ: гном бежал со скоростью 2 м/с.

Потенциальная энергия

В отличие от кинетической энергии, потенциальная чаще всего тем меньше, чем скорость больше. Потенциальная энергия — это энергия ожидания действия.

Например, потенциальная энергия у сжатой пружины будет очень велика, потому что такая конструкция может привести к действию, а следовательно — к увеличению кинетической энергии. То же самое происходит, если тело поднять на высоту. Чем выше мы поднимаем тело, тем больше его потенциальная энергия.

Потенциальная энергия деформированной пружины

Еп — потенциальная энергия [Дж]

k — жесткость [Н/м]

x — удлинение пружины [м]

Потенциальная энергия

Еп = mgh

Еп — потенциальная энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с^2]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с^2

Задачка раз

Найти потенциальную энергию рака массой 0,1 кг, который свистит на горе высотой 2500 метров. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с^2.

Решение:

Формула потенциальной энергии Еп = mgh

Eп = 0,1 * 9,8 * 2500=2450 Дж

Ответ: потенциальная энергия рака, свистящего на горе, равна 2450 Дж.

Задачка два

Найти высоту горки, с которой собирается скатиться лыжник массой 65 килограмм, если его потенциальная энергия равна 637 кДж. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с^2.

Решение:

Формула потенциальной энергии Еп = mgh

Переведем 637 кДж в Джоули.

637 кДж = 637000 Дж

h = 637 000/(65 * 9,8) = 1000 м

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Задачка три

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E1 и E2. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Решение:

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

По условию задачи

Таким образом, получим, что

E1 = m*g*2h = 2 mgh,

Ответ: E1 = E2.

Закон сохранения энергии

В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии

Полная механическая энергия замкнутой системы остается постоянной.

Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

Закон сохранения энергии

Еполн.мех. = Еп + Eк = const

Еполн.мех. — полная механическая энергия системы [Дж]

Еп — потенциальная энергия [Дж]

Ек — кинетическая энергия [Дж]

const — постоянная величина

Задачка раз

Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Как изменится высота подъёма мяча при увеличении начальной скорости мяча в 2 раза?

Решение:

Должен выполняться закон сохранения энергии:

В начальный момент времени высота равна нулю, значит Еп = 0. В этот же момент времени Ек максимальна.

В конечный момент времени все наоборот — кинетическая энергия равна нулю, так как мяч уже не может лететь выше, а вот потенциальная максимальна, так как мяч докинули до максимальной высоты.

Это можно описать соотношением:

Еп1 + Ек1 = Еп2 + Ек2

Разделим на массу левую и правую часть

Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

Ответ: высота увеличится в 4 раза

Задачка два

Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v0, поднялось на максимальную высоту h0. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

Решение

По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Емех = Еп = mgh0.

Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Емех = mgh0.

Ответ: Емех = mgh0.

Задачка три

Мяч массой 100 г бросили вертикально вверх с поверхности земли с начальной скоростью 6 м/с. На какой высоте относительно земли мяч имел скорость 2 м/с? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Решение:

Переведем массу из граммов в килограммы:

m = 100 г = 0,1 кг

У поверхности земли полная механическая энергия мяча равна его кинетической энергии:

Е = Ек0 = (m*v^2)/2 = (0,1*6^2)/2 = 1,8 Дж

На высоте h потенциальная энергия мяча есть разность полной механической энергии и кинетической энергии:

mgh = E — (m*v^2)/2 = 1,8 — (0,1 * 2^2)/2 = 1,6 Дж

h = E/mg = 1,6/0,1*10 = 1,6 м

Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

Переход механической энергии во внутреннюю

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

Задачка

Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

Решение:

В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Емех = Ек.

В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Емех/2 = Ек/2

Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Еполн = Емех/2 + Евнутр

Емех = Емех/2 + Евнутр

Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

Вот что сформулировал Фурье:

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

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

Дальше 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.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом, равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом.

