Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Закон сохранения энергии и законы термодинамики

Тема: “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”

Тип: Урок закрепления знаний изученного материала

Вид: Урок по методу проектов

Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме;
- Дать представления о проектной деятельности и разработать элементарный проект по заданной проблеме;
- Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью;
- Развивать логическое мышление и умения обобщать;
- Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту;
- Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Оборудование: На столах приборы согласно проектам, компьютер.

Оформление: На доске портрет М.В. Ломоносова, плакат со словами:

“Может собственным Платоном
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рожать”

М.В. Ломоносов.

Ход урока:

Про теплоту начнем рассказ
Всё вспомним, обобщим сейчас
Энергия работа до кипения.
Чтоб лени наблюдалось испарение
Мозги не доведём мы до плавления,
Их тренируем до изнеможения.
В учении проявляем мы старание,
Идей научных видя обоняние!
Задачу мы любую одолеем,
И другу подсобить всегда сумеем.
Историю науки изучаем
И Ломоносова великим почитаем,
И проявляем мы себя в труде
Как двигатель с высоким КПД!
Но как же жизнь бывает непроста
С той дамой, что зовётся Теплота!

Учитель: Добрый день, дорогие друзья!

Тема нашего сегодняшнего урока “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”. Я надеюсь вы повторили эту тему. Сейчас мы вспомним законы и формулы, но не будем решать сложных задач, вне всякого сомнения, вы умеете делать это хорошо. Задача нашего урока другая. Сегодня вы попробуете себя в роли исследователей, попробуете выполнить несколько элементарных проектов-заданий, в которых решаются задачи, возникающие, кстати, достаточно в обычной жизни.

В процессе изучения различных физических явлений мы знакомились с самыми различными формами энергии. Поскольку сейчас мы закончили изучение темы “Тепловые явления” нас, прежде всего, интересует внутренняя энергия и способы её изменения. Прошу ответить на вопросы:

Учитель: Что называется внутренней энергией?

Учащийся: Внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия молекул.

Учитель: Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

Учащийся: Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: совершением над телом механической работы или теплопередачей.

Учитель: С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты?

Учащийся: Количество теплоты – это энергия, которую тело получает либо теряет при теплопередаче

Учитель: Давайте охарактеризуем изученные нами тепловые процессы, именно формулами. Сейчас вам будут розданы листы с заданиями в виде таблиц, которые вы должны заполнить. Время работы 3 минуты. После этого вы сделаете взаимопроверку и каждый оценит работу рядом сидящего. (Приложение №1 ). Звучит музыка.

Учитель: Знаете ли вы, что физик Вальтер Нернст увлекался разведением карпов? Однажды кто – то глубокомысленно заметил: “Странный выбор. Кур разводить и то интереснее”. Учёный невозмутимо ответил: “Я развожу таких животных, которые находятся в тепловом равновесии с окружающей средой. Разводить теплокровных – это значит обогревать на свои деньги мировое пространство”. Справедливо ли замечание ученого? На этот и другие вопросы нам ответят законы термодинамики.

Учитель: А что такое термодинамика?

Учащийся: Термодинамика - раздел физики, изучающий законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии.

Учитель: Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики.

Учащийся: Количество теплоты, полученное системой, расходуется на изменение её внутренней энергии и на работу, производимую системой против внешних сил.

Учащийся: Невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход энергии путем теплообмена от холодного тела к более горячему.

Учитель: Энергия, согласно закону сохранения не возникает из нечего, поэтому нельзя построить двигатель, который бы совершал работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю из вне.

Учащийся: Невозможно создать двигатель 1 рода.

Учитель: Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели?

Учащийся: Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую, называют тепловыми двигателями.

Учитель: Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель?

Учащийся: Нагреватель -> рабочее тело - > холодильник.

Учитель: Назовите основные виды тепловых двигателей.

Учащийся: Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель.

Учитель: Каков КПД тепловых двигателей?

Учащийся: Обычно не более 30-40%.

Учитель: Человек очень расточительно использует энергию топлива, которую дарит нам природа. Мы, как не благодарные дети, проматываем наследство, накапливавшееся по крохам в течении миллионов лет. Природа поступает более мудро. Как же она решает энергетическую проблему? На этот вопрос вы ответите в своих проектах.

Проект №1

“Виды топлива”

Задания и вопросы
1. Рассмотрите источники тепла, которые нас окружают.	Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели.
2. Проанализируйте виды топлива, которые используются в современной технике. Какие из них использовались в древности? Какие будут использоваться в будущем?	Проанализировав горение сухого горючего, свечи, растительного масла, горение эфира и пользуясь таблицей № 1 разделите виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное. Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количест- во тепла выделяет бурый челябинский уголь, 14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее: магний 24830 кДж алюминий 31000 кДж бериллий 66600 кДж. Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо - 42700 кДж. Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.
3. На столе у вас приборы. Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. Приборы: 20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.	На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

Проект №2

“Отопление и обогрев”

Задание и вопросы
1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? Как можно исследовать конвекцию в помещении? Какие еще существуют способы теплопередачи?	Учащиеся рассматривают конкретные примеры обогрева квартиры, дачи, дома, бани. Изображение конвективных потоков.
2. Докажите с помощью приборов, что нагрев жидкости, стоящей на огне происходит конвективным способом.	Колба с водой нагревается на спиртовке, на дне - кристаллы марганца, закрепленные кусочком пластилина.
3. Составьте задачу, в которой бы учитывался обогрев какого-то предмета известными вам способами теплопередачи.	1. В предыдущем опыте сгорело 10 грамм спирта. На нагрев затрачено 30% полученной теплоты. На сколько повысилась температура одного литра воды? 2. Температура воды в отопительном котле 90?С. Начальная температура воды 10?С. В котле помещается 5м 3 воды. Сколько мазута расходуется на разогрев и поддержание температуры такого котла, если потери составляют 15%? Считать, что разогрев происходит один раз.

