+7(499)-938-42-58 Москва
+7(800)-333-37-98 Горячая линия

Закон сохранения энергии для частиц

Вспоминаем физику: закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии для частиц

этого закона в наиболее краткой формулировке формулируется так : “Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.

Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.”

Зако́н сохране́ния эне́ргии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени.

Некоторые авторы не согласны с тем, что энергия является скалярной величиной. Ведь энергия — это физическая величина, характеризующая движение материи, а понятие движение очевидно связано с понятием направления.

Закон сохранения энергии в современной трактовке ничего не говорит о сохранении направления движения, так как энергия трактуется как скалярная величина.

Поскольку энергия является характеристикой движения, то закон сохранения энергии является частным случаем более общего закона сохранения движения, учитывающего не только сохранение количества энергии, но и сохранение направления движения.

Именно закон сохранения движения отражает не только вечное существование материи, но и вечное ее движение. Впрочем, наш сайт — не место для научных споров и мы ограничимся наиболее распространенным понятием энергии как скалярной величины.

Закон сохранения энергии говорит, что энергия не создается из ничего и не теряется бесследно. При всех происходящих в природе процессах один вид энергии превращается в другой.

Химическая энергия батареек фонарика превращается в электрическую, в лампочке электрическая энергия превращается в тепловую и световую — это простой пример «энергетической цепочки», показывающий как один вид энергии превращается в другой.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии.

Коэффициент полезного действия

На первый взгляд закон сохранения энергии как бы утверждает, что энергия при любых преобразованиях не должна теряться. Но все мы знакомы с понятием коэффициента полезного действия, то есть знаем, что превращение энергии одного вида в другой связано с потерями энергии.

Противоречия тут нет, поскольку речь идет о «полезном действии». Когда мы говорим о коэффициенте полезного действия мы всегда, явно или неявно, имеем в виду некоторый процесс преобразования энергии в работу, причем сравниваем при этом количество затраченной энергии с полученной работой.

Но коэффициент полезного действия ни одного реального (необратимого) процесса не может быть 100% при преобразовании энергии в работу (этот принцип известен как второй закон термодинамики).

Причина в том, что в ходе любого такого процесса имеют место неизбежные потери энергии, в основном на трение и нагревание участвующих в процессе тел. Трение — это в результате тоже нагревание, то есть часть затраченной энергии всегда переходит в теплоту.

Коэффициент полезного действия (КПД) выражают в процентах.

КПД механизма тем больше, чем большая часть потребляемой энергии превращается в необходимую энергию. Например, а среднем автомобиль преобразует лишь 15% химической энергии бензина в кинетическую энергию.

Вся остальная энергия превращается в тепло.

КПД флуоресцентных ламп выше КПД обычных электрических лампочек, поскольку во флуоресцентных лампах больше электричества превращается в свет и меньше уходит на производство тепла.

Но при описании таких устройств как тепловые насосы мы встречаемся с утверждениями, что их КПД превышает 100%. На первый взгляд может показаться, что тут есть какое-то противоречие с законом сохранения энергии. В действительности же тут просто некорректно используется понятие КПД.

Действительно, достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу. Холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса.

Но для характеристики эффективности теплового насоса нужно применять не КПД, а коэффициент преобразования или отопительный коэффициент СОР (coefficient of performance), равный отношению энергии, отдаваемой потребителю теплоты к мощности, потребляемой компрессором.

Поскольку энергия, отдаваемая потребителю перекачивается от источника этой теплоты, значение коэффициэнта преобразования может быть и больше 100%.

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.

Энтропия — это сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии. Энтропия используется для измерения уменьшения пригодности энергии в результате процесса.

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.

Вечный двигатель

Люди веками мечтали (некоторые все еще мечтают) создать устройство, способное бесконечно совершать работу без затрат топлива или других энергетических ресурсов.

Но согласно закону сохранения энергии, все попытки создать такой двигатель обречены на провал.

К выводу о невозможности создания вечного двигателя ученые пришли после того, как многочисленные попытки создать такой двигатель оказались безуспешными.

Проекты вечных двигателей разделяют на два типа по характеру совершаемой работы:

Вечный двигатель первого рода (физический \ механический, гидравлический, магнитный) — непрерывно действующая машина, которая, будучи запущенной один раз, совершает работу без получения энергии извне.

Это устройства механического характера, принцип действия которых основывается на использовании некоторых физических явлений, например, на действии силы тяжести, законе Архимеда, капиллярных явлениях в жидкостях.

Возможность работы такой машины неограниченное время означала бы получение энергии из ничего.

Вечный двигатель второго рода (естественный) — тепловая машина, которая в результате совершения цикла полностью преобразует в работу тепло, получаемое от какого- либо одного «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.).

Классический вечный двигатель второго рода предусматривает возможность накопления тепла за счет работы, затраты которой меньше полученного тепла, и использования части этого тепла для повторного совершения работы в новом цикле. Таким образом, должен образоваться избыток работы.

Другой вариант этого двигателя подразумевает упорядочение хаотического теплового движения молекул, в результате чего возникает направленное движение вещества, сопровождаемое понижением его термодинамической температуры.

