Malo prej smo si nekatere že ogledali pojavi pretvorbe energije v mehanskih procesih. Osvežimo znanje. Ko predmet (kamen ali kroglo) vržemo v nebo, mu predamo energijo gibanja ali drugače povedano kinetično energijo. Ko se dvigne na določeno višino, se gibanje predmeta upočasni, nato pa pade. V trenutku ustavitve (ko se gibanje predmeta ustavi na zgornji točki) se vsa kinetična energija spremeni v potencialno.
Pri takih transformacijah ostane vsota kinetične in potencialne energije nespremenjena. Če predpostavimo, da je potencialna energija blizu zemeljske površine enaka nič, bo vsota kinetične energije skupaj s potencialno energijo telesa na absolutno kateri koli višini med dviganjem ali spuščanjem enaka: E = E k + E n
Sklepamo: skupna količina potencialne in kinetične energije telesa ostane nespremenjena, če delujejo le sile elastičnosti in gravitacije, sile trenja pa ni. Tako je zakon o ohranitvi mehanske energije.
Ko smo poskušali spustiti svinčeno kroglo na ploščo, smo opazovali, kako se mehanska energija pretvarja v notranjo energijo. Tako se lahko takšne vrste energije, kot sta mehanska in notranja, premikajo iz enega telesa v drugega.
Podoben sklep velja za vse toplotne procese. Pri prenosu toplote na primer bolj vroče telo odda energijo, manj segreto telo pa jo le sprejme.
Med procesom predelave goriva v avtomobilskem motorju se notranja energija goriva pretvori v mehansko energijo gibanja. Ko se energija prenaša z enega telesa na drugo ali ko se ena vrsta energije pretvarja v drugo, se energija vedno ohranja.
Preučevanje pojavov, ki se nanašajo na pretvorbo ene vrste energije v popolnoma drugo, je privedlo do odkritja enega glavnih zakonov narave – zakona o ohranjanju in pretvorbi energije.
V nobenem naravnem pojavu energija ne more nastati ali izginiti kar tako. Preprosto prehaja iz ene vrste v drugo, pri čemer se njen pomen vedno ohranja.
Ko so znanstveniki preučevali različne naravne pojave, so se vedno zanašali na ta zakon. Zdaj lahko potegnemo pomemben zaključek: energija ne more nastati v telesu, če je ni prejelo od drugega telesa. Za boljše razumevanje gradiva navedimo nekaj primerov.
Sončni žarki vsebujejo določeno količino energije. Ko se dotaknejo površine Zemlje, ji oddajajo toploto in jo segrejejo. Tako se sončna energija pretvori v notranjo energijo tal in teles, ki so na površju zemlje. Zrak, ki se segreje s površja zemlje, se začne premikati – tako se rodi veter. Začne se preoblikovanje notranje energije, ki jo dajejo zračne mase, v mehansko energijo.
Del sončne energije absorbirajo listi rastlin. Začnejo se odvijati kompleksne kemijske reakcije (fotosinteza), katerih posledica je nastanek organskih spojin, t.j. Sončna energija se pretvarja v kemično energijo. 
V praksi se pogosto uporablja prehod intraatomske energije v različne vrste energije. Zakon o ohranjanju energije je znanstvena podlaga za različne vrste izračunov na absolutno vseh področjih znanosti in tehnologije. Treba je razumeti, da notranje energije ni mogoče popolnoma pretvoriti v mehansko.
Zgodovina ima ogromno projektov "perpetum mobile". V nekaterih primerih so bile napake "izumitelja" očitne, v drugih so bile te napake skrite za zapleteno zasnovo naprave. Neuspešni poskusi ustvarjanja "večnega gibalca" se nadaljujejo še danes. Vsi so obsojeni na neuspeh, saj zakon ohranjanja in transformacije energije zanika delo brez porabe energije.
Imate še vprašanja? Ne veste, kako narediti domačo nalogo?
Če želite dobiti pomoč od mentorja -.
Prva lekcija je brezplačna!
blog.site, pri celotnem ali delnem kopiranju gradiva je obvezna povezava do izvirnega vira.
