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.
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.
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.
Слайд 2
Цель урока:
Систематизация и обобщение ранее полученных знаний по данной теме. Задачи урока: 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.
Слайд 3
“Может собственным Платоном И быстрых разумом Невтонов Российская земля рожать” М.В. Ломоносов.
Слайд 4
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!
Слайд 5
Что называется внутренней энергией? Какими способами можно изменить внутреннюю энергию? С теплопередачей непосредственно связано такое понятие, как количество теплоты. Что же такое количество теплоты?
Слайд 6
Задание:
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.
Слайд 7
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.
Слайд 8
Блиц - опрос:
А что такое термодинамика? Сформулируем принципы, которые носят название законов термодинамики. Можно ли создать вечный двигатель? Ну, коль вечный невозможно создать, то, что такое реально существующие тепловые двигатели? Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель? Назовите основные виды тепловых двигателей.
Слайд 9
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.
Слайд 10
Проект №1 “Виды топлива”
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.
Слайд 11
2. Проанализируйте виды топлива,
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 количество 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.
Слайд 12
20 деревянных лучин, термометр, весы с разновесами.
Используйте их для составления задачи, в которой бы упоминалось сгорание. 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.
Слайд 13
Проект №2 “Отопление и обогрев”
1. Каким способом обычно, осуществляется обогрев жилых и промышленных помещений? Как можно исследовать конвекцию в помещении? Какие еще существуют способы теплопередачи?
Слайд 14
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 5м3 воды. Сколько мазута расходуется на разогрев и поддержание температуры такого котла, если потери составляют 15%? Считать, что разогрев происходит один раз.
Слайд 15
Проект №3 “Приготовление пищи”
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.
Слайд 16
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? Температура воды в роднике 9°С. Считать, что потерь тепла не существует.
Слайд 17
Проект № 4“Теплопередача и закон сохранения энергии”
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).
Слайд 18
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?
Слайд 19
Проект №5 “Энергия и теплота в живой природе”
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?
Слайд 20
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.
Слайд 21
Проект №6“Тепловые механизмы и двигатели”
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.
Слайд 22
2. Опишите самое простое строение паровой машины.
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.
Слайд 23
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.
Слайд 24
Расскажите о каком-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.
Слайд 25
Желаю успехов во всех ваших начинаниях. Удачи и спасибо всем за урок.
Голубева Е.С. Занимательное естествознание. Нескучный учебник. - СПб.: “Тритон”, 2007. Ковалева С.Я. Закон сохранения энергии в тепловых процессах // Еженедельная газета издательского дома “Первое сентября”, № 33, 1-7 сентября 2012. Ланина. И.Я. Сто игр по физике. - М.:, “Просвещение”, 2005. Перельман Я.И. Занимательная физика. - М.:, “Наука”, 2001. Увицкая Е.С. Использование биологического материала на уроках физики. // Еженедельная газета издательского дома “ Первое сентября”, № 31, 16-22 августа 2012.
Посмотреть все слайды