Проект №3

“Приготовление пищи”

Задание и вопросы
1. Какие тепловые способы приготовления пищи вам известны? В каждом случае укажите источник тепловой энергии и способ передачи теплоты к продуктам.	В дыму, на огне, на пару, в печи, на костре.
2. Большая часть нашей пищи готовится в кипящей воде. Как заставить картофель свариться быстрее?	Чтобы ваш картофель сварился быстрее, надо перед варкой бросить в кастрюлю с картофелем и водой кусочек сливочного масла. Нагреваясь, оно растопится и покроет поверхность воды тонкой пленкой. Эта защитная пленка будет препятствовать процессу испарения воды. А процесс испарения всегда сопровождается уменьшением температуры жидкости и ее количества. Сталкиваемся с такой ситуацией: половина жидкости выкипела, а картофель еще не сварился, приходится доливать воду и варить дальше, а на это требуется лишнее время.
3. Предложите или найдите в литературе какое- либо усовершенствование приготовления пищи.	Конфорку электрической плитки можно сделать из нагревательных элементов в виде колец. В электрическую цепь будут включаться только те кольца, размер которых соответствует дну кастрюли.
4. Придумайте задачу, в которой упоминается процесс приготовления пищи.	Сколько березовых дров необходимо собрать для костра туристам, чтобы вскипятить ведро родниковой воды?

Проект № 4

“Теплопередача и закон сохранения энергии”

Задания и вопросы
1. Предложите опыты с простым школьным оборудованием для демонстрации разных видов теплопередачи и объясните их схематически.	Кипячение воды в бумажной коробочке, нагревание термометра на расстоянии от источника тепла (лампа, плитка, отклеивание кнопок от нагреваемого пламени стержня).
2. При изменении температуры тело может изменять свои механические свойства: длину, объем, плотность, упругость, хрупкость. Приведите примеры.	Опыты: нагревание монеты трением, металлической спицы в пламени (одним концом спица упирается в огонь или касается его), нагревание воздуха в колбе с жидкостью (движется столбик жидкости в трубке).
3. Как определить температуру предмета, нагретого в пламени, если у вас имеется еще калориметр с холодной водой, термометр, весы с разновесами, таблицы?	Учащиеся демонстрируют опыт, объясняют наблюдаемые явления, рисуют схему передачи тепла в опыте и оформляют ответ в виде задачи.

Проект №5

“Энергия и теплота в живой природе”

Задания и вопросы
1. Главный закон, которому подчиняются все тепловые процессы – закон сохранения энергии. Все живые организмы затрачивают в процессе жизнедеятельности много энергии (движение, питание, охота). Откуда они берут энергию?	Рассматриваются химические реакции внутри клетки. Вся серия этих реакций называется внутренним дыханием (тканевым, клеточным). Оно подразделяется на аэробное и анаэробное. Первое связано с распадом некоторых веществ при участии кислорода и происходит с большим выделением энергии, второе – с бескислородным превращением глюкозы. Дыхание живых существ иногда называют медленным горением. Рассказ можно построить с использованием таблиц 2-4.
2. Рассмотрите внимательно таблицы 3 и 4. К какой категории лиц вы отнесли бы школьников, учитывая их ежедневные энергозатраты?	Иногда учащиеся относят себя к работникам, деятельность которых связана со значительными физическими усилиями.
3. Учитывая средние энергозатраты школьника, предположите какие продукты помогут вам восстановить силы при “сгорании” пищи в организме.	Считая только массу одного какого - либо продукта, “сгорание” которого дает необходимую энергию. Теоретически учащиеся получают необычные результаты: 1.8 кг. овсяной каши в день, 2.6 кг. картофеля в день и так далее.
4. С помощью таблиц 4 и 5 составьте примерное меню для одного приема пищи для спортсмена – футболиста, считая, что за этот прием он должен получить 50% необходимой ему ежедневной нормы жизненной энергии.	Рассматривая футболиста-спортсмена как машину, которая всю получаемую энергию тут же расходует, учащиеся приходят к выводу, что ему необходимо до 3 кг. пищи на прием. Становится ясно, что механический подход к описанию процессов в живом организме недопустим.
5. Приведите примеры о влиянии тепловой энергии окружающей среды на процессы в живой природе.	Некоторые организмы, особенно в стадии покоя, способны существовать при очень низких температурах. Например, споры микроорганизма выдерживают охлаждение до - 200?С. А отдельные виды бактерий и водоросли могут жить и размножаться в горячих источниках при +80?С - +90?С. Различают организмы с непостоянной температурой: лягушки, рыбы, крокодилы, змеи, - и с постоянной температурой: волк, медведь. Температура тела зависит от температуры окружающей среды.
	В жаркое время года у растений усиливается испарение, животные избегают перегрева путем приспособления: скрываются в норах, под деревьями. Таким образом температура окружающей среды представляет собой важный и зачастую ограничивающий жизненные проявления фактор.