В результате бесконечных попыток создать вечный двигатель были сформулированы так называемые первое и второе начала термодинамики, которые являются следствиями закона сохранения энергии:

Первое начало термодинамики гласит: изменение внутренней энергии термодинамической системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданного системе, и не зависит от способа, которым осуществляется этот переход, т. е. Q = ΔU + A. Первое начало термодинамики часто формулируют как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника.

Второе начало термодинамики утверждает: невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему.

Что также означает, что в замкнутой системе энтропия при любом реальном процессе либо возрастает, либо остается неизменной (т. е. ΔS ≥ 0). Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики.

Оно создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Несмотря на то, что наука давно и окончательно пришла к выводу о невозможности создания вечного двигателя, существует множество энтузиастов, которые продолжают разрабатывать различные проекты такого рода. Чтобы убедиться в этом, достаточно создать запрос на .com на тему «вечный двигатель».

Закон сохранения энергии

Закон сохранения энергии для частиц
Подробности Категория: Механика 20.08.2014 21:02 45532

Закон сохранения энергии утверждает, что энергия тела никогда не исчезает и не появляется вновь, она может лишь превращаться из одного вида в другой. Этот закон универсален. В различных разделах физики он имеет свою формулировку. Классическая механика рассматривает закон сохранения механической энергии.

Полная механическая энергия замкнутой системы физических тел, между которыми действуют консервативные силы, является величиной постоянной. Так формулируется закон сохранения энергии в механике Ньютона.

Замкнутой, или изолированной, принято считать физическую систему, на которую не действуют внешние силы.

В ней не происходит обмена энергией с окружающим пространством, и собственная энергия, которой она обладает, остаётся неизменной, то есть сохраняется.

В такой системе действуют только внутренние силы, и тела взаимодействуют друг с другом. В ней могут происходить лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

Простейший пример замкнутой системы – снайперская винтовка и пуля.

Виды механических сил

 

Силы, которые действуют внутри механической системы, принято разделять на консервативные и неконсервативные.

Консервативными считаются силы, работа которых не зависит от траектории движения тела, к которому они приложены, а определяется только начальным и конечным положением этого тела. Консервативные силы называют также потенциальными. Работа таких сил по замкнутому контуру равна нулю. Примеры консервативных сил – сила тяжести, сила упругости.

Все остальные силы называются неконсервативными. К ним относятся сила трения и сила сопротивления. Их называют также диссипативными силами.

Эти силы при любых движениях в замкнутой механической системе совершают отрицательную работу, и при их действии полная механическая энергия системы убывает (диссипирует). Она переходит в другие, не механические виды энергии, например, в теплоту.

Поэтому закон сохранения энергии в замкнутой механической системе может выполняться, только если неконсервативные силы в ней отсутствуют.

Полная энергия механической системы состоит из кинетической и потенциальной энергии и является их суммой. Эти виды энергий могут превращаться друг в друга.

Потенциальная энергия

Потенциальную энергию называют энергией взаимодействия физических тел или их частей между собой. Она определяется их взаимным расположением, то есть, расстоянием между ними, и равна работе, которую нужно совершить, чтобы переместить тело из точки отсчёта в другую точку в поле действия консервативных сил.

Потенциальную энергию имеет любое неподвижное физическое тело, поднятое на какую-то высоту, так как на него действует сила тяжести, являющаяся консервативной силой. Такой энергией обладает вода на краю водопада, санки на вершине горы.

Откуда же эта энергия появилась? Пока физическое тело поднимали на высоту, совершили работу и затратили энергию. Вот эта энергия и запаслась в поднятом теле. И теперь эта энергия готова для совершения работы.

Величина потенциальной энергии тела определяется высотой, на которой находится тело относительно какого-то начального уровня. За точку отсчёту мы можем принять любую выбранную нами точку.

Если рассматривать положение тела относительно Земли, то потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю. А на высоте h она вычисляется по формуле:

Еп = h,

где m – масса тела

ɡ – ускорение свободного падения

h – высота центра масс тела относительно Земли

ɡ = 9,8 м/с2

При падении тела c высоты h1 до высоты h2 сила тяжести совершает работу. Эта работа равна изменению потенциальной энергии и имеет отрицательное значение, так как величина потенциальной энергии при падении тела уменьшается.

A = – (Eп2 – Eп1) = – ∆ Eп ,

где Eп1 – потенциальная энергия тела на высоте h1 ,

Eп2 – потенциальная энергия тела на высоте h2.

Если же тело поднимают на какую-то высоту, то совершают работу против сил тяжести. В этом случае она имеет положительное значение. А величина потенциальной энергии тела увеличивается.

Потенциальной энергией обладает и упруго деформированное тело (сжатая или растянутая пружина). Её величина зависит от жёсткости пружины и от того, на какую длину её сжали или растянули, и определяется по формуле:

Еп = k·(∆x)2/2,

где k – коэффициент жёсткости,

∆x – удлинение или сжатие тела.

Потенциальная энергии пружины может совершать работу.

