Какие переходы и превращения энергии происходят в них 8 класс кратко

Обновлено: 05.07.2024

Работа газа при расширении

1. Как выглядят простейшие устройства, в которых происходит превращение внутренней энергии пара в механическую энергию?

Простейший паровой двигатель: внутри цилиндра нагревается пар, в результате нагревания пар расширяется и совершает работу, перемещая поршень.
Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию поршня.

2. Какие двигатели называют тепловыми?

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

3. Какие виды тепловых двигателей вам известны?

Существует несколько видов тепловых двигателей:
- паровая машина,
- двигатель внутреннего сгорания,
- паровая и газовая турбины,
- реактивный двигатель.

4. Какие переходы и превращения энергии происходят в них?

В тепловых двигателях энергия топлива превращается во внутреннюю энергию пара (или газа).
Пар (или газ), расширяясь, совершают работу и при этом охлаждаются.
При этом часть внутренней энергии пара (или газа) превращается в механическую энергию.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, топливо в котором сгорает прямо в цилиндре внутри самого двигателя.

2. Из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания?

Простейший двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень.
Поршень соединен внизу посредством шатуна с коленчатым валом.
Два клапана в верху цилиндра: один клапан служит для подачи в цилиндр горючей смеси, другой клапан выпускает отработанные газы.

3. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя?

Рабочий цикл двигателя происходит за четыре хода поршня (такта), при этом коленчатый вал делает два оборота.

4. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырёх тактов? Как называют эти такты?

Работа ДВС характеризуется четырьмя тактами (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) и слаженной работой клапанов.
Впуск - поршень движется вниз, в цилиндре над поршнем создается разряжение, открывается клапан и в цилиндр сверху поступает горючая смесь, клапан закрывается.
Сжатие - поршень движется вверх и сжимает горючую смесь, она воспламеняется от искры и сгорает.
Рабочий ход - поршень под давлением газов, образовавшихся в результате сгорания топлива, опускается вниз, совершая работу, т.е. передавая движение валу.
Выпуск - поршень движется вверх, продукты сгорания выходят в атмосферу через клапан, в конце такта клапан закрывается.

5. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?

Маховик представляет собой диск большой массы и потому характеризуется большой инертностью.
Вращаясь он не может остановиться мгновенно и еще какое-то время прокручивается, двигая поршень.
Маховик как бы накапливает кинетическую энергию и передает ее поршню двигателя, не позволяя тому замирать в "метвых" точках, т.е. в положениях максимально возможного подъема или спуска.
Маховик помогает обеспечивать плавность вращения вала двигателя.

7. Где еще, кроме автомобилей, используют ДВС?

Кроме автомобилей двигатели внутреннего сгорания используются еще:
- в винтовых самолетах,
- в тепловозах,
- на судах,
- в портативных генераторах электрического тока.

Мы уже рассматривали явления превращения энергии, когда говорили о внутренней энергии тела.

Внутренняя энергия определяется кинетической энергией всех его молекул, из которых состоит тело, и потенциальной энергией их взаимодействия.

В данном уроке мы более подробно рассмотрим известные нам виды энергии. Вы увидите, как энергия сохраняется в механических и тепловых процессах, переходит от одного тела к другому.

Закон сохранения механической энергии

Когда мы подбрасываем вверх мяч, мы сообщаем ему энергию движения — кинетическую энергию. Мяч поднимается до какой-то высоты, останавливается и начинает падать (рисунок 1).

В точке начала движения кинетическая энергия достигает своего максимума, а потенциальная энергия равна нулю
Во время движения мяча вверх кинетическая энергия постепенно превращается в потенциальную. Кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная — увеличивается
В точке максимального подъема вся кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную
Во время движения мяча вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия постепенно превращается в кинетическую.

При всех вышеописанных превращениях полная механическая энергия не изменяется.

Полная механическая энергия тела — это сумма его потенциальной и кинетической энергий:
$E = E_к + E_п$

Закон сохранения механической энергии:
полная механическая энергия тела остается постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения;
$E = const$.