Проект №6

“Тепловые механизмы и двигатели”

Задания и вопросы
1. Приведите примеры механизмов, использующих при своей работе тепловую энергию. Укажите в каждом случае источник энергии, путь ее преобразования.	В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты, трактора и корабли, железнодорожные массивы и ракеты. работа тепловых машин связана с потреблением различных видов энергии. Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива, водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий энергию пара в механическую работу, а также охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.
2. Опишите самое простое строение паровой машины. Объясните принцип действия.	Самое простое строение паровой машины создал Герон Александрийский во II в. до н.э. Она состояла из подставки, на которой был водружен сосуд с ручками и наполненный водой. Устройство, которой помещалось в воду, напоминало колбу. С четырех сторон помещались трубки. Когда дрова горели, вода закипала и пар фонтаном бил из верхней трубки. Это была самая древняя паровая машина.
3. Покажите на опыте, используя оборудование школьной лаборатории, как можно совершить работу, за счет преобразования тепловой энергии.	В пробирке помещена вода, которая закипает, получая количество теплоты от сгорания спирта. И пар выбивает пробку из пробирки. Так совершается работа после превращения энергии.
4.Предложите задачу, в которой используется работа любого теплового устройства.
5. Расскажите о коком-либо приборе, устройстве, которое работает за счет тепловой энергии окружающей среды.	Не один из источников энергии, известных на сегодня не в состоянии в будущем полностью взять на себя удовлетворение растущих потребностей человека. Для этого необходимо больше внимания уделить альтернативным источникам или источникам, работающим на энергии окружающей среды. Уже существует, например, “солнечные батареи”, которые превращают солнечную энергию в электрический ток при помощи фотоэлементов. Много проектов создано для использования силы приливов, силы ветров, силы гейзеров. Существуют и проекты использования разности температур между поверхностными слоями воды тропических морей и температурой воды на больших глубинах.

Учитель: Пожалуйста, быстро ответьте на вопрос:

Насколько продуктивным был для вас урок?
- понравилось ли вам проективная деятельность?
- прозвучала ли на этом уроке для вас новая информация?

Подведение итогов:

Мы познакомились с тем, в чем состоит суть проектной деятельности, хотя и на достаточно простом уровне. Мне бы очень хотелось, чтобы каждый из Вас выполнил свой проект, а время урока ограничено. Мне хотелось показать, что знания, полученные в школе, не должны лежать мертвым грузом на задворках вашей памяти. Их можно и нужно использовать в повседневной жизни, в быту, да и в глобальных масштабах. Очень надеюсь, что наш урок для кого-то из вас станет отправной точкой для дальнейшей исследовательской и проектной работы.

Домашнее задание: предлагаю дома вам решить составленные задачи, и мы вернемся к ним уже на следующем уроке.

Желаю успехов во всех ваших начинаниях. Удачи и спасибо всем за урок.

БИБЛИОГРАФИЯ:

Голубева Е.С. Занимательное естествознание. Нескучный учебник. - СПб.: “Тритон”, 1997.
Ковалева С.Я. Закон сохранения энергии в тепловых процессах // Еженедельная газета издательского дома “Первое сентября”, № 33, 1-7 сентября 2002.
Ланина. И.Я. Сто игр по физике. - М.:, “Просвещение”, 1995.
Перельман Я.И. Занимательная физика. - М.:, “Наука”, 1991.
Увицкая Е.С. Использование биологического материала на уроках физики. // Еженедельная газета издательского дома “ Первое сентября”, № 31, 16-22 августа 2002.

Внутренней энергией называется сумма кинетических энергий всех частиц, из которых состоит тело, и потенциальных энергий взаимодействия этих частиц между собой. Сюда включается энергия взаимодействия электронов с ядрами и энергия взаимодействия составных частей ядра.

Внутренняя энергия зависит от его температуры. Температура характеризует среднюю кинетическую энергию частиц вещества. При изменении температуры меняется расстояние между частицами, следовательно, меняется и энергия взаимодействия между ними.

Внутренняя энергия меняется также при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое. Процессы, связанные с изменением температуры или агрегатного состояния вещества, называют тепловыми . Тепловые процессы сопровождаются изменением внутренней энергии тела.

Химические реакции, ядерные реакции также сопровождаются изменением внутренней энергии тела, т.к. меняется энергия взаимодействия частиц, участвующих в реакциях. Внутренняя энергия меняется при излучении или поглощении энергии атомами при переходе электронов с одной оболочки на другую.

Одним из способов изменения внутренней энергии является работа . Так при трении двух тел происходит повышение их температуры, т.е. возрастает их внутренняя энергия. Например, при обработке металлов – сверлении, обточке, фрезеровании.

При контакте двух тел с разными температурами происходит передача энергии от тела с высокой температурой к телу с низкой температурой. Процесс передачи энергии от одного тела к другому, имеющему более низкую температуру, называется теплопередача.

Таким образом, в природе существует два процесса, при которых меняется внутренняя энергия тела:

а) превращение механической энергии во внутреннюю и наоборот; при этом совершается работа;

б) теплопередача; при этом работа не совершается.