Математически его можно описать так:

Уравнение теплового баланса

Q отд = Q пол

Qотд — отданное системой количество теплоты [Дж]

Q пол — полученное системой количество теплоты [Дж]

Данное равенство называется уравнением теплового баланса. В реальных опытах обычно получается, что отданное более нагретым телом количество теплоты больше количества теплоты, полученного менее нагретым телом:

Это объясняется тем, что некоторое количество теплоты при теплообмене передаётся окружающему воздуху, а ещё часть — сосуду, в котором происходит теплообмен.

Задачка раз

Сколько граммов спирта нужно сжечь в спиртовке, чтобы нагреть на ней воду массой 580 г на 80 °С, если учесть, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

Удельная теплота сгорания спирта 2,9·10^7Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°С).

Решение:

При нагревании тело получает количество теплоты

где c — удельная теплоемкость вещества

При сгорании тела выделяется энергия

где q — удельная теплота сгорания топлива

По условию задачи нам известно, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

cmΔt =0,2 * qmсгор

mсгор = cmΔt / 0,2 q

Ответ: масса сгоревшего топливаа равна 33,6 г.

Задачка два

Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг*℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3*10^5 Дж/кг.

Решение:

Для нагревания льда до температуры плавления необходимо:

Qнагрев = 2100 * 0,5 * (10-0) = 10500 Дж

Для превращения льда в воду:

Qпл = 3,3 * 10^5 * 0,5 = 165000 Дж

Q = Qнагрев + Qпл = 10500 + 165000 = 175500 Дж = 175,5 кДж

Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.

Закон сохранения механической энергии

При имеющейся замкнутой механической системе тела взаимодействуют посредством сил тяготения и упругости, тогда их работа равняется изменению потенциальной энергии тел с противоположным знаком:

A = – ( E р 2 – E р 1 ) .

Следуя из теоремы о кинетической энергии, формула работы примет вид

A = E k 2 – E k 1 .

Отсюда следует, что

E k 2 – E k 1 = – ( E р 2 – E р 1 ) или E k 1 + E p 1 = E k 2 + E p 2 .

Кинетическая и потенциальная энергии

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

Данное утверждение выражает закон сохранения энергии в замкнутой системе и в механических процессах, являющийся следствием законов Ньютона.

Сумма E = E k + E p это полная механическая энергия.

Закон сохранения энергии выполняется при взаимодействии сил с потенциальными энергиями в замкнутой системе.

Примером применения такого закона служит нахождение минимальной прочности легкой нерастяжимой нити, которая удерживает тесло с массой m , вращая его вертикально относительно плоскости (задачи Гюйгенса). Подробное решение изображено на рисунке 1 . 20 . 1 .

Рисунок 1 . 20 . 1 . К задаче Гюйгенса, где F → принимается за силу натяжения нити в нижней точке траектории.

Запись закона сохранения полной энергии в верхней и нижней точках принимает вид

m v 1 2 2 = m v 2 2 2 + m g 2 l .

F → располагается перпендикулярно скорости тела, отсюда следует вывод, что она не совершает работу.

Если скорость вращения минимальная, то натяжение нити верхней точке равняется нулю, значит, центростремительное ускорение может быть сообщено только при помощи силы тяжести. Тогда

Исходя из соотношений, получаем

v 1 m i n 2 = 5 g l .

Создание центростремительного ускорения производится силами F → и m g → с противоположными направлениями относительно друг друга. Тогда формула запишется:

m v 1 2 2 = F – m g .

Можно сделать вывод, что при минимальной скорости тела в верхней точке натяжение нити будет равняться по модулю значению F = 6 m g .

Очевидно, что прочность нити обязана превышать значение.

С помощью закона сохранения энергии посредством формулы можно получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории, не используя анализ закона движения тела во всех промежуточных точках. Данный закон позволяет заметно упрощать решение задач.

Реальные условия для движущихся тел предполагают действия сил тяготения, упругости, трения и сопротивления данной среды. Работа силы трения зависит от длины пути, поэтому она не является консервативной.

Закон сохранения превращения энергии

Между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, тогда механическая энергия не сохраняется, ее часть переходит во внутреннюю. Любые физические взаимодействия не провоцируют возникновение или исчезновение энергии. Она переходит из одной формы в другую. Данный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Следствием является утверждение о невозможности создания вечного двигателя (perpetuum mobile) – машины, которая совершала бы работу и не расходовала энергию.