Превращения механической и внутренней энергий

Проведем простой эксперимент. Возьмем резиновый шарик, поднимем его на определенную высоту над столом и отпустим.

Он отскакивает от стола, но с каждым разом поднимается на меньшую высоту. Это происходит до тех пор, пока он не остановится. Мы не можем сказать, что его полная механическая энергия оставалась постоянной.

Почему? На шарик действовали силы трения. При этом часть его механической энергии каждый раз переходила во внутреннюю энергию, пока не не перешла полностью.

Но далеко не все тела будут отскакивать от поверхности. Когда мы говорили с вами о внутренней энергии тела, был рассмотрен показательный опыт с падением свинцового шарика на свинцовую доску. Его механическая энергия при падении полностью перешла во внутреннюю энергию.

Таких примеров можно привести множество. Но даже сейчас мы уже можем сделать вывод:

механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.

Это легко пронаблюдать на тепловых процессах. Например, при теплопроводности энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

В технике часто можно наблюдать превращение внутренней энергии в механическую. Например, внутренняя энергия топлива при его сгорании в двигателе машины превращается в механическую энергию движения.

Закон сохранения и превращения энергии

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется.

Вспомните задачу (№2) из урока Расчет количества теплоты, необходимой для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении. В ней мы смешивали холодную и горячую воду. Если не допустить перехода теплоты к другим телам, то мы получаем, что количество теплоты, отданное горячей водой, равняется количеству теплоту, полученному холодной водой.

Одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии:

Во всех явлениях, которые происходят в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

Отметим, что полностью внутреннюю энергию нельзя превратить в механическую.

Примеры сохранения и превращения энергии

Энергия не берется из ниоткуда. У тела не может появиться какая-то энергия, если оно не получило ее от другого тела.

Солнце — огромный источник энергии для Земли. Солнечные лучи нагревают ее поверхность — их энергия превращается во внутреннюю энергию почв. Воздух, нагреваясь от земной поверхности приходит в движение и появляется ветер. Так внутренняя энергия воздушных масс переходит в механическую энергию.

Солнечные лучи поглощаются листьями растений. Это способствует течению сложных химических реакций (рисунок 2). Здесь энергия солнечных лучей переходит в химическую энергию.

В наше время активно используется солнечная энергия для использования в быту и технике. В местностях, где большое количество солнечных дней в году, излучение Солнца используют для нагревания воды, получения водяного пара. Солнечные батареи — пример преобразования энергии солнечных лучей в электроэнергию.

Другой источник энергии на Земле — атомная энергия. Атомные электростанции (АЭС) позволяют превратить эту энергию в электрическую для дальнейшего использования человеком.

Один из важнейших постулатов в физике является закон сохранения энергии. Согласно ему, она существует в определённом количестве, при этом её значение неизменное. При выполнении работы происходит превращение энергии из одного вида в другой. При этом она может также передаваться между телами, например, пружина с грузом. Это явление используется во множестве современных технологий. Причём правила преобразования справедливы как для микро, так и макромира.

Фундаментальные принципы

Человека — покормить, простейший механизм —завести, какой-то предмет — поднять и опустить.

Таким образом, о телах или их системах говорят, что если они способны совершить работу, то имеют энергию. Другими словами, характеризуются физической величиной, описывающей способность совершать действие. Обозначать энергию принято латинской буквой E, а измерять в джоулях [Дж]. В системе же СГС (сантиметр-грамм-секунда) за количественную единицу принимают [эрг] или [г * см 2 / с 2 ].

В учёном мире долго велись споры, что же, по сути, представляет собой параметр — субстанцию или только величину. В результате большая часть физиков склонилась к тому, что это просто физическое значение, характеризующее движение или его изменение. Сегодня считается, что энергия — скалярная величина, используемая в качестве меры различных форм работы и взаимодействия материй, а также преобразования субстанции из одной формы в другую.

Пожалуй, важным принципом в природе является закон сохранения энергии. Установлен он был опытным путём. Его смысл заключается в том, что при любой работе в замкнутой системе, происходит взаимопревращение энергии из одной формы в другую. То есть она ниоткуда не берётся и никуда не исчезает, а лишь может преобразовываться.

Ричард Фейнман в 1961 году заявил, что исключений из этого закона не существует, и он абсолютно точен. По существу, это математический принцип, согласно которому есть некоторая численная величина, которая постоянна при любых обстоятельствах.

Это — не описание механизма, а сущность природного явления.

Виды энергии

В природе взаимные превращения энергии определяются способностью тел выполнять тот или иной вид работы. Так как это просто количественная мера, её можно измерить лишь при каком-либо изменении. Вызвать же последнее могут любые процессы, относящиеся к различным отраслям науки. В отличие от материи, о которой можно утверждать, что она существует, энергия — плод человеческого предположения.

В зависимости от природы превращения, различают следующие её виды:

Механический — возникает при перемещении физических тел или частиц, а также при их взаимодействии. Например, вращение, деформирование при сгибании, сжатие, растяжение. Такой вид энергии проявляется при работе механических и технологических машин, ГЭС.
Тепловой — появляется из-за хаотичного движения элементарных носителей или колебаний атомов кристаллической решётки. Например, при сжигании, плавлении, сушки, выпаривании и других многочисленных технологических процессах.
Электрический— проявляется при протекании электрического тока в цепи. Отличается от других видов способностью легко передаваться на большие расстояния с огромной скоростью. Используется в двигателях, радиоэлектронных устройствах. Сегодня способы использования электрических преобразований определяют уровень технического прогресса.
Химический — высвобождается при протекании реакций из-за разрушения межатомных связей. Чаще всего является побочным продуктом.
Магнитный — тесно связан с электрическим. Обусловлен природными свойствами постоянных магнитов и существованием электромагнитного поля. По сути — энергия, проявляющаяся в виде излучения.
Ядерный — высвобождается при распаде изотопов, делении тяжёлых или синтезе лёгких ядер. В природе выделяется в звёздах. Используется для создания оружия и в энергетике. Этот тип содержится в больших количествах в атомах.
Гравитационный — обусловлен взаимным тяготением массивных тел. Характерен для космического пространства. Например, эта энергия тела, поднятого на определённую высоту над поверхностью Земли.

Учёные не исключают возможность существования и других типов. При этом переход энергии из одного вида в другой может происходить как последовательно, так и параллельно.

Например, превращение световой в химическую, механической — в электрическую и тепловую.

Потенциальный и кинетический тип

Чаще всего в физике превращение энергии рассматривают как зависимость между запасённым её значением для работы и набираемой при движении. Так как величина — это способность совершать телом действие, классифицировать её можно не только по форме, но и учитывая изменение положения. В зависимости от этого она может быть двух видов:

Для понимания отличия одного вида от другого лучше всего рассмотреть пример. Пусть есть часы с маятником и гирей. Когда последняя опускается, за счёт работы силы тяжести приводится в действие механизм часов. Значит, поднятая гиря обладает энергией. Если эти часы разместить в космосе, идти они не будут. Всё дело в том, что там груз не имеет веса, так как отсутствует сила, с которой Земля действует на гирю. Следовательно, запасённой энергии у тела не будет. Значит, для примера характерно взаимодействие.

Похожие действия происходят при скручивании пружины, возникновение силы упругости при деформации. Энергия, обусловленная взаимодействием тел или частей одного вещества, носит название потенциальной. Её вычисление зависит от выбранной системы. Значение для тела, поднятого над Землёй, можно определить, как Ep = m*g*h, где:

m — масса;
g — ускорение свободного падения;
h — высота.

Например, когда тело поднимают по наклонной плоскости, ему сообщают потенциал. Фактически это полезная работа. Следует отметить, что Ep зависит, от какого уровня ведётся отсчёт высоты. Но при этом следует учитывать, что работа равна изменению.