Если смешать горячую и холодную воду, то на опыте можно убедиться, что количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, полученное холодной водой, равны между собой. Опыт показывает, что если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается на столько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел. Таким образом, энергия переходит от одних тел к другим, но суммарная энергия всех тел остается неизменной. Это закон сохранения и превращения энергии .

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.

Пример, свинцовая пуля, летевшая с некоторой скоростью, ударяется о преграду и нагревается.

Или, льдинка, падая из снежной тучи, тает у земли.

Немного ранее мы уже рассматривали некоторые явления превращения энергии в механических процессах. Освежим наши знания. Подбрасывая в небо какой-либо предмет (камень или мяч), мы сообщаем ему энергию движения, или другими словами кинетическую энергию. Поднявшись до определенного уровня высоты, движение предмета замедляется, после чего происходит падение. В момент остановки, (когда движение предмета прекратилось в верхней точке) вся кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию.

Во время подобных превращений сумма кинетической и потенциальной энергии остается неизменяемой. Если принять, что потенциальная энергия возле поверхности Земли равняется нулю, сумма кинетической энергии, вместе с потенциальной энергией тела на абсолютно любой высоте во время подъема или падения будет равна: E = E k + E n

Делаем вывод: общая сумма потенциальной и кинетической энергии тела остается неизменной, если действуют только силы упругости и тяготения, а сила трения отсутствует. Это и есть закон сохранения механической энергии.

Когда мы проводили эксперимент с падением свинцового шара на плиту, мы наблюдали, как механическая энергия превращалась во внутреннюю энергию. Таким образом, такие виды энергии как механическая и внутренняя, могут переходить из одного тела в другое.

Подобный вывод относится ко всем тепловым процессам. Во время теплопередачи, к примеру, тело которое нагрето сильнее, отдает энергию, в то же время когда менее нагретое тело ее только получает.

Во время процесса переработки двигателем машины топлива, внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию движения. Когда энергия переходит из одного тела в другое, или когда один вид энергии превращается в другой, энергия всегда сохраняется.

Изучение явлений, которые относятся к превращениям одного вида энергии в абсолютно другой, привело к открытию одного из главных законов природы – закона сохранения и превращения энергии.

В любом природном явлении, энергия не может возникнуть или исчезнуть просто так. Она просто переходит из одного вида в другой, при этом ее значение всегда сохраняется.

Когда ученые исследовали различные природные явления, они всегда опирались на этот закон. Теперь, мы можем сделать важный вывод: энергия не может возникнуть у тела, если оно не получила ее от какого-нибудь другого тела. Приведем несколько примеров для лучшего уяснения материала.

Лучи Солнца содержат в себе определенный запас энергии. Касаясь поверхности Земли, они отдают ей тепло, нагревают ее. Таким образом, солнечная энергия преобразуется во внутреннюю энергию почвы и тел, которые находятся на поверхности земли. Воздух, который нагрелся от поверхности земли, приходит в движение – так рождается ветер. Начинается преобразование внутренней энергии, которой наделены воздушные массы, в механическую энергию.

Некоторая часть солнечной энергии поглощается листьями растений. Начинают происходить сложные химические реакции (фотосинтез) в результате которых образуются органические соединения, т.е. солнечная энергия превращается в химическую энергию.

Переход внутриатомной энергии в разные виды энергии часто используется на практике. Закон сохранения энергии является научной основой для различного рода расчетов в абсолютно всех областях науки и техники. Необходимо понимать, что внутреннюю энергию невозможно полностью преобразовать в механическую.

История насчитывает огромное число проектов «вечного двигателя». В некоторых случаях ошибки «изобретателя» были очевидны, в других эти ошибки были спрятаны за сложной конструкцией прибора. Неудачные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и сегодня. Все они обречены на неудачу, потому что закон сохранения и превращения энергии отрицает получение работы без затраты энергии.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Разделы: Физика

Тема: “Закон сохранения энергии в тепловых процессах”

Тип: Урок закрепления знаний изученного материала

Вид: Урок по методу проектов

— Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме;
— Дать представления о проектной деятельности и разработать элементарный проект по заданной проблеме;
— Заинтересовать учащихся исследовательской деятельностью;
— Развивать логическое мышление и умения обобщать;
— Научиться сопоставлять и изменять полученные знания на практике и в быту;
— Воспитывать чувство коллективизма, взаимопомощи, умение работать в группах.

Оборудование: На столах приборы согласно проектам, компьютер.

Оформление: На доске портрет М.В. Ломоносова, плакат со словами:

“Может собственным Платоном
И быстрых разумом Невтонов
Российская земля рожать”

Про теплоту начнем рассказ
Всё вспомним, обобщим сейчас
Энергия работа до кипения.
Чтоб лени наблюдалось испарение
Мозги не доведём мы до плавления,
Их тренируем до изнеможения.
В учении проявляем мы старание,
Идей научных видя обоняние!
Задачу мы любую одолеем,
И другу подсобить всегда сумеем.
Историю науки изучаем
И Ломоносова великим почитаем,
И проявляем мы себя в труде
Как двигатель с высоким КПД!
Но как же жизнь бывает непроста
С той дамой, что зовётся Теплота!

Учитель: Добрый день, дорогие друзья!

Учитель: Что называется внутренней энергией?

Учащийся: Внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия молекул.

Учитель: Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

Учащийся: Количество теплоты – это энергия, которую тело получает либо теряет при теплопередаче

Учитель: А что такое термодинамика?

Учащийся: Термодинамика — раздел физики, изучающий законы теплового равновесия и превращения теплоты в другие виды энергии.

Учитель: Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики.

Учащийся: Невозможно создать двигатель 1 рода.

Учитель: Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели?

Учащийся: Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую, называют тепловыми двигателями.

Учитель: Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель?

Учащийся: Нагреватель -> рабочее тело - > холодильник.

Учитель: Назовите основные виды тепловых двигателей.

Учащийся: Паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель.

Учитель: Каков КПД тепловых двигателей?

Учащийся: Обычно не более 30-40%.

Источниками тепла мы считаем газовую плитку, костёр, сгорание бензина, мазута, кокса в котельных. Горение – это экзотермическая реакция, которая идёт с выделением тепла. Гидроэлектростанции и тепловые станции тоже являются источниками тепла, так как дают до 70% всей электроэнергии, а это электроплитки, электрокамины и другие электро-обогреватели.

2. Проанализируйте виды топлива, которые используются в современной технике. Какие из них использовались в древности? Какие будут использоваться в будущем?

Проанализировав горение сухого горючего, свечи, растительного масла, горение эфира и пользуясь таблицей № 1 разделите виды топлива на 3 группы: твёрдое, жидкое, газообразное.
Оказывается, из множества видов твёрдого топлива, наибольшее количест- во тепла выделяет бурый челябинский уголь, 14300 кДж на 1 кг топлива, и металлическое ракетное горючее:

магний 24830 кДж
алюминий 31000 кДж
бериллий 66600 кДж.

Из жидких видов: керосин осветит 43100 кДж на 1 кг жидкого топлива и дизельное топливо — 42700 кДж.
Газообразное топливо отличается выделением большого количества энергии на 1 кг горючего топлива. Но самое большое количество энергии выделяется при сгорании водорода -119700 кДж.

3. На столе у вас приборы. Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. Приборы: 20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.

На сколько повысится температура воздуха в большой пещере объемом 10 м на 15 м на 5 м, если там сгорят 20 деревянных лучин, массой 800 г? Начальная температура воздуха около 14?С.

Механическая энергия сохраняется только при отсутствии трения и других сопротивлений. Действие сил трения ведет к уменьшению механической энергии. Действительно, после выключения двигателя автомобиль постепенно теряет кинетическую энергию и останавливается; скатившись с горы, санки постепенно теряют скорость и т. д. Нетрудно сообразить, что бесследное исчезновение энергии в такого рода случаях является лишь кажущимся: при этом всегда происходит выделение некоторого количества теплоты. Таким образом, при трении и вообще при любом сопротивлении движению происходит превращение механической энергии во внутреннюю энергию.

Как известно, мерой уменьшения механической энергии в подобного рода случаях является работа А, а мерой увеличения внутренней энергии - полученная теплота Q. Опыты Джоуля доказали, что А и Q при этом прямо пропорциональны друг другу, а если их измерять в одинаковых единицах (в джоулях), то и равны друг другу. Следовательно, уменьшение механической энергии тел при действии сил трения в точности равно увеличению внутренней энергии всех тел, участвующих в таком процессе.

Это означает, что сумма механической и внутренней энергий всех тел, составляющих замкнутую систему, есть величина постоянная. Иначе говоря, суммарное изменение механической и внутренней энергий всех тел замкнутой системы в любом процессе, найденное по выполненной работе и переданной теплоте, равно нулю .

Изучение явлений природы показало, что изменение энергии тела происходит только при выполнении работы и при теплообмене. Следовательно, работа и количество теплоты - единственно возможные формы обмена энергией между телами. Таким образом, переданное телу количество теплоты Q и выполненная этим телом работа А над другими телами однозначно определяют изменение его внутренней энергии в любом процессе .

Немецкий врач Р. Майер в 1842 г. обратил внимание на взаимную превращаемость всех форм движения материи друг в друга и пытался распространить принцип сохранения энергии на все явления природы. Однако научно обосновал этот принцип в 1847 г. немецкий ученый Г. Гельмгольн.

Сформулируем теперь закон сохранения и превращения энергии: энергия замкнутой системы никогда не исчезает и не создается из ничего. При всех явлениях внутри системы она только превращается из одного вида в другой или передается от одного тела к другому, не изменяясь количественно.

Закон сохранения энергии является всеобщим законом природы, на котором базируется все современное естествознание. С его помощью проверяются новые теории и оцениваются результаты новых экспериментов. Нарушение этого закона в каких-либо явлениях природы привело бы к полной перестройке всех естественных наук и к изменению нашего миропонимания.

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

На сегодняшнем уроке мы изучим закон сохранения энергии и вспомним о преобразованиях одних типов механической энергии в другие при движении тел, повторим такое понятие, как полная механическая энергия тела. Затем поговорим о процессах, в которых будут иметь место одновременно преобразования механической энергии и внутренней и их взаимные превращения. Также вспомним понятия «замкнутая система» и «теплоизолированная система». На протяжении урока мы неоднократно будем обращаться к истории исследования физических явлений и вспомним величайших ученных, которые внесли свой вклад в развитие представлений об изучаемом разделе физики.