Рисунок 1 . 20 . 2 . Проект вечного двигателя. Почему данная машина не будет работать?

Существует большое количество таких проектов. Они не имеют право на существование, так как при расчетах отчетливо видны одни ошибки конструкций всего прибора, другие замаскированы. Попытки реализовать такую машину тщетны, так как они противоречат закону сохранения и превращения энергии, поэтому нахождение формулы не даст результатов.

Физика Б1.Б8.

Электронное учебное пособие по разделу курса физики Механика

Механика – это раздел физики, который изучает наиболее простой вид движения материи – механическое движение и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механика состоит из трех разделов: кинематики, динамики и статики. Кинематика дает математическое описание движения, не касаясь причин, которыми вызвано движение. Динамика – основной раздел механики, она изучает законы движения тел и причины, которыми вывзывается движение и его изменение. Статика изучает законы равновесия системы тел под действием приложенных сил. Мы ограничимся изучением двух основных разделов – кинематики и динамики.

Введение

Механика – это раздел физики, который изучает наиболее простой вид движения материи – механическое движение и причины, вызывающие или изменяющие это движение.

Механическое движение это изменение во времени взаимного расположения тел или частей одного и того же тела. Причиной, вызывающей механическое движение тела или его изменение, является воздействие со стороны других тел.

Развитие механики началось еще в древние времена, однако, как наука она формировалась в средние века. Основные законы механики установлены итальянским физиком и астрономом Г. Галилеем (1564-1642) и английским ученым И. Ньютоном (1643-1727).

Механику Галилея-Ньютона принято называть классической механикой. В ней изучается движение макроскопических тел, скорости которых значительно меньше скорости света с в вакууме. Законы движения тел со скоростями, близкими к скорости света сформулированы А. Эйнштейном (1879-1955), они отличаются от законов классической механики. Теория Эйнштейна называется специальной теорией относительности и лежит в основе релятивистской механики. Законы классической механики неприемлемы к описанию движения микроскопических тел (элементарных частиц – электронов, протонов, нейтронов, атомных ядер, самих атомов и т.д.) их движение описывается законами квантовой механики.

Механика состоит из трех разделов: кинематики, динамики и статики. Кинематика дает математическое описание движения, не касаясь причин, которыми вызвано движение. Динамика – основной раздел механики, она изучает законы движения тел и причины, которыми вывзывается движение и его изменение. Статика изучает законы равновесия системы тел под действием приложенных сил. Мы ограничимся изучением двух основных разделов – кинематики и динамики.

В механике для описания движения в зависимости от условий решаемой задачи пользуются различными упрощающими моделями: материальная точка, абсолютно твердое тело, абсолютно упругое тело, абсолютно неупругое тело, и т.д. Выбор той или иной модели диктуется необходимостью учесть в задаче все существенные особенности реального движения и отбросить несущественные, усложняющие решение.

Материальная точка – это тело обладающее массой, размеры и форма которого несущественны в данной задаче. Любое твердое тело или систему тел можно рассматривать как систему материальных точек. Для этого любое тело или тела системы нужно мысленно разбить на большое число частей так, чтобы размеры каждой части были пренебрежимо малы по сравнению с размерами самих тел.

Абсолютно твердое тело – это тело, расстояние между любыми точками которого остается неизменным в процессе движения или взаимодействия. Эта модель пригодна, когда можно пренебречь деформацией тел в процессе движения.

Абсолютно упругое и абсолютно неупругое тело – это два предельных случая реальных тел, деформациями которых можно и нельзя пренебречь в изучаемых процессах.

Любое движение рассматривается в пространстве и времени. В пространстве определяется местоположение тела, во времени происходит смена местоположений или состояний тела в пространстве, время выражает длительность состояния движения или процесса. Пространство и время –это два фундаментальных понятия, без которых теряется смысл понятия движения: движения не может быть вне времени и пространства.

