+7(499)-938-42-58 Москва
+7(800)-333-37-98 Горячая линия

Роль исследования закона сохранения энергии для тепловых процессов

Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Преобразование энергии в тепловых машинах – FIZI4KA

Роль исследования закона сохранения энергии для тепловых процессов

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения).

2. При решении задачи в предыдущем параграфе получено, что количество теплоты ​\( Q_1 \)​, отданное горячей водой, равно количеству теплоты \( Q_2 \), полученному холодной водой, т.е.: ​\( Q_1=Q_2 \)​.

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса. Оно связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более.

Например, если в стакан с горячим чаем опустить ложку, то в теплообмене будут участвовать стакан и чай (отдают энергию), и ложка и окружающий воздух (получают энергию).

Как уже указывалось, в конкретных задачах мы можем пренебречь количеством теплоты, получаемым или отдаваемым некоторыми телами при теплообмене.

3. Уравнение теплового баланса даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

Задача. Определите удельную теплоёмкость алюминия, если при опускании в стакан, содержащий 92 г воды при 75 °С, алюминиевой ложки массой 42 г при температуре 20 °С в стакане установилась температура 70 °С. Потерями энергии на нагревание воздуха, а также энергией, отдаваемой стаканом, пренебречь.

Анализ задачи. В теплообмене участвуют два тела: горячая вода и алюминиевая ложка. Вода отдаёт количество теплоты ​\( Q_1 \)​ и остывает от 75 до 70 °С. Алюминиевая ложка получает количество теплоты ​\( Q_2 \)​ и нагревается от 20 до 70 °С. Количество теплоты ​\( Q_1 \)​, отданное горячей водой, равно количеству теплоты ​\( Q_2 \)​, полученному ложкой.

Решение задачи в общем виде: уравнение теплового баланса: ​\( Q_1=Q_2 \)​; количество теплоты, отданное горячей водой: ​\( Q_1=c_1m_1(t_1-t) \)​; количество теплоты, полученное алюминиевой ложкой: \( Q_2=c_2m_2(t-t_2) \). С учётом этого уравнение теплового баланса:​\( c_1m_1(t_1-t)=c_2m_2(t-t_2) \)​. Откуда: ​\( c_2=c_1m_1(t_1-t)/m_2(t-t_2) \)​.

4. Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть.

При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) СO2.

При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова.

Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа.

Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания топлива обозначается буквой ​\( q \)​, её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Удельная теплота сгорания, например, нефти — 4,4·107 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4·107 Дж.

В общем случае, если масса топлива равна ​\( m \)​, то количество теплоты ​\( Q \)​, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива ​\( q \)​ на его массу ​\( m \)​:

\[ Q=qm \]

5. Предположим, что внутреннюю энергию тела ​\( U \)​ изменили, совершив над ним работу ​\( A \)​ и сообщив ему некоторое количество теплоты ​\( Q \)​. В этом случае изменение внутренней энергии ​\( U \)​ равно сумме работы ​\( A \)​, совершённой над телом, и переданного ему количества теплоты ​\( Q \)​:

\[ U=A+Q \]

​Записанное выражение представляет собой первый закон термодинамики1, который является обобщением закона сохранения энергии. Он формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы, совершённой над системой внешними силами, и количества теплоты, переданного системе.

1 Термодинамика — учение о тепловых процессах.

Предположим, что работу совершают не внешние силы, а само тело. Его работа в этом случае ​\( A{‘}=-A \)​ и ​\( Q=U+A{‘} \)​. Количество теплоты, переданное телу, идет на изменение его внутренней энергии и на работу тела против внешних сил.

6.Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис. 72). В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр.

Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты ​\( (Q_1) \)​, и его внутренняя энергия увеличивается, за счет этой внутренней энергии совершается механическая работа \( (A) \), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику \( (Q_2) \) и охлаждается при этом до начальной температуры.

Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы ​\( (A) \)​ к количеству теплоты, полученному им от нагревателя ​\( (Q_1) \)​:

\[ КПД=\frac{A}{Q_1}100\%=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}100\% \]

Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах.

7. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая
смесь готовится в самом двигателе.

ДВС (рис.

73) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (5); в цилиндре имеются два клапана (2, 3), через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма (6, 7) соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой (4).

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт (рис. 73 а). В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются (рис. 73 б).

При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300—350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С.

В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу (рис. 73 в). Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа (рис. 73 г). В конце этого такта клапан закрывается.

8. Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар.

Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется, При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара.

Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

  • Примеры задании
  • Ответы

Часть 1

Для определения удельной теплоты сгорания топлива необходимо знать

1) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, его объём и начальную температуру 2) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его массу 3) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его плотность

4) удельную теплоёмкость вещества, его массу, начальную и конечную температуры

2. В сосуд налили 1 кг воды при температуре 90 °С. Чему равна масса воды, взятой при 30 °С, которую нужно налить в сосуд, чтобы в нём установилась температура воды, равная 50 °С? Потерями энергии на нагревание сосуда и окружающего воздуха пренебречь.

1) 1 кг 2) 1,8 кг 3) 2 кг

4) 3 кг

3. В воду, взятую при температуре 20 °С, добавили 1 л воды при температуре 100 °С. Температура смеси оказалась равной 40 °С. Чему равна масса холодной воды? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.

1) 1 кг 2) 2 кг 3) 3 кг

4) 4 кг

4. В толстостенной трубке быстро сжимают воздух. При этом внутренняя энергия воздуха

1) не изменяется 2) увеличивается 3) уменьшается

4) сначала увеличивается, потом не изменяется

5. Газ получил количество теплоты 300 Дж и совершил работу 100 Дж. Внутренняя энергия газа при этом

1) увеличилась на 400 Дж 2) увеличилась на 200 Дж 3) уменьшилась на 400 Дж

4) уменьшилась на 200 Дж

6. В двигателе внутреннего сгорания

1) внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию 2) поршень перемещается за счёт переданного ему количества теплоты 3) механическая энергия поршня превращается во внутреннюю энергию рабочего тела

4) механическая работа совершается за счёт энергии рабочего тела и переданного поршню количества теплоты

7. Двигатель внутреннего сгорания совершает полезную работу при

1) сжатии рабочего тела 2) выпуске отработанного газа из цилиндра 3) впуске рабочего тела в цилиндр

4) расширении рабочего тела в цилиндре

8. Рабочим телом в автомобильном двигателя внутреннего сгорания является

1) воздух 2) бензин 3) горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина

4) керосин

9. Тепловой двигатель получает за цикл работы от нагревателя количество теплоты 200 Дж и передаёт холодильнику количество теплоты 80 Дж. Чему равен КПД двигателя?

1) 29% 2) 40% 3) 43%

4) 60%

10. Двигатель получает от нагревателя количество теплоты 100 Дж и совершает полезную работу 200 Дж. Чему равен КПД такого двигателя?

1) 200% 2) 50% 3) 20%

4) такой двигатель невозможен

11. Установите соответствие между физическими величинами и их единицами в СИ. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА A) количество теплоты Б) удельная теплоёмкость

B) удельная теплота сгорания

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ 1) Дж/кг 2) Дж

3) Дж/кг °С

12. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями, анализируя следующую ситуацию: «При постоянном давлении газ некоторой массы быстро расширяется.

Как при этом изменяются температура газа, его концентрация и внутренняя энергия?» Цифры в ответе могу повторяться.

К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА A) температура газа Б) концентрация

B) внутренняя энергия

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ 1) не изменяется 2) увеличивается

3) уменьшается

13. Ударная часть молота массой 10 т свободно падает на стальную деталь массой 200 кг. С какой высоты падает ударная часть молота, если после 32 ударов деталь нагрелась на 20 °С? На нагревание расходуется 25% энергии молота.

2.10. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

Роль исследования закона сохранения энергии для тепловых процессов

Энергия(отгреч.–действие, деятельность) –общая ко­личественнаямера движения и взаимодействия всехвидов материи, Понятие«энергия» связывает воедино все явленияприроды.

Всоответствии с различными формамидвижения материи рас­сматриваюти разные формы энергии: тепловую,механическую, внут­реннюю,химическую, электромагнитную, ядернуюи др. Это деление визвестной степени условно.

Механическаяэнергия подразделяетсяв свою очередь на кинетическуюи потенциальную.

Внутренняяэнергия равнасумме кинетических энергий хаотическогодвижения молекул относительно центрамасс и потенциальныхэнергий взаимодействия молекул друг сдругом.

Химическаяэнергия складываетсяиз кинетической энергии движенияэлектронов и электрической энергиивзаимодействия электронов друг с другоми с атомными ядрами молекул химическивеществ.

Энергия химических связей для двухатомныхмолекул – этоэнергия, требуемая для удаления атомовна бесконечно большое расстояниедруг от друга. Для многоатомных молекул,радикалов ионоврассматривается также энергиядиссоциации.

Суммарнаяэнергияудаления всех атомов многоатомныхмолекул друг от друга на бесконечноерасстояние называется энергиейобразования молекулы иприблизительноравна сумме энергий химических связей.

Ватомной физике используется понятиеэнергииионизации. Онаравнаработе, затрачиваемой на удаление одноговнешнего электронаиз атома, или ионизационному потенциалу.

Вмикрофизике широко используется понятиеэнергиисвязи.

Энергиясвязи системы каких-либочастиц (например, атома как системы,состоящейиз ядра и электронов) равна работе,которую необходимо затратить,чтобы разделить данную систему насоставляющие ее частицыи удалить их друг от друга на такоерасстояние, при котором ихвзаимодействием можно пренебречь.Энергия связи определяется взаимодействиемчастиц и является отрицательнойвеличиной, так как при образованиисвязанной системы энергия выделяется.Абсолютнаявеличина энергии связи характеризуетпрочность связи и устойчивостьсистемы.

Энергиясвязи электронов ватоме или молекуле определяетсяэлектромагнитнымивзаимодействиями и для каждого электронапропорциональна ионизационномупотенциалу.

Энергиясвязи в атомных ядрах определяетсясильным взаимодействиемнуклонов и, согласно соотношениюЭйнштейна ΔЕ= Δтс2,пропорциональнадефекту масс атомных ядер Δm.

Энергиясвязи, обусловленная гравитационнымвзаимодействием, обычномала и имеет значение лишь для космическихобъектов.

2.10.2. Закон сохранения энергии для механических процессов

Однимиз наиболее фундаментальных законовприроды является законсохранения энергии, согласно которомуважнейшая физическаявеличина –энергия –сохраняется в изолированной системе.

Законсохранения энергии:в изолированной системе энергия можетпереходитьиз одной формы в другую, но ее количествооста­етсяпостоянным.

Еслисистема не изолирована, то ее энергияможет изменяться либопри одновременном изменении энергииокружающих тел на такуюже величину, либо за счет измененияэнергии взаимодействиятела с окружающими телами.

При переходесистемы из одного состоянияв другое изменение энергии не зависитот того, каким способом(в результате каких взаимодействий)происходит переход, т.е.энергия –однозначнаяфункция состояниясистемы.

Законсохранения энергии является строгимзаконом природы, справедливымдля всех известных взаимодействий.Согласно известной теории Э. Нётер, онсвязан с однородностью времени, т.е. стем фактом, что все моменты времениэквивалентны и физические законы неменяются со временем.

Законсохранения энергии для механическихпроцессов был установленГ. Лейбницем (1686) а для немеханических–в серединеXIXв. Ю.Р. Майером (1845), Дж. Джоулем и Г.Гельмгольцем (1847).

Втермодинамике закон сохранения энергииназывается первымначаломтермодинамики.

Открытиезакона сохранения и превращения энергиивначале былоитогом развития механики. Но затем,благодаря дальнейшим экспериментальнымисследованиям и теоретическомуосмыслива­ниюих результатов, становилось ясно, чтосодержание этого закона значительноглубже, что он –всеобщий закон природы.

Это позволилобыстрыми темпами развивать теориютепловых процессов, что привелок появлению термодинамики.

Особо важнуюроль закон сохраненияи превращения энергии сыграл в изученииэлектрическихи магнитных явлений, своеобразие испецифика которых не допускалиприменения других механических (посвоему происхождению) понятий.

Становлениеи утверждение закона сохранения энергииохватываетдлительный период –более полутораста лет. Как уже указыва­лось,первым был установлен закон сохраненияэнергии для меха­нического движения.

Первыйпериод был связан с длительной дискуссиейо так на­зываемых«мерах движения» и введением понятия«работа».

Впервой половине XVIIв. Р. Декарт ввел понятие меры движе­ния— количество движения, или импульс,которое в современных обозначенияхвыглядит следующим образом: Р= mv,где т–масса (вовремена Декарта понятия массы тещене было), v–скорость иv–векторные величины).

Понятиемколичества движения, равного mv,пользовалисьмно­гиеученые того времени, в том числе и И.Ньютон. Однако в 1686 г. появилась статьяГ. Лейбница «Краткое доказательствоошибки Декарта…

о количестве движения…», в которой онв качестве меры движенияпредлагал считать величину mv2,названнуюим «живой силой».

«Живая сила» при определенных условияхв механических дви­женияхбыла величиной постоянной.

ПоЛейбницу, основной закон природы состоитне в сохранении количества движения,но в том, что необходимо сохранитьодно и то же количество двигательнойдеятельности, которое означает совсемне то, что понимают сторонники Декартапод количеством движения.

Привведении меры движения в виде величиныmv2Лейбницрассуждалследующим образом. Известно, что дляподнятия тела весомв 1 фунт на высоту в 4 локтя требуютсятакие же усилия, как и дляподнятия веса тела в 4 фунта на 1 локоть.

Если же предоставить этимтелам возможность падать, то в моменткасания земли скорость первоготела будет в два раза больше скоростивторого ().Значит,они будут обладать разным количествомдвижения (mv—по Декарту).

Но если взять произведение массы тнаv2,то mv2будетвеличиной,одинаковой для обоих тел.

Этопроизведение mv2они выбрал в качестве меры движения. «Живаясила» (mv2),по мнению Лейбница, выражает то «количестводвигательной деятельности, котороесохраняется в природе».

Теперьмы знаем, что mv2естьудвоенная кинетическая энергиядвижущегосятела. Таким образом, Лейбниц, по сути,вначале сформулировалзакон сохранения кинетической энергии.

Кинетическая энергия,по современной терминологии, определяетсякак физическаявеличина, равная половине произведениямассы частицы на квадрат ее скорости: .Это уже знакомая «живая сила» Лейбница,только разделенная пополам.

Разделитьее на два предложил французский механик Г.Кориолис.

Основаниемпослужила теорема, доказанная занесколько лет до этогофранцузским математиком Л.Н.Карно.Согласно еготеореме, если тело движется под действиемпостоянной силы, то удвоенное произведениесилы (F)наперемещение (s)равноразности «живых сил» в конце и началеперемещения:

.

Тогдаэто было новым словом в практическоймеханике.

Произведениесилы на перемещение в формуле (2.1) Г.Кориолис вслед за другим французскиммехаником, Ж.В.Понселе,назвалработой.Еслиработу обозначить через Аизаписать как

A= Fs,

тоформулу следует переписать в виде:

.

Появившиесяв знаменателях этой формулы двойки далиоснование Г. Кориолису принять за мерудвижения половину лейбницевой«живой силы».

Теорему,выраженную формулой, принято называтьтеоремойо кинетической энергии. Всоответствии с ней работа сил, действующихна тело, равна изменению кинетическойэнергии этого тела:

А= EK2EK1=ΔEK.

Изтеоремы следует, что кинетическаяэнергия равна работе, которуюдолжна совершить сила, приложенная кпокоящемуся телу, чтобысообщить ему заданную скорость движения.

Следующийважный шаг в развитии понятия механическойэнергиибыл сделан Г. Гельмгольцем, чей вклад вобоснование закона сохранения энергиибудет более подробно рассмотрен ниже.

Изучая движение тел под действием сил,которые постоянны илизависят от расстояния, но не от времении скорости, он обратилвнимание на то, что левую часть уравненияв таком случае всегда можно представитьв виде разности значений некоторойвеличины, характеризующей взаимодействиерассматриваемых тел.

Посколькуновая величина имела такую же размерность,что и «живая сила», Г. Гельмгольц предложили ее назвать «силой», но не «живой»,а «напряженной».

Впоследствии «напряженнаясила» Гельмгольца была переименованав потенциальную энергию. Потенциальнаяэнергия–это энергия взаимодействия.

Онаопределяется работой, которуюдолжны совершить силы, чтобы переместитьтело из данного положения в нулевое:

ЕП1– 0.

Выборнулевого положения произволен. Поэтомупотенциальная энергияопределена неоднозначно: по отношениюк разным нулевымуровням потенциальная энергия одногои того же тела будет различной.

Например, потенциальная энергия тела,взаимодействующегос Землей, может быть найдена по формулеЕП= mgh,гдеh—высота центра тяжести тела, отсчитываемаяот нулевого уровня.

Принимая за нулевой уровень поверхностьЗемли, пола в комнатеили, наконец, стола, над которым находитсярассматриваемое тело, мы получим разныезначения hисоответственно разные значенияпотенциальной энергии.

Дляпотенциальной энергии справедливатеорема, аналогичная теоремео кинетической энергии. По теоремео потенциальной энергии,работаконсервативных сил при любом движениитела равна разностипотенциальных энергий в начальном иконечном состояниях:

А= ЕП1– ЕП2= –ЕП.

Рассматриваяконсервативные системы, т.е.

системы, вкоторых действуютлишь консервативные силы, Гельмгольцпришел к выводу, что одна и та же величинаможет быть выражена и через прира­щениекинетической энергии системы, и черезубыль ее потенци­альнойэнергии. Это означает, что увеличениекинетической энер­гиирассматриваемой системы всегдасопровождается соответст­вующимуменьшением ее потенциальной энергии,и наоборот:

.

Еслипереписать равенство в виде

,

тостанет ясно, что сумма кинетической ипотенциальной энергий рассматриваемойсистемы в процессе ее движения неменяется. На основанииэтого можно объединить обе величины водну — полнуюмеханическуюэнергию системы:

Е= ЕК П.

Изотношения следует, что Е=const.

Итак,при любых процессах, происходящих вконсервативной системе,ее полная механическая энергия остаетсянеизменной. Это утверждениеназывается закономсохранения механической энергии.

Посколькукинетическую энергию Г. Гельмгольцназывал «живойсилой», а потенциальную энергию –«напряженной», то первая формулировказакона сохранения энергии, даннаяГельмгольцем,такова:

Когдатела природы действуют друг на друга ссилами притяжения или отталкивания,не зависимыми от времени и скорости, тосумма живых сил и напряженныхсил остается постоянной.

Следующийэтап установления закона сохранения ипревращения энергиисвязан с изучением превращения различныхформ энергии другв друга.

Наначальном этапе изучения превращенияразличных форм движения друг в другаисключительную роль сыграл С.Карно,который впервые занялся изучениемвопроса превращения теплотыв работу паровых машин.

Поставиввначале достаточно скромную техническуюзадачу, как наиболееэкономно использовать топливо в паровыхмашинах, он решил не только эту проблему,но и получил целый ряд принципи­альноновых результатов, имеющих важноезначение для развития многих направленийестествознания.

Во-первых,С. Карно нашел наиболее оптимальныеусловия рабо­тытепловой машины (циклКарно), прикоторых можно добиться максимальногокоэффициента ее полезного действия.Теорема Карно омаксимальном коэффициенте полезногодействия тепловых машин сыграла вдальнейшем важную роль в установленииодного из фун­даментальныхзаконов природы — второго началатермодинамики.

Затем,продолжая свои исследования, он пришелк правильным взглядамна природу теплоты, как на совокупностьмеханического движенияатомов, из которых состоят физическиетела.

Онотмечал: Тепло–не что иное, как движущая сила или,вернее, как движение, из­менившеесвой вид,–это движение частиц тела,- повсюду, гдепроисходит уничтожениедвижущей силы, возникает одновременнотеплота в количест­ве,пропорциональном количеству исчезнувшейдвижущей силы.

Обратно: всегдапри исчезновении тепла возникаетдвижущая сила. Таким образом, можновысказать общее положение: движущаясясила существует в природе внеизменном количестве; она, собственноговоря, никогда не создается, никогдане уничтожается; в действительностиона меняет форму, т.е.

вызы­ваетто один род движения, то другой, ноникогда не исчезает.

Каквидно из приведенной цитаты, С. Карносформулировал за­консохранения и превращения «сил» (посовременной терминологии –энергии), закон сохранения и превращениятепловой и механической энергии. Ондаже впервые приблизительно определилмеханическийэквивалент теплоты.

Понекоторым представлениям, которые уменя сложились относитель­нотеории теплоты, –писал Карно, –создание единицы движущей силы(посовременнойтерминологии –единицы механической работы) требуетзатраты2,7 единицы тепла.

Припереводе в современные единицы этозначение механиче­скогоэквивалента равно примерно 370 кГм/ккал.

ПротивоположнуюС. Карно задачу, а именно: исследованиеоб­ратногопроцесса превращения работы в тепло врезультате трения, поставилсебе Б.Томпсон.Работая на пушечных заво­дах,он заметил, что при сверлении пушечныхстволов они очень сильнонагреваются.

Онпомещал пушечный металлический стволв воду и в резуль­тате сверлениядоводил температуру воды до кипения ииспарения. Подсчитав, сколько необходимоэнергии для испарения воды, он установилравенство между этой энергией имеханической работой при сверлениистволов пушек. Б. Томпсон также пришелк выводу, что теплота есть форма движения.

Вспоминаем физику: закон сохранения энергии

Роль исследования закона сохранения энергии для тепловых процессов

этого закона в наиболее краткой формулировке формулируется так : “Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.

Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.”

Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени.

Некоторые авторы не согласны с тем, что энергия является скалярной величиной. Ведь энергия — это физическая величина, характеризующая движение материи, а понятие движение очевидно связано с понятием направления.

Закон сохранения энергии в современной трактовке ничего не говорит о сохранении направления движения, так как энергия трактуется как скалярная величина.

Поскольку энергия является характеристикой движения, то закон сохранения энергии является частным случаем более общего закона сохранения движения, учитывающего не только сохранение количества энергии, но и сохранение направления движения.

Именно закон сохранения движения отражает не только вечное существование материи, но и вечное ее движение. Впрочем, наш сайт — не место для научных споров и мы ограничимся наиболее распространенным понятием энергии как скалярной величины.

Закон сохранения энергии говорит, что энергия не создается из ничего и не теряется бесследно. При всех происходящих в природе процессах один вид энергии превращается в другой.

Химическая энергия батареек фонарика превращается в электрическую, в лампочке электрическая энергия превращается в тепловую и световую — это простой пример «энергетической цепочки», показывающий как один вид энергии превращается в другой.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

Коэффициент полезного действия

На первый взгляд закон сохранения энергии как бы утверждает, что энергия при любых преобразованиях не должна теряться. Но все мы знакомы с понятием коэффициента полезного действия, то есть знаем, что превращение энергии одного вида в другой связано с потерями энергии.

Противоречия тут нет, поскольку речь идет о «полезном действии». Когда мы говорим о коэффициенте полезного действия мы всегда, явно или неявно, имеем в виду некоторый процесс преобразования энергии в работу, причем сравниваем при этом количество затраченной энергии с полученной работой.

Но коэффициент полезного действия ни одного реального (необратимого) процесса не может быть 100% при преобразовании энергии в работу (этот принцип известен как второй закон термодинамики).

Причина в том, что в ходе любого такого процесса имеют место неизбежные потери энергии, в основном на трение и нагревание участвующих в процессе тел. Трение — это в результате тоже нагревание, то есть часть затраченной энергии всегда переходит в теплоту.

Коэффициент полезного действия (КПД) выражают в процентах.

КПД механизма тем больше, чем большая часть потребляемой энергии превращается в необходимую энергию. Например, а среднем автомобиль преобразует лишь 15% химической энергии бензина в кинетическую энергию.

Вся остальная энергия превращается в тепло.

КПД флуоресцентных ламп выше КПД обычных электрических лампочек, поскольку во флуоресцентных лампах больше электричества превращается в свет и меньше уходит на производство тепла.

Но при описании таких устройств как тепловые насосы мы встречаемся с утверждениями, что их КПД превышает 100%. На первый взгляд может показаться, что тут есть какое-то противоречие с законом сохранения энергии. В действительности же тут просто некорректно используется понятие КПД.

Действительно, достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу. Холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса.

Но для характеристики эффективности теплового насоса нужно применять не КПД, а коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению энергии, отдаваемой потребителю теплоты к мощности, потребляемой компрессором.

Поскольку энергия, отдаваемая потребителю перекачивается от источника этой теплоты, значение коэффициэнта преобразования может быть и больше 100%.

Энтропия

Итак, мы видим, что при любом преобразовании энергии в работу количество «полезной» энергии уменьшается, то есть количество энергии для преобразования в работу или теплоту непрерывно уменьшается со временем, так как теплота спонтанно переходит из более теплой области к более холодной. Но первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить.

Следовательно, количество энергии во вселенной всегда такое же, как было и при ее создании. Другими словами, количество энергии во вселенной остается постоянным, но возможность использования ее для того, чтобы проделать полезную работу, уменьшается при каждой теплопередаче и выполнении работы. Это явление в науке принято характеризовать величиной, которая называется энтропией.

Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии. Энтропия используется для измерения уменьшения пригодности энергии в результате процесса.

Термин «энтропия» используется для описания количества хаотичности в любой системе. В термодинамике энтропия указывает расположение молекул вещества или организацию энергии системы. Системы или вещества с высоким значением энтропии более дезорганизованы, чем с низким.

Например, у молекул в твердых телах определенная кристаллическая структура, благодаря чему они лучше организованы, и у них ниже значение энтропии.

При сообщении телу теплоты и изменении его состояния на жидкое увеличивается уровень его энтропии, так как кинетическая энергия увеличивает колебания молекул, в результате чего их положение становится случайным.

Энтропия увеличивается, когда жидкость изменяет состояние на газообразное при потреблении большего количества тепловой энергии. Такая же аналогия существует при описании порядка источников энергии.

Если энергия заключена в ограниченном источнике, у нее низкое значение энтропии. Если она распределена среди большого количества молекул, ее интенсивность уменьшается, увеличивая энтропию.

Например, если 1,05 кДж энергии у 1000 молекул передать 1 миллиону молекул, интенсивность энергии уменьшится, а энтропия возрастет.

Энтропию трудно понять, так как это абстрактное понятие беспорядка энергии во вселенной. Этот беспорядок связан с уменьшением пригодности энергии для преобразования в работу.

Энергия всегда становится недоступной, если процессы уменьшают ее интенсивность, распространяя ее по вселенной. Если энергия распределена среди бесчисленных молекул вселенной, разница температур самых холодных и самых теплых участков уменьшается.

Если разница температур уменьшается, тепловая энергия, которую можно преобразовать в полезную работу, также уменьшается. Следовательно, любой процесс, который производит увеличение энтропии, уменьшает энергию для будущих процессов.

В конечном счете наступит момент, когда энтропия вселенной приблизится к максимальному значению, и преобразование теплоты в работу станет невозможным.

Абсолютная энтропия (S) вещества или процесса — это изменение доступной энергии при теплопередаче при данной температуре (Btu/R, Дж/К). Математически энтропия равняется теплопередаче, деленной на абсолютную температуру, при которой происходит процесс.

Следовательно, процессы передачи большого количества теплоты больше увеличивают энтропию. Также изменения энтропии увеличатся при передаче теплоты при низкой температуре.

Так как абсолютная энтропия касается пригодности всей энергии вселенной, температуру обычно измеряют в абсолютных единицах (R, К).

Удельную энтропию (S) измеряют относительно единицы массы вещества.

Температурные единицы, которые используются при вычислении разниц энтропии состояний, часто приводятся с температурными единицами в градусах по Фаренгейту или Цельсию.

Так как различия в градусах между шкалами Фаренгейта и Ренкина или Цельсия и Кельвина равные, решение в таких уравнениях будет правильным независимо от того, выражена энтропия в абсолютных или обычных единицах.

Все процессы преобразования энергии в конечном счете увеличивают энтропию вселенной. Вывод отсюда — полезная работа может производиться только до тех пор, пока не иссякли запасы доступной нам энергии.

Вечный двигатель

Люди веками мечтали (некоторые все еще мечтают) создать устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов.

Но согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал.

К выводу о невозможности создания вечного двигателя ученые пришли после того, как многочисленные попытки создать такой двигатель оказались безуспешными.

Проекты вечных двигателей разделяют на два типа по характеру совершаемой работы:

Вечный двигатель первого рода (физический \ механический, гидравлический, магнитный) — непрерывно действующая машина, которая, будучи запущенной один раз, совершает работу без получения энергии извне.

Это устройства механического характера, принцип действия которых основывается на использовании некоторых физических явлений, например, на действии силы тяжести, законе Архимеда, капиллярных явлениях в жидкостях.

Возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего.

Вечный двигатель второго рода (естественный) — тепловая машина, которая в результате совершения цикла полностью преобразует в работу тепло, получаемое от какого- либо одного «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.).

Классический вечный двигатель второго рода предусматривает возможность накопления тепла за счет работы, затраты которой меньше полученного тепла, и использования части этого тепла для повторного совершения работы в новом цикле. Таким образом, должен образоваться избыток работы.

Другой вариант этого двигателя подразумевает упорядочение хаотического теплового движения молекул, в результате чего возникает направленное движение вещества, сопровождаемое понижением его термодинамической температуры.

В результате бесконечных попыток создать вечный двигатель были сформулированы так называемые первое и второе начала термодинамики, которые являются следствиями закона сохранения энергии:

Первое начало термодинамики гласит: изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход, т. е. Q = ΔU + A. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Второе начало термодинамики утверждает: невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему.

Что также означает, что в замкнутой системе энтропия при любом реальном процессе либо возрастает, либо остается неизменной (т. е. ΔS ≥ 0). Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики.

Оно создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Несмотря на то, что наука давно и окончательно пришла к выводу о невозможности создания вечного двигателя, существует множество энтузиастов, которые продолжают разрабатывать различные проекты такого рода. Чтобы убедиться в этом, достаточно создать запрос на .com на тему «вечный двигатель».

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.