- Vrste goriva
- Ogrevanje in ogrevanje
- Kuhanje hrane
- Prenos toplote in zakon o ohranitvi energije
- Energija in toplina v živi naravi
- Termični mehanizmi in motorji
Lekcija projektne metode
- Cilj:
- sistematizirati in povzeti predhodno pridobljeno znanje o temi;
- dati idejo o projektnih dejavnostih;
- zanimanje študentov za raziskovalne dejavnosti;
- razvijati logično razmišljanje in sposobnost posploševanja;
- naučiti se uporabljati pridobljeno znanje v praksi in vsakdanjem življenju.
Projekt št. 1
"Vrste goriva"
Gorenje je eksotermna reakcija, ki sprošča toploto. vrste goriva v 3 skupine: trdna, tekoča, plinasta . Izkazalo se je, da čeljabinski rjavi premog od številnih vrst trdnih goriv proizvede največ toplote, 14300 kJ na 1 kg goriva in kovinsko raketno gorivo:
magnezij 24 830 kJ
aluminij 31 000 kJ
berilij 66 600 kJ
Od tekočih vrst: kerozin bo osvetlil 43.100 kJ na 1 kg tekočega goriva in dizelskega goriva - 42.700 kJ.
Plinasto gorivo se odlikuje po sproščanju velike količine energije na 1 kg gorljivega goriva. Toda največja količina energije se sprosti pri zgorevanju vodika - 119 700 kJ.
Projekt št. 2
"Ogrevanje in ogrevanje"
1. Kako se običajno ogrevajo stanovanjski in industrijski prostori?
2. Kako lahko preučujete notranjo konvekcijo?
3. Katere druge metode prenosa toplote obstajajo?
Projekt št. 3 "Kuhanje hrane"
Kako doseči, da se krompir hitreje skuha?
Da bi se vaš krompir hitreje skuhal, morate v ponev s krompirjem in vodo pred kuhanjem vreči košček masla. Ko se segreje, se stopi in prekrije površino vode s tanko plastjo. Ta zaščitna folija bo preprečila proces izhlapevanja vode. In proces izhlapevanja vedno spremlja znižanje temperature tekočine in njene količine. Srečamo se s sledečo situacijo: polovica tekočine je povrela, krompir pa še ni kuhan, dolivati je treba vodo in kuhati naprej, kar zahteva dodaten čas.
Projekt št. 4 "Prenos toplote in zakon o ohranitvi energije"
1. Zagotovite poskuse z uporabo preproste šolske opreme za prikaz različnih vrst prenosa toplote in jih diagramsko razložite.
2 . S spremembo temperature lahko telo spremeni svoje mehanske lastnosti: dolžino, prostornino, gostoto, elastičnost, krhkost. Navedite primere.
Projekt št. 5 “Energija in toplota v živi naravi”
- Nekateri organizmi, zlasti v fazi mirovanja, lahko obstajajo pri zelo nizkih temperaturah. Mikrobne spore lahko na primer prenesejo ohlajanje do -200 C. Obstajajo organizmi z nestabilno temperaturo: žabe, ribe, krokodili, kače in tisti s konstantno temperaturo: volkovi, medvedi. Temperatura telesa je odvisna od temperature okolja. Obstaja veliko naprav za boj proti hlajenju ali pregrevanju.
Projekt št. 6 "Toplotni mehanizmi in motorji"
V življenju se nenehno srečujemo z različnimi motorji. Delovanje toplotnih strojev je povezano s porabo različnih vrst energije. Zasnova prvih parnih strojev je imela glavne dele vseh kasnejših toplotnih strojev: grelec, v katerem se je sproščala energija goriva, vodno paro kot delovno tekočino in bat z valjem, ki je energijo pare pretvarjal v mehansko delo, kot tudi hladilnik, potreben za zmanjšanje temperature in tlaka pare.
V današnji lekciji bomo preučevali zakon o ohranjanju energije in se spomnili preoblikovanja nekaterih vrst mehanske energije v druge med gibanjem teles, ponovili bomo tak koncept, kot je skupna mehanska energija telesa. Nato bomo govorili o procesih, pri katerih bodo potekale sočasne transformacije mehanske in notranje energije ter njune medsebojne transformacije. Spomnimo se tudi pojmov "zaprt sistem" in "toplotno izoliran sistem". Skozi lekcijo se bomo večkrat sklicevali na zgodovino preučevanja fizikalnih pojavov in se spomnili največjih znanstvenikov, ki so prispevali k razvoju idej o preučevani veji fizike.
Vprašanja transformacije mehanske in notranje energije so se zelo aktivno preučevala v 19. stoletju. Glavno raziskavo so izvedli naslednji znanstveniki.
Nemški znanstvenik Julius Mayer (slika 8) je s svojimi poskusi pokazal, da so možne medsebojne transformacije notranje in mehanske energije in da so spremembe notranje energije pri takih procesih enakovredne popolnemu delu.
Posebej zanimivo je delo angleškega znanstvenika Jamesa Joula (slika 9), ki je s serijo poskusov dobil dokaz, da obstaja natančna enakost med opravljenim delom na telesu in spremembo notranje energije.
Posebej zanimivo je dejstvo, da je leta 1843 francoski inženir Gustav Girn (slika 10) s serijo svojih poskusov skušal ovreči to, kar sta dokazovala Mayer in Joule, vendar so rezultati njegovih poskusov le še enkrat dokazali doslednost. pri pretvorbi mehanske energije v notranjo.
Za pravilno opisovanje procesov prenosa toplote je pomembno, da je sistem, v katerem potekajo, toplotno izoliran in da zunanji procesi prenosa toplote ne vplivajo na telesa, ki se nahajajo v obravnavanem sistemu (slika 11).
riž. 11. Zaprt sistem
V tem primeru končano zakon o ohranjanju energije: Če je sistem zaprt in toplotno izoliran, ostane energija v tem sistemu nespremenjena.
Komentiraj. Ta zakon se zelo pogosto imenuje tudi temeljni zakon narave.
Danes smo govorili o medsebojnih pretvorbah različnih vrst mehanske energije druga v drugo: mehanske v toplotno, toplotne v mehansko. Poleg tega smo preučili najpomembnejši zakon fizike – zakon o ohranitvi energije.
V naslednji lekciji bomo preučili enačbo toplotne bilance.
Bibliografija
- Gendenshtein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. / Ed. Orlova V.A., Roizena I.I. Fizika 8. - M.: Mnemosyne.
- Periškin A.V. Fizika 8. - M.: Bustard, 2010.
- Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizika 8. - M.: Razsvetljenje.
- Internetni portal “sch119comp2.narod.ru” ()
- Internetni portal “youtube.com” ()
Domača naloga
1. Pri mehanskih pojavih je pod določenimi pogoji izpolnjen zakon o ohranitvi mehanske energije: skupna mehanska energija sistema teles se ohrani, če medsebojno delujejo s silami gravitacije ali elastičnosti. Če delujejo sile trenja, se celotna mehanska energija teles ne ohrani, del (ali vsa) se pretvori v njihovo notranjo energijo.
Ko se stanje telesa (sistema) spremeni, se spremeni njegova notranja energija. Stanje telesa in s tem njegova notranja energija se lahko spremenita na dva načina: v procesu prenosa toplote ali z zunanjimi silami, ki opravljajo delo na telesu (delo, na primer, sile trenja).
2. Pri reševanju naloge iz prejšnjega odstavka je bilo ugotovljeno, da je količina toplote \(Q_1 \) , ki jo odda vroča voda, enaka količini toplote \(Q_2 \), ki jo prejme hladna voda, to je: \( Q_1=Q_2 \) .
Zapisano enakost imenujemo enačba toplotne bilance. Povezuje količino toplote, ki jo prejme eno telo, in količino toplote, ki jo pri izmenjavi toplote odda drugo telo. V tem primeru pri izmenjavi toplote lahko sodelujeta ne dve telesi, ampak tri ali več. Če na primer žlico spustite v kozarec vročega čaja, bosta kozarec in čaj (oddajala energijo), žlica in okoliški zrak (sprejemala energijo) sodelovala pri izmenjavi toplote. Kot že rečeno, lahko pri specifičnih problemih zanemarimo količino toplote, ki jo nekatera telesa prejmejo ali oddajo pri izmenjavi toplote.
3. Enačba toplotne bilance omogoča določitev določenih količin. Zlasti specifična toplotna kapaciteta snovi se določi iz enačbe toplotne bilance.