Закон сохранения и превращение энергии

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это основной закон, в соответствии с которому наиболее значимая физическая величина — энергия — сохраняется неизменной в изолированной совокупности.[1]

Серьёзным достижением на пути процесса интеграции знаний было открытие основного закона превращения — закона энергии и природы сохранения. превращения закона энергии и Открытие сохранения связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца, каковые пришли к нему различными дорогами. превращения закона энергии и Формулировка сохранения, в соответствии с Г. Гельмгольцу: приращение кинетической энергии тела равняется убыли его потенциальной энергии. Г. Гельмгольц выразил полученный закон в математической форме и связал закон сохранения энергии с принципом неосуществимости создания вечного двигателя. Д. Джоуль выяснил величину эквивалента перевода механической энергии в тепловую. Разглядывая разные виды энергии, Р. Майер в собственной работе, выделил: кинетическую, потенциальную, их сумму — механическую энергию, тепловую, электрическую и химическую энергии, заключил , что все эти виды энергии смогут взаимопревращаться — при условии неизменности общего числа энергии. К примеру, количественным выражением закона сохранения энергии в химическом производстве есть тепловой (энергетический) баланс. Применительно к тепловым процессам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, принесенной в зону сотрудничества веществ, равняется количеству энергии вынесенной веществами из данной территории:

Qф + Qэ + Qв = Оф’ + Qn’

где Qф — теплота, введенная в процесс с исходными веществами; Qэ — теплота экзотермических реакций; Qв — теплота, введенная в процесс извне; Оф’ — теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Qn’ — утраты теплоты в вохдух.

Переход энергии из одной формы в другую свидетельствует, что энергия в данной ее форме исчезает, преобразовывается в энергию в другой форме. Закон сохранения энергии говорит, что при любых процессах, происходящих в изолированной совокупности, полная энергия совокупности не изменяется, другими словами переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной чёрта разных форм перемещения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д.

В современной хорошей физике закон сохранения энергии имеет форму записи в виде обобщенного уравнения состояния замкнутой термодинамической совокупности:

где W – полная энергия совокупности; Wk ? кинетическая энергия совокупности в целом; Wp ? потенциальная энергия совокупности в целом; U – внутренняя энергия совокупности.

Данное уравнение показывает на то, что энергия в совокупности может переходить из одного вида энергии в второй (из кинетической энергии в потенциальную) и, напротив, при неизменности внутренней энергии. Такая форма записи закона сохранения энергии не учитывает возможности перехода энергии из одной формы в другую, другими словами не учитывает классификацию энергии по видам и формам. Недочётом формы записи есть ее приемлемость только для замкнутой совокупности.

Закон сохранения энергии возможно распространить на незамкнутые совокупности, в случае если учесть принцип приращений. Данный принцип требует записывать определяющие уравнения, к каким относится и уравнение состояния, не в полных значениях размеров, а в их приращениях.

Для полного учета всех форм энергии в уравнение состояния должна быть добавлена сумма приращений энергии, вызванных трансформацией состояния совокупности под влиянием различных форм физического поля. Уравнение состояния принимает обобщенный вид:

dW = ?i Ui dqi + ?j Uj dqj,

где i – число форм перемещения; j – число форм физического поля.

Это уравнение состояния есть самая полной формой записи по сравнению с другими формами записи этого уравнения в современной физике и отражает не только перенос энергии из совокупности в среду либо из среды в совокупность, но и перенос энергии из одной формы перемещения в другую в совокупности, из энергии любой формы перемещения в энергию физического поля и напротив. Данное уравнение положены в базу закона сохранения энергии. Полное наименование превращения закона — энергии и этого закон сохранения.направляться2]

Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явлениями природы; исключений из него науке неизвестно. Закон сохранения энергии имеет громадное практическое значение, потому, что значительно ограничивает число вероятных каналов эволюции совокупности без ее детального анализа. Так на основании этого закона оказывается вероятным априорно отвергнуть любой очень проект очень экономически привлекательного вечного двигателя первого рода (устройства, талантливого выполнять работу, превосходящую нужные для его функционирования затраты энергии).

Так, закон сохранения энергии действует в любых ситуациях и везде, где одна форма энергии переходит в другую.[3]

превращения энергии и Закон сохранения

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий