Параграф 14 Физика 8 класс Пёрышкин | Конспект

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Понятие закона сохранения энергии

Закон сохранения энергии гласит, что в замкнутой системе полная энергия не может появляться или исчезать, а только переходит из одной формы в другую. Механическая энергия системы тел может преобразовываться из кинетической в потенциальную и наоборот, но сумма всех энергий остается постоянной. Например, при качании маятника кинетическая энергия превращается в потенциальную и наоборот, но их сумма не меняется. В реальной жизни всегда существуют процессы трения и сопротивления, в которых часть механической энергии преобразуется во внутреннюю, что приводит к ее рассеянию в виде тепла. Поэтому важно учитывать все виды энергии при анализе физических процессов.

Полная энергия системы тел

Полная энергия системы тел включает механическую (кинетическую и потенциальную) энергию и внутреннюю энергию вещества. Формула полной энергии записывается как:
E=Eмех+UE,
где Eмех ​ — механическая энергия системы, а U — внутренняя энергия. Эта формула помогает учитывать все виды энергии при расчетах. Внутренняя энергия включает тепловое движение частиц и их взаимодействия, а механическая энергия — движение и положение тел относительно друг друга. В системе тел без внешнего взаимодействия полная энергия остается неизменной. Если же на систему воздействуют внешние силы, то происходит изменение энергии системы за счет работы и тепла.

Изменение полной энергии системы

Изменение полной энергии системы тел определяется суммой работы внешних сил A и количества теплоты Q, переданного системе: ΔE=A+Q.
Если система изолирована и нет внешних воздействий, то работа A=0 и теплота Q=0, тогда полная энергия не меняется. Это уравнение показывает, что при передаче теплоты или выполнении работы внутренняя энергия системы изменяется. Например, если газ сжимают, совершая работу и передавая теплоту, то его внутренняя энергия увеличивается. Изменение полной энергии системы можно наблюдать в процессах сжатия и расширения газов, при нагревании или охлаждении твердых тел. Эта зависимость используется для расчета энергетического состояния системы в разных процессах.

Закон сохранения механической энергии

В системах без трения и внешних воздействий механическая энергия сохраняется. Если учесть трение или сопротивление, часть механической энергии превращается в теплоту и передается окружающей среде. Поэтому в реальной жизни механическая энергия не остается постоянной. Закон сохранения механической энергии гласит, что сумма кинетической и потенциальной энергии остается неизменной, если на систему не действуют внешние силы. Это правило справедливо для многих физических систем, таких как движения планет, колебания маятников или пружин. Важно понимать, что механическая энергия может переходить в другие виды энергии, но не исчезает бесследно.

История открытия закона сохранения энергии

Закон сохранения энергии был открыт в XIX веке в результате исследований таких ученых, как Роберт Майер и Герман Гельмгольц. Майер установил, что работа и теплота взаимосвязаны и могут превращаться друг в друга. Гельмгольц дополнил эти выводы, разработав математическое обоснование закона. Эти открытия показали, что энергия сохраняется во всех процессах и является фундаментальной характеристикой природы. Закон стал основой для развития термодинамики и кинетической теории. Впоследствии было доказано, что он применим не только к механическим, но и к тепловым процессам, что сделало его универсальным принципом в физике.

Применение закона в реальных системах

В реальных системах энергия часто теряется на преодоление трения и сопротивления, что приводит к ее рассеянию. Поэтому в практике используются не идеальные, а приближенные расчеты с учетом потерь. Например, в двигателях внутреннего сгорания часть энергии теряется в виде тепла, и КПД таких двигателей меньше 100%. В энергетике и технике стремятся минимизировать эти потери, чтобы сделать системы более эффективными. Закон сохранения энергии позволяет предсказывать поведение сложных систем, таких как электростанции или тепловые установки. Это делает его важным инструментом для инженеров и исследователей.