Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Мы уже рассматривали явления превращения энергии, когда говорили о внутренней энергии тела. 

• Механическая энергия тела определяется его кинетической и потенциальной энергиями. 
• Внутренняя энергия определяется кинетической энергией всех его молекул, из которых состоит тело, и потенциальной энергией их взаимодействия.

В данном уроке мы более подробно рассмотрим известные нам виды энергии. Вы увидите, как энергия сохраняется в механических и тепловых процессах, переходит от одного тела к другому. 

Закон сохранения механической энергии

Когда мы подбрасываем вверх мяч, мы сообщаем ему энергию движения — кинетическую энергию. Мяч поднимается до какой-то высоты, останавливается и начинает падать (рисунок 1).

1. В точке начала движения кинетическая энергия достигает своего максимума, а потенциальная энергия равна нулю
2. Во время движения мяча вверх кинетическая энергия постепенно превращается в потенциальную. Кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная — увеличивается
3. В точке максимального подъема вся кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную
4. Во время движения мяча вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия постепенно превращается в кинетическую. 

При всех вышеописанных превращениях полная механическая энергия не изменяется.

Полная механическая энергия тела — это сумма его потенциальной и кинетической энергий:
$E = E_к + E_п$

Закон сохранения механической энергии:
полная механическая энергия тела остается постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения;
$E = const$.

{"questions":[{"content":"Закон сохранения механической энергии говорит о постоянстве[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["суммы кинетической и потенциальной энергий тела","суммы механической и внутренней энергий тела","суммы кинетической энергии всех молекул тела и потенциальной энергии их взаимодействия"],"explanations":["","","Это определение внутренней энергии тела."],"answer":[0]}}}]}

Превращения механической и внутренней энергий

Проведем простой эксперимент. Возьмем резиновый шарик, поднимем его на определенную высоту над столом и отпустим.

Он отскакивает от стола, но с каждым разом поднимается на меньшую высоту. Это происходит до тех пор, пока он не остановится. Мы не можем сказать, что его полная механическая энергия оставалась постоянной.

Почему? На шарик действовали силы трения. При этом часть его механической энергии каждый раз переходила во внутреннюю энергию, пока не не перешла полностью.

Но далеко не все тела будут отскакивать от поверхности. Когда мы говорили с вами о внутренней энергии тела, был рассмотрен показательный опыт с падением свинцового шарика на свинцовую доску. Его механическая энергия при падении полностью перешла во внутреннюю энергию.

Таких примеров можно привести множество. Но даже сейчас мы уже можем сделать вывод:

механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.

{"questions":[{"content":"Механическая энергия может перейти[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["во внутреннюю энергию тела","во внутреннюю энергию другого тела","в механическую энергию другого тела","механическая энергия не может переходить от одного тела к другому"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Это легко пронаблюдать на тепловых процессах. Например, при теплопроводности энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

В технике часто можно наблюдать превращение внутренней энергии в механическую. Например, внутренняя энергия топлива при его сгорании в двигателе машины превращается в механическую энергию движения.

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.

{"questions":[{"content":"Энергия сохраняется при[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["превращении одного вида энергии в другой","переходе от одного тела к другому","энергия не сохраняется"],"answer":[0,1]}}}]}

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

Во всех явлениях, которые происходят в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

Отметим, что полностью внутреннюю энергию нельзя превратить в механическую.

Примеры сохранения и превращения энергии

Энергия не берется из ниоткуда. У тела не может появиться какая-то энергия, если оно не получило ее от другого тела.

Солнце — огромный источник энергии для Земли. Солнечные лучи нагревают ее поверхность — их энергия превращается во внутреннюю энергию почв. Воздух, нагреваясь от земной поверхности приходит в движение и появляется ветер. Так внутренняя энергия воздушных масс переходит в механическую энергию.

Солнечные лучи поглощаются листьями растений. Это способствует течению сложных химических реакций (рисунок 2). Здесь энергия солнечных лучей переходит в химическую энергию.

В наше время активно используется солнечная энергия для использования в быту и технике. В местностях, где большое количество солнечных дней в году, излучение Солнца используют для нагревания воды, получения водяного пара. Солнечные батареи — пример преобразования энергии солнечных лучей в электроэнергию.

Другой источник энергии на Земле — атомная энергия. Атомные электростанции (АЭС) позволяют превратить эту энергию в электрическую для дальнейшего использования человеком.

Больше примеров вы можете увидеть в уроке на решение задач по данной теме.

{"questions":[{"content":"Закон сохранения механической энергии:<br />[[input-1]] механическая энергия тела остается постоянной, если действуют только силы [[input-4]] и [[input-11]] и отсутствуют силы [[input-22]].","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":"полная"},"input-4":{"type":"input","inline":1,"answer":"упругости"},"input-11":{"type":"input","inline":1,"answer":"тяготения"},"input-22":{"type":"input","inline":1,"answer":"трения"}}},{"content":"Выберите правильное определение полной механической энергии[[choice-49]]","widgets":{"choice-49":{"type":"choice","options":["$E = E_к + E_п$","$E = mgh$","$E = \\frac{kx^2}{2}$","$E = \\frac{m\\upsilon^2}{2}$"],"answer":[0]}}},{"content":"Закон сохранения и превращения энергии:<br />энергия [[input-113]] из одного вида в другой, при этом ее значение [[input-136]].","widgets":{"input-113":{"type":"input","inline":1,"answer":"превращается"},"input-136":{"type":"input","inline":1,"answer":"сохраняется"}}},{"content":"Солнечные лучи передают около 8 Дж энергии каждую минуту участку земной поверхности в $1 \\space см^2$. Какое количество теплоты получает участок земной поверхности площадью $1 \\space м^2$  в минуту? <br />[[input-176]] кДж.","widgets":{"input-176":{"type":"input","inline":1,"answer":"80"}},"step":1,"hints":["Вычислите сколько $см^2$ находится в одном $м^2$.","$1 \\space м^2 = 10 000 \\space см^2$.","Умножьте 10 000 на  8 Дж.","Переведите полученную величину в кДж."]},{"content":"Стальной шарик падает с высоты $1.5 \\space м$ на каменную плиту. Отскакивает и поднимается на высоту $1.2 \\space м$. Масса шарика $50 \\space г$. Какое количество механической энергии превратилось во внутреннюю энергию шарика и плиты?<br />[[input-331]] Дж.","widgets":{"input-331":{"type":"input","inline":1,"answer":"0,147"}},"step":1,"hints":["Необходимо рассчитать механическую энергию шарика до падения и отскока от плиты и после.","Механическая энергия шарика в обеих случаях будет определяться его потенциальной энергией в наивысшей точке подъема (кинетическая энергия  в этом положении будет равна нулю).","Переведите массу шарика в СИ.","Используйте формулу $E = E_п = mgh$.","Найдите разность двух полученных механических энергий. Эта величина и будет механической энергией, которая перешла во внутреннюю."]}],"mix":1}