Более половины загрязнения окружающей среды вызвано движением транспорта. Одним из способов решения проблемы охраны окружающей среды является переход на дизельные и электрические двигатели и повышение эффективности.
Внутренняя энергия
Физика имеет дело со всеми видами явлений: Механика, тепло, свет, электричество и т.д.
Вы уже знакомы с некоторыми механическими явлениями. Физическая величина, например, механическая энергия, показывает, какую работу может совершить тело. Она имеет две формы: потенциальная энергия и кинетическая энергия.
Можем ли мы использовать этот тип энергии для описания тепловых явлений? Или этих определений недостаточно? В этом уроке мы рассмотрим преобразование энергии и найдем ответы на эти вопросы.
Кинетическая и потенциальная энергии
Потенциальная энергия — это энергия, определяемая взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.
Кинетическая энергия — это энергия, которой обладает тело вследствие его движения.
Каждое тело в движении обладает кинетической энергией ($E_k = \frac
Примером тела, обладающего потенциальной энергией, может служить сжатая или растянутая пружина, тетива или резиновая лента (рис. 2). В этом случае потенциальная энергия будет рассчитана по формуле $E_n = \frac$.
Другим примером потенциальной энергии является любое тело, находящееся на определенной высоте над землей (рис. 3). В этом случае используется формула $E_n = mgh$).
Кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии, которые могут быть преобразованы друг в друга.
Превращение энергии
Рассмотрим простой эксперимент (рис. 4).
У нас есть мяч и тарелка с карандашами. Поднимите мяч на определенную высоту, а затем отпустите его (рис. 4, а). Что произойдет осенью?
- Высота подъема уменьшается — потенциальная энергия шара уменьшается
- Увеличивается скорость — увеличивается кинетическая энергия шара
Шарик достигает пластины и останавливается (Рисунок 4, b). Кинетическая и динамическая энергия равна нулю. Механическая энергия была преобразована в другую форму энергии.
Что это за энергия? Когда мяч ударился о тарелку, он сплющился и оставил на ней вмятину. Произошла деформация двух тел. Измерение температуры шара и пластины после удара показывает, что они нагрелись. О чем это говорит нам?
- Состояние тел изменилось — изменилась энергия частиц, из которых состоят тела
- При нагревании увеличилась средняя скорость движения и средняя кинетическая энергия молекул
- При деформации изменилось взаимное расположение молекул — изменилась их потенциальная энергия
Таким образом, механическая энергия сферы была преобразована в молекулярную энергию.
Внутренняя энергия и способы ее изменения
Внутренняя энергия — это энергия движения и взаимодействия молекул.
Кинетическая энергия всех молекул, составляющих тело, и потенциальная энергия их взаимодействия составляют внутреннюю энергию тела.
Когда тело перестает двигаться механически, оно перестает двигаться, но случайное (тепловое) движение его молекул увеличивается. Механическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию тела
Внутренняя энергия зависит от температуры тела, общего состояния материи и других факторов.
Внутренняя энергия тела не зависит от механического движения тела или положения тела по отношению к другим телам.
Если рассматривать кинетическую и потенциальную энергию молекулы, то она очень мала, потому что масса молекулы мала. Поскольку тело содержит много молекул, внутренняя энергия тела, которая является суммой энергий всех молекул, высока.
Способы изменения внутренней энергии
При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается, поскольку средняя скорость движения молекул в теле возрастает. И наоборот, внутренняя энергия тела уменьшается при снижении температуры.
Эксперимент: Если нагреть бутылку с резиновой пробкой, то через некоторое время пробка выскочит.
Таким образом, внутренняя энергия тела изменяется при изменении скорости движения молекул.
Внутренняя энергия может изменяться двумя способами:
1) путем выполнения механической работы. Внутренняя энергия увеличивается, когда тело совершает работу, и уменьшается, когда тело совершает работу.
2) путем передачи тепла (теплопроводность, конвекция, излучение). Когда тело отдает тепло, его внутренняя энергия уменьшается, а когда оно принимает тепло, она увеличивается.
Виды теплопередачи. Опыты, иллюстрирующие виды теплопередачи. Теплопередача в природе, технике, механике.
Теплообмен (теплопередача) — это процесс изменения внутренней энергии, происходящий без совершения работы.
1)
Кондукция — это тип теплопередачи, при котором энергия передается от одного тела к другому или от одной части тела к другой через контакт. Различные вещества имеют разную теплопроводность. Металлы обладают высокой теплопроводностью, жидкости — низкой, а газы — низкой. При теплопроводности отсутствует массоперенос.
2) Конвекция — это тип теплопередачи, при котором энергия передается струями газа и жидкости. Существует два типа конвекции: естественная и принудительная. В твердых телах конвекция отсутствует, поскольку их частицы не очень подвижны. В природе и в жизни человека существует множество проявлений конвекции. Конвекция также используется в технике.
3) Излучение — это вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью электромагнитных волн. Тела с темными поверхностями поглощают и излучают энергию лучше, чем тела со светлыми поверхностями. Это используется на практике.
* При теплообмене количество выделяемого тепла равно количеству поглощаемого тепла, или их сумма равна нулю. Это называется значением теплового равновесия.
Можно ли изменять внутреннюю энергию тел
Внутренняя энергия тела может быть изменена путем ее увеличения или уменьшения. Это может быть сделано двумя способами: за счет работы или за счет теплопередачи.
Чтобы увеличить внутреннюю энергию тела, необходимо его нагреть (передать ему тепловую энергию) или совершить над ним работу.
Чтобы уменьшить внутреннюю энергию тела, его нужно охладить (отвести от него тепловую энергию) или совершить работу над другим телом.
Примечание: Внутренняя энергия тела уменьшается, когда тело совершает работу.
Узнайте больше о различных видах теплопередачи.
От чего зависит внутренняя энергия тела
Внутренняя энергия тела зависит от:
— общее состояние (газообразное, жидкое, твердое).
— Некоторые другие факторы.
Чем выше температура тела, тем выше его внутренняя энергия.
Математики записывают его следующим образом: Внутренняя энергия является функцией температуры. Или сокращенно:
Символ T означает температуру тела.
При одной и той же температуре газы обладают наибольшей внутренней энергией. Внутренняя энергия жидкостей ниже, чем у газов.
Потенциальная энергия определяется относительным положением взаимодействующих тел или частей тел. Камень, поднятый с земли, сжатая или растянутая пружина и т.д. обладают потенциальной энергией.
8 класс
Тела, обладающие кинетической энергией: a — летящая птица; b — движущийся аэроплан.
Кинетическая и потенциальная энергия — это два вида механической энергии, которые могут быть преобразованы друг в друга.
Тела с потенциальной энергией: a — деформированная пружина: b — камень, поднятый с земли.
Как один вид энергии преобразуется в другой?
Свинцовый шарик, лежащий на свинцовой пластине, поднимают и отпускают (рис. 2, а). По мере падения скорость шарика увеличивается, а высота уменьшается. Следовательно, кинетическая энергия увеличивается, а динамическая энергия уменьшается. Это означает, что потенциальная энергия шарика преобразуется в кинетическую. Когда шарик ударяется о свинцовую пластину, он останавливается (рис. 2, б). Его кинетическая и потенциальная энергия равны нулю.
Рис. 2. Преобразование механической энергии свинцового шарика.
Означает ли это, что механическая энергия, которой обладал шар, бесследно исчезла? Очевидно, нет.
Механическая энергия была преобразована в другую форму энергии. Что это за другая форма энергии? Рассмотрите мяч и пластину после удара. Оказалось, что мяч слегка сплющен и имеет небольшую вмятину на пластине. Шар и пластина деформировались во время удара. Мы измеряем температуру шарика и пластины сразу после удара. Мы обнаруживаем, что они нагрелись.
Таким образом, удар мяча о плиту изменил состояние этих тел — они деформировались и нагрелись. Но если состояние тел изменилось, то изменилась и энергия образующих их частиц. На самом деле мы знаем, что средняя скорость молекул увеличивается при нагревании тела. Поэтому их средняя кинетическая энергия увеличивается. Молекулы также обладают потенциальной энергией. На самом деле они взаимодействуют друг с другом: притягиваются друг к другу, а при приближении друг к другу отталкиваются. Когда тело деформируется, взаимное расположение его молекул изменяется, а вместе с ним и их потенциальная энергия.
Таким образом, во время столкновения изменилась как кинетическая, так и динамическая энергия молекул свинца. Следовательно, механическая энергия сферы не исчезла в начале эксперимента. Она была преобразована в молекулярную энергию.
Кинетическая энергия всех молекул, составляющих тело, и потенциальная энергия их взаимодействия образуют внутреннюю энергию тела.