Naloga. Določite specifično toploto aluminija, če ko spustite aluminijasto žlico, ki tehta 42 g pri temperaturi 20 °C, v kozarec z 92 g vode pri 75 °C temperatura v kozarcu doseže 70 °C. Zanemarimo izgube energije za ogrevanje zraka, kakor tudi energijo, ki jo oddaja steklo.
Analiza naloge. Pri izmenjavi toplote sodelujeta dve telesi: vroča voda in aluminijasta žlica. Voda sprosti količino toplote \(Q_1 \) in se ohladi s 75 na 70 °C. Aluminijasta žlica prejme količino toplote \(Q_2\) in se segreje od 20 do 70 °C. Količina toplote \(Q_1 \) , ki jo daje vroča voda, je enaka količini \(Q_2 \) toplote, ki jo prejme žlica.
Rešitev problema v splošni obliki: enačba toplotne bilance: \(Q_1=Q_2 \) ; količina toplote, ki jo odda topla voda: \(Q_1=c_1m_1(t_1-t) \) ; količina toplote, ki jo prejme aluminijasta žlica: \(Q_2=c_2m_2(t-t_2) \) . Ob upoštevanju tega je enačba toplotne bilance: \(c_1m_1(t_1-t)=c_2m_2(t-t_2) \). Od: \(c_2=c_1m_1(t_1-t)/m_2(t-t_2) \).
4. Zakon o ohranitvi energije pri toplotnih procesih je izpolnjen, ko se telesa segrejejo zaradi energije, ki se sprosti pri zgorevanju goriva. Gorivo je zemeljski plin, drva, premog, olje. Ko zgori, pride do kemične oksidacijske reakcije - atomi ogljika se povežejo z atomi kisika v zraku in nastane molekula ogljikovega monoksida (ogljikovega dioksida) CO 2. To sprošča energijo.
Pri zgorevanju različnih goriv enake mase se sprostijo različne količine toplote. Na primer, dobro je znano, da je zemeljski plin energetsko učinkovitejše gorivo od lesa. To pomeni, da mora biti za pridobitev enake količine toplote masa lesa, ki ga je treba zgoreti, bistveno večja od mase zemeljskega plina. Posledično je za različne vrste goriva z energetskega vidika značilna količina, imenovana specifična toplota zgorevanja goriva.
Specifična toplota zgorevanja goriva je fizikalna količina, ki kaže, koliko toplote se sprosti pri popolnem zgorevanju goriva, ki tehta 1 kg.
Specifična toplota zgorevanja goriva je označena s črko \(q \), njena enota je 1 J/kg.
Vrednost specifične toplote zgorevanja goriva se določi eksperimentalno. Največjo specifično zgorevalno toploto ima vodik, najmanjšo pa smodnik.
Specifična toplota zgorevanja, na primer, nafte je 4,4·10 7 J/kg. To pomeni, da se pri popolnem zgorevanju 1 kg olja sprosti količina toplote 4,4 × 10 7 J.
V splošnem primeru, če je masa goriva enaka \(m\) , potem je količina toplote \(Q \) , ki se sprosti med njegovim popolnim zgorevanjem, enaka produktu specifične toplote zgorevanja goriva \(q \) glede na njegovo maso \(m\) :
5. Predpostavimo, da se je notranja energija telesa \(U \) spremenila tako, da je nad njim opravljeno delo \(A \) in mu predana določena količina toplote \(Q \) . V tem primeru je sprememba notranje energije \(U \) enaka vsoti dela \(A \), opravljenega na telo, in količine toplote \(Q \) , ki mu je bila prenesena :
Pisno izražanje je prvi zakon termodinamike 1, ki je posplošitev zakona o ohranitvi energije. Formulirano je takole: sprememba notranje energije sistema med prehodom iz enega stanja v drugo je enaka vsoti dela, ki ga na sistem opravijo zunanje sile, in količine toplote, ki se sistemu prenese.
1 Termodinamika preučuje toplotne procese.
Predpostavimo, da dela ne opravljajo zunanje sile, ampak telo samo. Njegovo delo v tem primeru je \(A^(‘)=-A \) in \(Q=U+A^(‘) . Količina toplote, ki se prenese na telo, se porabi za spreminjanje njegove notranje energije in delovanje telesa proti zunanjim silam.
6. Naprave, ki opravljajo mehansko delo z uporabo notranje energije goriva, imenujemo toplotni motorji.
Vsak toplotni stroj je sestavljen iz grelnika, hladilnika in delovne tekočine (slika 72). Kot delovna tekočina se uporablja plin ali para, saj sta dobro stisnjena, odvisno od vrste motorja pa je lahko gorivo (bencin, kerozin), vodna para itd. Grelec prenese določeno količino toplote na delovno tekočina \((Q_1) , njena notranja energija pa se poveča, zaradi te notranje energije se izvaja mehansko delo \((A)\), nato delovna tekočina odda nekaj toplote hladilniku \((Q_2)\) in se ohladi na začetno temperaturo. Opisani diagram predstavlja cikel delovanja motorja in je splošen, pri realnih motorjih lahko vlogo grelnika in hladilnika opravljajo različne naprave. Okolje lahko služi kot hladilnik.
Ker se v motorju del energije delovne tekočine prenese na hladilnik, je jasno, da se vsa energija, ki jo prejme od grelnika, ne porabi za opravljanje dela. V skladu s tem je koeficient učinkovitosti (izkoristek) motorja enak razmerju med opravljenim delom \((A) \) in količino toplote, ki jo je prejel od grelnika \((Q_1) \) :
\[ Učinkovitost=\frac(A)(Q_1)100\%=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)100\% \]
Učinkovitost je običajno izražena v odstotkih.
7.
Obstajata dve vrsti motorjev z notranjim zgorevanjem (ICE): uplinjač in dizel. Pri motorju z uplinjačem se delovna mešanica (mešanica goriva in zraka) pripravlja zunaj motorja v posebni napravi in iz nje vstopa v motor. V dizelskem motorju gorivo
mešanica se pripravi v samem motorju.
Motor z notranjim zgorevanjem (slika 73) je sestavljen iz valja (1), v katerem se giblje bat (5); valj ima dva ventila (2, 3), skozi enega dovajamo gorljivo zmes v valj, skozi drugega pa izpuščamo izpušne pline iz cilindra. Bat je z ročičnim mehanizmom (6, 7) povezan z ročično gredjo, ki se vrti, ko se bat premika naprej. Cilinder je zaprt s pokrovom (4).
Delovni cikel motorja z notranjim zgorevanjem vključuje štiri takte: sesalni, kompresijski, pogonski in izpušni. Med sesanjem se bat premakne navzdol, tlak v valju se zmanjša in vanj skozi ventil vstopi gorljiva mešanica (pri motorju z uplinjačem) ali zrak (pri dizelskem motorju). Ventil je v tem trenutku zaprt (slika 73 a). Ob koncu vnosa gorljive mešanice se ventil zapre.
Med drugim gibom se bat premakne navzgor, ventili se zaprejo in delovna mešanica oziroma zrak se stisne (slika 73 b). Hkrati se temperatura plina dvigne: gorljiva mešanica v motorju z uplinjačem se segreje na 300-350 ° C, zrak v dizelskem motorju pa na 500-600 ° C. Na koncu kompresijskega takta preskoči iskra v motorju z uplinjačem in gorljiva mešanica se vname. Pri dizelskem motorju se gorivo vbrizga v valj in nastala mešanica se spontano vžge.
Pri zgorevanju gorljive zmesi se plin razširi in potisne bat in z njim povezano ročično gred, ki opravlja mehansko delo (slika 73 c). To povzroči ohlajanje plina.
Ko bat doseže najnižjo točko, se tlak v njem zmanjša. Ko se bat premakne navzgor, se ventil odpre in sprostijo se izpušni plini (slika 73d). Na koncu tega giba se ventil zapre.
8. Parna turbina je disk, nameščen na gredi, na kateri so nameščene lopatice. Para vstopi v rezila. Para, segreta na 600 °C, se usmeri v šobo in se v njej razširi, pri čemer se njena notranja energija pretvori v kinetično energijo smernega gibanja parnega curka. Curek pare prihaja iz šobe na turbinske lopatice in nanje prenese del svoje kinetične energije, zaradi česar se turbina vrti. Običajno imajo turbine več diskov, od katerih vsak prenaša del energije pare. Vrtenje diska se prenaša na gred, na katero je priključen generator električnega toka.