Примеры взаимного превращения видов механической энергии

Ранее мы уже рассматривали возможность превращения одного вида механической энергии в другой, например, потенциальной в кинетическую или, наоборот, кинетической в потенциальную. Также мы приводили пример периодического превращения потенциальной и кинетической энергии друг в друга.

Пример 1. Переход потенциальной энергии в кинетическую

Этот пример мы уже рассматривали в курсе 7 класса и в начале изучения этого раздела. Если представить себе тело, закрепленное на некоторой высоте, то оно имеет некую потенциальную энергию относительно уровня поверхности. Потом, если это тело отпустить, то оно начнет падать, т. е. его высота будет уменьшаться, и ускоряться, т. е. увеличивать свою скорость. Следовательно, его потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая – увеличиваться (рис. 1), энергии будут превращаться друг в друга. В момент перед самым соприкосновением с землей вся потенциальная энергия тела переходит в кинетическую.

Рис. 1. Превращение потенциальной энергии в кинетическую

Пример 2. Периодические превращения типов механической энергии (маятники) . Рассмотрим по очереди три вида маятников: математический, пружинный, маятник Максвелла.

1. Маятник Максвелла – представляет собой диск, закрепленный на оси, на которую наматываются две нити (рис. 2).

Принцип работы этого маятника следующий: сначала нити наматываются на ось, тем самым поднимая маятник вверх и сообщая ему дополнительную потенциальную энергию, затем диск маятника отпускают и он начинает, раскручиваясь, двигаться вниз, нить разматывается до конца, затем наматывается снова по инерции и т. д.

Таким образом, можно наблюдать следующие преобразования механической энергии: начальное накопление потенциальной энергии – превращение ее в кинетическую энергию – превращение в потенциальную и т. д. (рис. 3).

Рис. 3. Переход потенциальной энергии маятника в кинетическую и наоборот

2. Математический маятник (груз на нити) – материальная точка, совершающая колебания под действием силы тяжести на длинной нерастяжимой нити (рис. 4).

Рис. 4. Математический маятник

Для начала колебательного процесса в этом маятнике нужно отвести тело, подвешенное на нити, от положения равновесия (придаем ему потенциальную энергию) и отпустить. После этого будут наблюдаться горизонтальные колебания в вертикальной плоскости и мы можем видеть похожие на предыдущий пример превращения энергии: подъем – переход кинетической энергии в потенциальную, опускание – переход потенциальной в кинетическую и т. д.

3. Пружинный маятник – груз, совершающий колебания на пружине под действием силы упругости (рис. 5).

Рис. 5. Пружинный маятник

Если подвесить груз к пружине и оттянуть ее вниз (придать пружине потенциальную энергию), а затем отпустить, то будут наблюдаться более сложные превращения энергии: потенциальная энергия пружины будет переходить в кинетическую и потенциальную энергию груза и наоборот.

Закон сохранения механической энергии

Все приведенные примеры экспериментов говорят о том, что мы уже знаем: полная механическая энергия тела (сумма кинетической и потенциальной) не меняется или, как говорят по-другому, сохраняется. Это мы называем законом сохранения механической энергии:

Замечание. Важно помнить, что этот закон выполнен только для замкнутой системы тел.

Определение. Замкнутая система тел – это та система, в которой не действуют внешние силы.

Примеры перехода механической энергии во внутреннюю и наоборот

Пример 3. Теперь перейдем к основной части нашей сегодняшней темы и вспомним, каким образом механическая энергия может переходить во внутреннюю . Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом, например, при сгибании и разгибании проволоки она будет нагреваться, при нескольких ударах молотка о наковальню нагреется и молоток, и наковальня.

Пример 4. Возможен и обратный процесс, когда внутренняя энергия будет переходить в механическую . Например, подобные процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания (рис. 6). Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии сгорания топлива в механическую энергию движения поршней, которая затем через передаточные механизмы преобразуется в энергию вращения колес автомобиля.

Рис. 6. Двигатель внутреннего сгорания

Аналогичный принцип превращения внутренней энергии в механическую происходит и в паровых двигателях (рис. 7).

Рис. 7. Паровой двигатель на паровой машине (Источник)

История изучения преобразования механической и тепловой энергии

Вопросами преобразований механической и внутренней энергий очень активно занимались в XIX веке. Основные исследования были проведены следующими учеными.

Немецкий ученый Юлиус Майер (рис. 8) показал в своих экспериментах, что возможны взаимные превращения внутренней и механической энергий и что изменения внутренней энергии в таких процессах эквивалентно совершенной работе.

Рис. 8. Юлиус Майер (1814-1878) (Источник)

Отдельный интерес составляет работа английского ученого Джеймса Джоуля (рис. 9), который с помощью ряда экспериментов получил доказательство того, что между совершенной над телом работой и его изменением внутренней энергии существует точное равенство.

Рис. 9. Джеймс Джоуль (1819-1889) (Источник)

Особый интерес представляет тот факт, что 1843 году французский инженер Густав Гирн (рис. 10) с помощью серии своих экспериментов попытался развенчать то, что доказывали Майер и Джоуль, но результаты его экспериментов только еще раз доказали соответствие в превращениях механической энергии во внутреннюю.

