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).
Рис. 2. Маятник Максвелла
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.