Другая ситуация. Пусть нужно забить гвоздь в стену. Чтобы это сделать, нужно отвести инструмент в сторону, а после нанести удар. Другими словами, разогнать молоток. Перед тем как коснуться шляпки гвоздя, инструмент наберёт скорость, которая и позволяет совершить работу по забиванию. Получается, что любое движущееся тело обладает энергией. Называется она кинетической. Её значение зависит от массы тела и скорости. Находится она по формуле: Ek = m * v 2 / 2, где:

Эти 2 вида тесно связаны между собой. При этом очень часто при различных действиях происходит преобразование одного типа в другой. В окружающем мире можно самостоятельно наблюдать, как преобразовывается энергия. Например, при движении любого тела вниз.

Примеры превращения

Поднятая гиря над Землёй обладает каким-то потенциальным значением. Если тело отпустить, она будет уменьшаться. При этом скорость гири по мере движения вниз начнёт увеличиваться. Значит, можно утверждать, что кинетическая энергия будет возрастать. Получается, что уменьшение значения первой сопровождается приростом величины второй.

Правда, для этого должны выполняться некоторые условия. Например, эту гирю можно спустить с наклонной плоскости. В этом случае будет присутствовать трение. В результате движение может быть равномерным. Так как тело опускается, его потенциальная величина снижается, но из-за того, что нет разгона, кинетическое значение не изменяется, поэтому в этом случае энергия преобразовываться не будет.

Если тело захотеть подбросить, ему нужно сообщить Ek за счёт работы бросающего. Но в какой-то момент кинетическое значение, которым обладает тело, станет равным нулю, и оно остановится.

Зато в этот момент потенциальная работа достигнет наибольшей величины.

Таким образом, можно утверждать, что если в системе отсутствует трение, превращаться энергия из одного вида в другой будет симметрично: насколько уменьшается одна, на столько же произойдёт приращение другой. Значит, их сумма будет постоянной величиной. Называется она внутренней энергией.

Высота становится меньше, и потенциал уменьшается. В самой нижней точке он будет равняться нулю. Зато Ek наберёт своё максимальное значение. Но тела обладают свойством инерции, и шар начнёт снова подниматься. Сопротивление воздуха — ничтожно малая величина, поэтому тело займёт ту же самую высоту, но с противоположной стороны. Его потенциал опять вырастет, поэтому можно сказать, что какие превращения энергии бы не проходили, мерой преобразования будет работа.

В качестве яркого примера перехода можно описать работу бытового нагревателя. Электрическая энергия поступает на спираль, которая оказывает сопротивление току. В результате происходит превращение электричества в свет и тепло.

Вспомним, какие превращения энергии происходят при падении мяча массой m с некоторой высоты h max на землю (без начальной скорости).

В верхней точке траектории на высоте h max (положение $1$) мяч покоится ( v = 0 ), значит, его кинетическая энергия равна нулю (минимальна):

Когда мяч начинает своё движение вниз, его высота относительно земли уменьшается. Значит, уменьшается и потенциальная энергия. Скорость движения мяча при этом увеличивается, и кинетическая энергия также увеличивается.

Таким образом, в любой точке своей траектории, кроме самой верхней и самой нижней, (например, в положении $2$) мяч обладает и потенциальной, и кинетической энергией:

h — высота над уровнем земли любой точки траектории движения мяча (кроме самой верхней и самой нижней);

В некоторый момент времени мяч достигнет поверхности земли, и тогда высота его над поверхностью земли станет равной нулю (положение $3$). И потенциальная энергия также станет равной нулю:

При этом скорость мяча достигнет своего максимального значения v max , и кинетическая энергия мяча станет максимальной и равной:

Если при падении мяча на землю нет потерь энергии на сопротивление окружающей среды (или эти потери можно не учитывать), то вся потенциальная энергия мяча на максимальной высоте h max перейдёт в его кинетическую энергию у поверхности земли. Это значит, можно записать равенство:

В этом случае (нет сил сопротивления) сумма кинетической и потенциальной энергии тела на любой высоте будет постоянной. Падает тело вниз или поднимается вверх, значения не имеет:

Читайте также: