«силы» и энергия: майкл фарадей против джеймса джоуля

Закон изменения энергии

Примеры использования механической энергии дома и в повседневной жизни

Это происходит, когда на объект действует сила, и объект использует переданную энергию в качестве движения. Если объект движется, он использует механическую энергию. Повседневные примеры механической энергии приведены ниже.

Механическая энергия — один из единственных видов энергии, который легко увидеть.

1. Поворот дверной ручки.
2. Вдох и выдох.
3. Забивание гвоздя.
4. Езда на велосипеде.
5. Заточка карандаша.
6. Использование кухонной техники.
7. Прослушивание музыки.
8. Набор текста на клавиатуре.
9. Вождение автомобиля.

Когда мы двигаем что-то рукой, то передаем кинетическую механическую энергию от одного объекта к другому объекту, который мы перемещаем.

Виды механической энергии

Существует два вида механической энергии: потенциальная энергия (накопленная энергия положения) и кинетическая энергия (энергия движения).

Потенциальная механическая энергия

Когда объект способен двигаться, но на него не действует сила, он накапливает потенциальную механическую энергию. Двумя основными типами потенциальной энергии являются:

1. Гравитационная потенциальная энергия: энергия, которая накапливается в высоте или положении объекта. Более тяжелые объекты обладают большим количеством гравитационной энергии.
2. Упругая потенциальная энергия: энергия, которая накапливается в силу состояния объекта. Это условие часто зависит от материала объекта (например, резины).Например, тяжелый шар для боулинга, удерживаемый на высоте четырех футов над землей, обладает большей гравитационной потенциальной энергией, чем более легкий теннисный мяч, который обладает некоторой упругой потенциальной энергией из-за своего резинового материала.

Когда сила воздействует на шары, чтобы отбросить их, гравитационная потенциальная энергия шара для боулинга объединяется с его кинетической энергией движения. Он упадет с большей силой, чем теннисный мяч, который отскочит из-за своей высокой потенциальной энергии упругости.

Кинетическая механическая энергия

Объект использует кинетическую механическую энергию, когда он в данный момент движется. На объект воздействовала сила, заставляя его выполнять работу. Кинетическая механическая энергия может возникать, когда кинетическая энергия другого объекта передается ему (например, когда человек бросает мяч) или когда другой тип кинетической энергии преобразуется в механическую энергию.

В дополнение к механической энергии, существует четыре вида кинетической энергии:

1. Лучистая энергия: энергия, производимая световыми волнами.
2. Электрическая энергия, производимая электричеством.
3. Звуковая энергия, производимая звуковыми волнами.
4. Тепловая энергия, получаемая за счет тепла.

Никакая форма энергии не может быть создана или уничтожена. Энергия может быть передана или преобразована только в различные виды энергии.

Преобразования механической энергии

Любая переданная энергия, которая заставляет объект выполнять работу, является примером преобразования энергии. Преобразования в механическую энергию позволяют объекту двигаться.

Вот несколько примеров того, как различные виды энергии превращаются в механическую энергию:

1. Бензин преобразует химическую энергию в механическую в автомобилях.
2. Паровые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую в поезде.
3. Организм преобразует химическую энергию из питательных веществ в механическую для движения.
4. Электрическая дрель преобразует электрическую энергию в механическую при подключении и использовании.
5. Музыка преобразует звуковую энергию в механическую в вашей барабанной перепонке.

И наоборот, механическая энергия может преобразовываться в различные виды энергии.

1. Ветряные мельницы преобразуют механическую энергию в электрическую в домах.
2. Удар по барабану преобразует механическую энергию в звуковую.
3. Потирание рук друг о друга преобразует механическую энергию в тепловую.
4. Включение выключателя света преобразует механическую энергию в электрическую и лучистую энергию.
5. Переваривание пищи преобразует механическую энергию в химическую.

Литература

• Э. Шмутцер, Н. В Мицкевич Симметрии и законы сохранения в физике — books.google.ru/books?id=E8TJOQAACAAJ. — М.: Мир, 1974. — 160 с.
• Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс Глава 4. Сохранение энергии // Фейнмановские лекции по физике. Современная наука о природе. Законы механики, том 1. — books.google.ru/books?id=lUU8QwAACAAJ. — М.: Мир, 1965. — С. 71—84. — 271 с.
• Alan P. Lightman Great ideas in physics: the conservation of energy, the second law of thermodynamics, the theory of relativity, and quantum mechanics — books.google.ru/books?id=pJeC5NyJgu8C. — 3rd Ed. — McGraw-Hill Professional, 2000. — 300 с. — ISBN 0071357386

Закон сохранения и превращения энергии

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

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

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

Отметим, что полностью внутреннюю энергию нельзя превратить в механическую.

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим ), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

Кинетическая энергия

Еще разок: кинетическая энергия — это энергия действия. Величина, которая очевиднее всего характеризует действие — это скорость. Соответственно, в формуле кинетической энергии точно должна присутствовать скорость.

Кинетическая энергия Ек — кинетическая энергия m — масса тела v — скорость [м/с]

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия. И наоборот — чем медленнее, тем меньше кинетическая энергия.

Задачка раз

Определить кинетическую энергию собаченьки массой 10 кг, если она бежала за мячом с постоянной скоростью 2 м/с.

Решение:

Формула кинетической энергии

Подставляем значения

Дж

Ответ: кинетическая энергия пёсы равна 20 Дж.

Задачка два

Найти скорость бегущего по опушке гнома, если его масса равна 20 кг, а его кинетическая энергия — 40 Дж

Решение:

Формула кинетической энергии

Выразим скорость:

Подставляем значения

Ответ: гном бежал со скоростью 2 м/с.

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Потенциальная энергия

В отличие от кинетической энергии, потенциальная чаще всего тем меньше, чем скорость больше. Потенциальная энергия — это энергия ожидания действия.

Например, потенциальная энергия у сжатой пружины будет очень велика, потому что такая конструкция может привести к действию, а следовательно — к увеличению кинетической энергии. То же самое происходит, если тело поднять на высоту. Чем выше мы поднимаем тело, тем больше его потенциальная энергия.

Потенциальная энергия деформированной пружины Еп — потенциальная энергия k — жесткость [Н/м] x — удлинение пружины

Потенциальная энергия в поле тяжести Еп = mgh Еп — потенциальная энергия m — масса тела g — ускорение свободного падения [м/с2] h — высота На планете Земля g ≃ 9,8 м/с2

Задачка раз

Найти потенциальную энергию рака массой 0,1 кг, который свистит на горе высотой 2500 метров. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с2.

Решение:

Формула потенциальной энергии Е_п = mgh

Подставляем значения

E_п = 0,1 · 9,8 · 2500 = 2450 Дж

Ответ: потенциальная энергия рака, свистящего на горе, равна 2450 Дж.

Задачка два

Найти высоту горки, с которой собирается скатиться лыжник массой 65 кг, если его потенциальная энергия равна 637 кДж. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с2.

Решение:

Формула потенциальной энергии Е_п = mgh

Выразим высоту:

Переведем 637 кДж в Джоули.

637 кДж = 637000 Дж

Подставляем значения

м

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Задачка три

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E₁ и E₂. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Решение:

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

По условию задачи

m₁ = m

h₁ = 2h

m₂ = 2m

h₂ = h

Таким образом, получим, что

E₁ = mg2h = 2mgh,

а E₂ = 2mgh,

то есть E₁ = E₂.

Ответ: E₁ = E₂.

Преобразование энергии[править]

Энергия одного вида может превращаться в энергию другого вида, например, химическая энергия может превращаться в тепловую, а тепловая энергия в механическую и тому подобное.

В молекуле химического соединения атомы связаны между собой химическими связями. Для того, чтобы разорвать химическую связь нужно затратить определенную энергию, значение которой определяется типом связи. В одних молекулах энергия связи больше, в других меньше. Так, энергия связи в молекуле углекислого газа СО₂ больше, чем суммарная энергия атома углерода в угле и атомов кислорода в молекуле кислорода O₂. Поэтому возможна химическая реакция горения, в результате которой образуется углекислый газ, а остатки химической энергии передаются поступательному, тепловому движению молекул, то есть превращаются в тепло. Выделенное в результате горения тепло можно использовать, например, для нагрева пара в паровой турбине, которая, вращаясь, создает электродвижущую силу в генераторе, производя электроэнергию. Электроэнергия может, в свою очередь использоваться для выполнения механической работы, например, подъема лифта, или же для освещения, где электрическая энергия превращается в энергию электромагнитных волн — света.

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.

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.

Это интересно: вечный двигатель

Ах, если бы!

Если бы в этом мире была возможность создать систему, внутри которой действуют исключительно консервативные силы, то у человечества бы существовал вечный двигатель. Вообще, вечный двигатель — это воображаемое устройство, что единожды запущенное, не прекращает совершать полезную работу. Он, соответственно, умеет в полном объеме сохранять изначально переданную ему энергию и не расходует ее на работу против диссипативных сил. Потому что они там попросту не возникают.

Закон сохранения энергии в его идеальном воплощении… Однако для этого нужно соблюсти три нереальных условия:

• Никаких шероховатостей, даже микроскопических! Сила трения между деталями приводит к потере энергии. Значит, нужны идеально гладкие поверхности.
• Долой воздух! Сила трения также возникает при взаимодействии молекул воздуха с поверхностью деталей. Хоть и работа против воздуха крайне мала, энергия, как бы оно ни было, убывает.
• Полная тишина! Устройство не должно воспроизводить вообще никаких звуков, ибо звук — одна из форм передачи энергии. Но новости тут хорошие: проблема эта решается вакуумом, так как в нем звук не распространяется.

Жаль, что идеального вакуума, ровно как идеально гладких поверхностей, не существует. От диссипативных сил не спрятаться и не скрыться. Они есть причина, почему вечный двигатель в условиях физики Земли невозможен.

Теоретическое представление вечного двигателя.

Джеймс Джоуль.

24 декабря 1818 года родился Джеймс Джоуль. Биография будущего физика начинается в английском городке Солфорде, в семье успешного владельца пивоварни. Обучение мальчика происходило в домашних условиях, некоторое время физику и химию ему преподавал Джон Дальтон. Благодаря ему английский физик и полюбил науку. Джоуль не обладал крепким здоровьем, много времени он просиживал дома, проводя физические опыты и эксперименты. Уже в 15 лет, из-за болезни отца, ему пришлось управлять пивоварней вместе с братом. Работа на отцовском заводе не давала возможности поступить в университет, поэтому Джеймс Джоуль всецело отдавался домашней лаборатории. С 1838 по 1847 год физик активно изучает электричество и делает свои первые научные успехи. В журнале Annals of Electricity он публикует статью об электричестве, а в 1841 открывает новый физический закон, который сейчас носит его имя.

Английский ученый Джемс Джоуль ничего не зная о работах Майера, решил поставить ряд опытов чтобы доказать что при различных процессах, при которых совершается работа и выделяется теплота, для получения единицы количества теплоты надо затратить одно и то же количество работы. Уже в 1841 году он опубликовал выводы из своих опытов по исследованию превращения работы электрического тока в теплоту.

Принцип сохранения энергии, лежащий в основе работы Джоуля, положил начало новой научной дисциплине, известной как термодинамика. Несмотря на то, что Джоуль не был первым учёным, который предложил этот принцип, он был первым, кто продемонстрировал обоснованность этого принципа.

считается главным основателем термодинамики. Он показал, что «работа может превращаться в теплоту с четким соотношением работы к теплоте, и что теплоту можно обратно преобразовать в работу».

Закон сохранения в замкнутой системе

Однако подождите. Интересен прежде пункт про замкнутость системы.

Хм. В наших абстрактных примерах и размышлениях мы все время представляли, что тело возвращается в точку старта. Но вот если бы в реальности энергия никуда не «выливалась» из системы, баскетбольный мяч бы бесконечно прыгал туда-сюда. А он явно прыгает не до бесконечности, постепенно уменьшая размах прыжка. Начал с $1~м$, отскочил и вернулся на отметку чуть пониже метра, через круг — еще чуть ниже. И так до полной остановки.

Выходит, что полная механическая энергия постоянной быть не может — она понемногу убывает. И причина кроется в том, что не всякая сила, возникающая внутри системы, говоря условно, благотворно влияет на движение. Взять, к примеру, силу тяжести. Или силу упругости. Они «помогают» телу двигаться. Даже если их вектор направлен против вектора движения, обязательно приходит момент, когда кинетическая энергия полностью переходит в потенциальную. Тогда эти силы «возвращают» то, что взяли, в том же объеме.

Закон сохранения энергии: консервативные силы и диссипативные силы

Такие силы называются консервативными. К сожалению, мы пока не готовы дать им строгое определение, поэтому выразимся понятными нам терминами:

Разумеется, природа синоним гармонии, и консервативные силы — это не финиш. Всегда есть антитеза. Между телами непременно возникает сила трения, на работу против которой всегда приходится тратить какое-то количество энергии.

Такие силы называются диссипативными:

Уменьшение размаха прыжка мяча происходит из-за того, что его окружает воздух, и молекулы воздуха так или иначе постоянно «трутся» о поверхность мяча, что замедляет его движение. Силы упругости, при столкновении с поверхностью, заставляют молекулы внутри мяча двигаться. Температура тела растет. А нагрев в том числе расходует механическую энергию.

{"questions":[{"content":"Соотнесите термины с их определениями.`matcher-1`","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Cилы, работа против которых <b>не изменяет</b> количество полной механической энергии тела","Cилы, работа против которых <b>изменяет</b> количество полной механической энергии тела"],"items":}}}]}

Формул закона сохранения механической энергии

Любой объект, расположенный на высоте, обладает потенциальной энергией. Во время движения при уменьшении высоты данная энергия утрачивается, но не исчезает, а трансформируется в кинетическую энергию этого тела. Если представить груз, закрепленный на какой-то высоте, то в этой точке потенциальная энергия тела будет иметь максимальную величину. При падении груз будет совершать движение с определенной скоростью. Таким образом объект приобретает кинетическую энергию при одновременном уменьшении потенциальной энергии. В точке падения груз будет обладать максимальной кинетической энергией и нулевой потенциальной.

Примеры преобразования потенциальной энергии в кинетическую:

• мяч, сброшенный с высоты, приобретает кинетическую энергию и утрачивает потенциальную;
• во время нахождения санок на вершине горы их кинетическая энергия равна нулю, а при движении ее величина увеличивается, вместе с тем потенциальная энергия уменьшается, но суммарная энергия остается постоянной;
• яблоко, которое висит на дереве, обладает потенциальной энергией, трансформирующейся в кинетическую при его падении.

Данные примеры служат наглядным подтверждением закона сохранения энергии. Согласно справедливому утверждению, полная энергия механической системы — постоянная величина. Она не меняется при перемещении объекта, в то время как потенциальная энергия переходит в кинетическую и наоборот. При увеличении кинетической энергии на определенное значение на такую же величину будет уменьшена потенциальная энергия. Замкнутую систему физических тел можно описать следующей формулой:

\(E_{k1} + E_{п1} = E_{k2} + E_{п2}\)

где \(E_{k1}\), \(E_{п1}\) — значения кинетической и потенциальной энергии до какого-либо взаимодействия, а \(E_{k2}\) , \(E_{п2}\) — соответствующие энергии после взаимодействия.

Явление преобразования кинетической энергии в потенциальную и наоборот можно наблюдать на примере раскачивающегося маятника.

Достигая крайнего правого положения, маятник прекращает движение. В этой точке его высота над поверхностью отсчета будет иметь максимальное значение, как и его потенциальная энергия. Кинетическая энергия тела при этом равна нулю при отсутствии движения. Во время движения маятника вниз его скорость начинает прирастать. В нижней точке кинетическая энергия маятника достигнет максимального значения. Преодолев нижнюю отметку, объект начинает движение вверх в левую сторону. При этом можно наблюдать увеличение потенциальной энергии и уменьшение кинетической.

Исаак Ньютон, демонстрирую трансформацию энергий тела, изобрел механическую систему, которая носит название колыбели Ньютона или шаров Ньютона.

В данной системе при отпускании первого шара энергия и импульс, которыми он обладает, передаются последнему шару, проходя через три промежуточных шарообразных объекта. Данные тела сохраняют неподвижное положение. Последний шар при этом будет отклонен от исходной отметки с такой же скоростью и на такую же высоту, что и первое тело. После завершения движения последнего шара он передаст энергию и импульс с помощью промежуточных шаров первому объекту. Объяснить процесс можно следующим образом:

1. Шар, который отклонили в сторону и зафиксировали, характеризуется максимальной потенциальной энергией.
2. В начальной точке кинетическая энергия этого тела будет равна нулю.
3. Во время движения потенциальная энергия утрачивается, преобразуясь в кинетическую энергию.
4. В моменте столкновения первого шара со вторым его кинетическая энергия будет максимальной, а потенциальная — равна нулю.
5. Через промежуточные шары кинетическая энергия передается к пятому шару.
6. Получая объем кинетической энергии, последнее тело приводится в движение и начинает подъем вверх на высоту, соответствующую высоте, на которой находился первый шар в начальной точке движения.
7. Кинетическая энергия в верхней отметке полностью переходит в потенциальную.
8. При дальнейшем падении происходит передача энергии шарам в обратной последовательности.

Описанный опыт может продолжаться бесконечно при отсутствии неконсервативных сил, которые воздействуют на систему в реальных условиях. Под действием диссипативных сил шары будут утрачивать энергию. Скорость и амплитуда тел будут снижаться. В конце можно наблюдать полную остановку движения объектов. Данный процесс подтверждает справедливость утверждения о том, что закон сохранения энергии работает в условиях отсутствия неконсервативных сил.