1. del
Za določitev specifične toplote zgorevanja goriva je potrebno vedeti
1) energija, sproščena med popolnim zgorevanjem goriva, njegova prostornina in začetna temperatura
2) energija, ki se sprosti med popolnim zgorevanjem goriva in njegovo maso
3) energija, ki se sprosti med popolnim zgorevanjem goriva in njegovo gostoto
4) specifično toplotno kapaciteto snovi, njeno maso, začetno in končno temperaturo
2. V posodo s temperaturo 90 °C smo nalili 1 kg vode. Kolikšna je masa vode pri 30 °C, ki jo je treba vliti v posodo, da bo temperatura vode v njej enaka 50 °C? Zanemarimo izgube energije za ogrevanje posode in okoliškega zraka.
1) 1 kg
2) 1,8 kg
3) 2 kg
4) 3 kg
3. Vodi, odvzeti pri temperaturi 20 °C, dodamo 1 liter vode pri temperaturi 100 °C. Izkazalo se je, da je temperatura mešanice 40 °C. Kolikšna je masa hladne vode? Zanemarjajte izmenjavo toplote z okoljem.
1) 1 kg
2) 2 kg
3) 3 kg
4) 4 kg
4. Zrak se hitro stisne v cevi z debelimi stenami. Hkrati notranja energija zraka
1) se ne spremeni
2) poveča
3) zmanjša
4) najprej se poveča, nato pa se ne spremeni
5. Plin je prejel količino toplote 300 J in opravil delo 100 J. Notranja energija plina je
1) povečala za 400 J
2) povečala za 200 J
3) zmanjšal za 400 J
4) zmanjšal za 200 J
6. V motorju z notranjim zgorevanjem
1) notranja energija delovne tekočine se pretvori v mehansko energijo
2) bat se premika zaradi količine toplote, ki se nanj prenese
3) mehanska energija bata se pretvori v notranjo energijo delovne tekočine
4) mehansko delo se izvaja zaradi energije delovne tekočine in količine toplote, prenesene na bat
7. Motor z notranjim zgorevanjem opravlja koristno delo, ko
1) stiskanje delovne tekočine
2) izpust izpušnih plinov iz cilindra
3) dovod delovne tekočine v valj
4) ekspanzija delovne tekočine v valju
8. Delovna tekočina v avtomobilskem motorju z notranjim zgorevanjem je
1) zrak
2) bencin
3) vnetljiva zmes, sestavljena iz zraka in bencinskih hlapov
4) kerozin
9. Toplotni stroj med obratovanjem od grelnika prejme 200 J toplote, hladilniku pa odda 80 J. Kolikšen je izkoristek motorja?
1) 29%
2) 40%
3) 43%
4) 60%
10. Motor prejme od grelca 100 J toplote in opravi koristno delo 200 J. Kolikšen je izkoristek takega motorja?
1) 200%
2) 50%
3) 20%
4) tak motor je nemogoč
11. Vzpostavite ujemanje med fizikalnimi količinami in njihovimi enotami SI. Za vsako mesto v levem stolpcu izberite ustrezno mesto v levem stolpcu in zapišite izbrane številke pod pripadajoče črke
FIZIČNA KOLIČINA
A) količina toplote
B) specifična toplotna kapaciteta
B) specifična zgorevalna toplota
ENOTA KAKOVOSTI
1) J/kg
2) J
3) J/kg °C
12. Vzpostavite ujemanje med fizikalnimi količinami in njihovimi možnimi spremembami z analizo naslednje situacije: »Pri stalnem tlaku se plin določene mase hitro širi. Kako se spreminjajo temperatura plina, njegova koncentracija in notranja energija?« Številke v odgovoru se lahko ponavljajo. Za vsako mesto v levem stolpcu izberite ustrezno mesto v levem stolpcu in pod pripadajoče črke zapišite izbrane številke.
FIZIČNA KOLIČINA
A) temperatura plina
B) koncentracija
B) notranja energija
ENOTA KAKOVOSTI
1) se ne spremeni
2) poveča
3) zmanjša
13. Udarni del kladiva z maso 10 ton prosto pade na jekleni del z maso 200 kg. S katere višine pade udarni del kladiva, če se po 32 udarcih segreje za 20 °C? 25% energije kladiva se porabi za ogrevanje.
odgovori