Рис. 10. Густав Гирн (Источник)

Закон сохранения энергии

Для возможности корректного описания процессов теплообмена важно, чтобы система, в которой они происходят, была теплоизолированной и внешние теплообменные процессы не влияли на тела, находящиеся в рассматриваемой системе (рис. 11).

Рис. 11. Замкнутая система

В таком случае выполнен закон сохранения энергии : если система является замкнутой и теплоизолированной, то энергия в этой системе остается неизменной.

Замечание . Данный закон еще очень часто именуют основным законом природы.

Сегодня мы поговорили о взаимных превращениях различных типов механической энергии друг в друга: механической в тепловую, тепловой в механическую. Кроме того, мы рассмотрели важнейший закон физики – закон сохранения энергии.

На следующем уроке мы изучим уравнение теплового баланса.

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Интернет-портал «sch119comp2.narod.ru» (Источник)
Интернет-портал «youtube.com» (Источник)

§ 26. Закон сохранения энергии в механических и тепловых процессах

Внутренняя энергия тела может быть изменена либо путем теплопередачи, либо путем совершения работы. Очевидно, что если изменение внутренней энергии тела происходит одновременно с теплопередачей и совершением внешней силой механической работы над телом, то, согласно закону сохранения и превращения энергии, который гласит, что при всех происходящих в природе явлениях энергия не исчезает и не возникает, а передается от одних материальных объектов к другим или превращается из одной формы в другую, оставаясь постоянной по величине. Приращение внутренней энергии тела равно сумме совершенной над ним работы и количества переданной теплоты.

Так, если путем совершения работы А сжать газ, находящийся в цилиндре, который помещен в горячую воду (рис. 28), то увеличение внутренней энергии ΔU газа будет равно сумме совершенной работы А и количества теплоты Q, полученного им от горячей воды: ΔU = A + Q. Увеличение внутренней энергии газа вызывает повышение его температуры, что фиксируется электрическим термометром.

Рис. 28. Увеличение внутренней энергии газа в результате совершения работы и теплообмен

Следовательно, увеличение внутренней энергии тела при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над телом и количества переданной ему теплоты. В этом заключается закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Если системе сообщается количество теплоты и при этом система совершает работу, то увеличение ее внутренней энергии ΔU равно разности между количеством теплоты Q, сообщенной системе, и работой А, совершенной системой:

Опыты и наблюдения показали, что механическая энергия тел может полностью превратиться во внутреннюю в процессе совершения работы. Иначе обстоит дело с внутренней энергией, например сжатого газа, пара: только часть ее может быть превращена в механическую. Причина этого хаотическое движение молекул газа, пара. Если бы даже все молекулы двигались в одном направлении и передали всю свою кинетическую энергию поршню, то осталась бы не превращенной в механическую энергию потенциальная энергия взаимодействия.

Задача 7. При штамповке заготовки из алюминия молот массой 700 кг свободно падает с высоты 1 м. При этом заготовка массой 2 кг нагревается до 1°С. Какой процент потенциальной энергии поднятого молота идет па нагревание, а какой — на штамповку?

На штамповку идет 0,74 энергии молота.

Задача 8. В оболочке стратостата гелий массой 9,6 кг получил от солнечного нагрева 250 кдж количества теплоты и нагрелся на 5° С. Определить работу газа при изобарическом расширении и увеличении его внутренней энергии.

Работа изобарического расширения газа А = 250 кдж — 150 кдж = 100 кдж.

Закон сохранение энергии тепловых процессов

На этом сайте представлены учебные презентации по физике, а также советские познавательные диафильмы и учебные диафильмы для школьников по физике.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах — диафильм по физике

Диафильм по физике для старшеклассников: внутренняя энергия, молекулярно-кинетические процессы и внутренняя энергия, переход механической энергии во внутреннюю энергию, переход внутренней энергии в механическую, внутренняя энергия идеального одноатомного газа, зависимость внутренней энергии реального газа от макроскопических параметров, работа в термодинамике и механике, изменение внутренней энергии при совершении работы, работа сжатого газа, теплообмен, количество теплоты, первый закон термодинамики, закон сохранения энергии в природе, работа системы над внешними силами, применение первого закона динамики к различным процессам, второй закон термодинамики.

Год выпуска: 1985г.

Внимание! Включен автопоказ. Для остановки и ручного переключения кадров наведите курсор на «стрелку».

Транспортный налог на машину 2018 года Транспортного налога в 2018 года - отменяется. Почему отменили транспортный налог в 2018 году для легковых автомобилей: Транспортный налог был уже настолько привычным множеству граждан, что трудно представить его отмену. Путин подписал закон, который рассудил всех. Теперь все абсолютно […]

НОТАРИУС ПО НАСЛЕДСТВУ Оформление наследства в Москве и Московской, Калужской, Рязанской, Владимирской области Услуги нотариуса по наследству Оформление наследства у нотариуса после смерти начинается с подачи заявления о вступление в права […]

Выплаты при рождении ребенка в Самарской области - что имеем? Региональные выплаты при рождении ребенка в семье - неплохое подспорье в наше нелегкое время. Нельзя сказать, что они оказывают сильную поддержку, но без них было бы намного сложнее, особенно на начальном этапе. В этой статье […]

Образец заявления на работу в школу Неплохой шаблон документа послужит, чтобы сохранить время для тщательной обработки бумаги. Важные документы имеют критичные поля для данных. Чтобы заполнить их правильно требуется рассмотреть принцип. Проще всего сделать это прочитав шаблон, […]

Военная коллегия Петроченков Анатолий Яковлевич Председатель Генерал-лейтенант юстиции Заместитель Председателя Верховного Суда Российской Федерации - Председатель Военной коллегии Верховного Суда РФ. Заслуженный юрист Российской Федерации. Высший квалификационный класс. Награжден […]

Мир Достоевского Жизнь и творчество Достоевского. Анализ произведений. Характеристика героев Меню сайта Комната Сони Мармеладовой в романе "Преступление и наказание": описание в цитатах (квартира, жилище) Соня Мармеладова является главной героиней романа "Преступление и наказание" […]

Закон сохранения энергии был открыт нашим великим соотечественникомМихаилом Васильевичем Ломоносовым (1711 - 1765). Его формулировка такова: энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Этот закон универсален, он не допускает исключений или отклонений.

Термодинамика – это раздел физики, изучающий тепловые процессы. Она начала бурно развиваться в ХУШ веке, когда появились первые паровые двигатели, и практические цели потребовали теоретического обоснования изобретаемых машин, существенно облегчивших физический труд человека. Изобретателями парового двигателя стали англичанин Джеймс Уатт (1736-1819) и русские крепостные отец и сын Ефим и Мирон Черепановы. Изобретение Черепановых в России не вызвало никакого резонанса (первая железная дорога появилась у нас лишь через 100 лет), а вот Великобритания в течение десятка лет после открытия Дж. Уатта покрылась сетью железных дорог, по которым побежали поезда на паровой тяге. Испокон веков не ценило наше Отечество один из главных своих ресурсов - интеллект своих сынов!

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии в применении к тепловым процессам и формулируется так: теплота не возникает из ничего (это одна из многочисленных формулировок первого закона, самая простая). После открытия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук перестали принимать проекты «вечных» двигателей, т.е. таких, которые работали бы без притока энергии извне. Как и закон сохранения энергии, первый закон термодинамики является универсальным и не допускает исключений.

Прежде, чем перейти ко второму закону термодинамики, следует рассмотреть понятие температуры. Абсолютная температура – это физическая величина, характеризующая изолированную макросистему в состоянии равновесия. Макросистема - это система, функционирующая в Макромире, понятие о котором было дано ранее. Изолированная макросистема - это та, которая не обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Примером изолированной макросистемы является термос. Если взять два одинаковых термоса, поместить в один кусок льда, а в другой налить только что закипевшую воду, то через определенное время, зависящее от качества термосов, в обоих окажется вода комнатной температуры. Этот мысленный опыт говорит о том, что изолированные системы являются идеальными, в природе они отсутствуют. Однако для теоретического описания тепловых процессов, т.е. для построения классической термодинамики изолированные системы оказались весьма удобными. Состояние равновесия – это то состояние, при котором все части макросистемы характеризуются одинаковыми параметрами, например, температурой и давлением. В равновесное состояние изолированная макросистема приходит через достаточно большой промежуток времени. Абсолютная температура обозначается заглавной латинской буквой Т и имеет только положительные значения. Именно эта температура входит во все термодинамические формулы. Единицей измерения абсолютной температуры является кельвин (К), названный именем английского ученогоУильяма Томсона (1856-1940) (он же лорд Кельвин). В повседневной жизни используется более удобная температурная шкала Цельсия. Нулю градусов по Цельсию соответствует 273К. Весьма важно, что один К равен одному градусу Цельсия. Температура в шкале Цельсия обозначается малой латинской буквой t (C).

Второй закон термодинамики звучит так: маловероятен самопроизвольный переход теплоты от холодного тела к горячему. Законы термодинамики сформулировал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822 – 1888). На основании второго закона термодинамики он предложил гипотезу тепловой смерти Вселенной : со временем все виды энергии перейдут в тепловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности температур.

Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский физик Людиг Больцман (1844 – 1906), который доказал, что в отличие от первого, второй закон термодинамики не универсален, а носит статистический характер . Статистические законы, в отличие от универсальных, выполняются не всегда, а в большинстве случаев и допускают случайные отклонения, называемые флуктуациями. Флуктуации – явления чрезвычайно редкие, например, в одном случае из тысячи теплота может перейти от холодного тела к горячему, это не запрещено законом природы, а всего лишь очень маловероятное событие. В биологии примером флуктуации являются мутации – структурные изменения генов, обуславливающие биологическое видообразование и эволюцию. Статистические законы описываются с помощью специального раздела математики – теории веростностей.

Клаузиус также ввел очень важное для термодинамики понятие энтропии (S) - фунции состояния термодинамической системы, равной отношению количества теплоты, сообщенного системе, Q, к абсолютной температуре Т. Введение этой величиныпозволило определять направление протекания тепловых процессов.Согласно второму закону термодинамики, в изолированной системе энтропия всегда должна возрастать , поскольку система стремится к равновесию. С точки зрения статистической термодинамики энтропия – это мера неупорядоченности системы. Отсюда следует, что любая изолированная система самопроизвольно стремится к беспорядку. Еще древние греки ввели понятия порядка (Космоса) и и беспорядка (Хаоса).

Вывод из второго закона термодинамики можно перефразировать так: любая изолированная система стремится к хаосу.