Кинетическая энергия

В переводе с греческого «кинема» означает «движение». Энергия, которой физическое тело получает вследствие своего движения, называется кинетической. Её величина зависит от скорости движения.

Катящийся по полю футбольный мяч, скатившиеся с горы и продолжающие двигаться санки, выпущенная из лука стрела – все они обладают кинетической энергией.

Если тело находится в состоянии покоя, его кинетическая энергия равна нулю. Как только на тело подействует сила или несколько сил, оно начнёт двигаться.

А раз тело движется, то действующая на него сила совершает работу.

Работа силы, под воздействием которой тело из состояния покоя перейдёт в движение и изменит свою скорость от нуля до ν, называется кинетической энергией тела массой m.

Если же в начальный момент времени тело уже находилось в движении, и его скорость имела значение ν1, а в конечный момент она равнялась ν2, то работа, совершённая силой или силами, действующими на тело, будет равна приращению кинетической энергии тела.

Ek = Ek2 – Ek1

Если направление силы совпадает с направлением движения, то совершается положительная работа, и кинетическая энергия тела возрастает. А если сила направлена в сторону, противоположную направлению движения, то совершается отрицательная работа, и тело отдаёт кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии

Еk1+ Еп1 = Еk2+ Еп2

Любое физическое тело, находящееся на какой-то высоте, имеет потенциальную энергию. Но при падении оно эту энергию начинает терять. Куда же она девается? Оказывается, она никуда не исчезает, а превращается в кинетическую энергию этого же тела.

Предположим, на какой-то высоте неподвижно закреплён груз. Его потенциальная энергия в этой точке равна максимальному значению. Если мы отпустим его, он начнёт падать с определённой скоростью.

Следовательно, начнёт приобретать кинетическую энергию. Но одновременно начнёт уменьшаться его потенциальная энергия.

В точке падения кинетическая энергия тела достигнет максимума, а потенциальная уменьшится до нуля.

Потенциальная энергия мяча, брошенного с высоты, уменьшается, а кинетическая энергия возрастает. Санки, находящиеся в состоянии покоя на вершине горы, обладают потенциальной энергией. Их кинетическая энергия в этот момент равна нулю.

Но когда они начнут катиться вниз, кинетическая энергия будет увеличиваться, а потенциальная уменьшаться на такую же величину. А сумма их значений останется неизменной.

Потенциальная энергия яблока, висящего на дереве, при падении превращается в его кинетическую энергию.

Эти примеры наглядно подтверждают закон сохранения энергии, который говорит о том, что полная энергия механической системы является величиной постоянной. Величина полной энергии системы не меняется, а потенциальная энергия переходит в кинетическую и наоборот.

На какую величину уменьшится потенциальная энергия, на такую же увеличится кинетическая. Их сумма не изменится.

Для замкнутой системы физических тел справедливо равенство
Ek1 + Eп1 = Ek2 + Eп2,
где Ek1, Eп1 — кинетическая и потенциальная энергии системы до какого-либо взаимодействия, Ek2 , Eп2 — соответствующие энергии после него.

Процесс преобразования кинетической энергии в потенциальную и наоборот можно увидеть, наблюдая за раскачивающимся маятником.

Нажать на картинку

Находясь в крайне правом положении, маятник словно замирает. В этот момент его высота над точкой отсчёта максимальна. Следовательно, максимальна и потенциальная энергия. А кинетическая равна нулю, так как он не движется. Но в следующее мгновение маятник начинает движение вниз.

Возрастает его скорость, а, значит, увеличивается кинетическая энергия. Но уменьшается высота, уменьшается и потенциальная энергия. В нижней точке она станет равной нулю, а кинетическая энергия достигнет максимального значения. Маятник пролетит эту точку и начнёт подниматься вверх налево.

Начнёт увеличиваться его потенциальная энергия, а кинетическая будет уменьшаться. И т.д.

Для демонстрации превращений энергии Исаак Ньютон придумал механическую систему, которую называют колыбелью Ньютона или шарами Ньютона.

Нажать на картинку

Если отклонить в сторону, а затем отпустить первый шар, то его энергия и импульс передадутся последнему через три промежуточных шара, которые останутся неподвижными. А последний шар отклонится с такой же скоростью и поднимется на такую же высоту, что и первый. Затем последний шар передаст свою энергию и импульс через промежуточные шары первому и т. д.

Шар, отведенный в сторону, обладает максимальной потенциальной энергией. Его кинетическая энергия в этот момент нулевая. Начав движение, он теряет потенциальную энергию и приобретает кинетическую, которая в момент столкновения со вторым шаром достигает максимума, а потенциальная становится равной нулю.

Далее кинетическая энергия передаётся второму, затем третьему, четвёртому и пятому шарам. Последний, получив кинетическую энергию, начинает двигаться и поднимается на такую же высоту, на которой находился первый шар в начале движения. Его кинетическая энергия в этот момент равна нулю, а потенциальная равна максимальному значению.

Далее он начинает падать и точно так же передаёт энергию шарам в обратной последовательности.

Так продолжается довольно долго и могло бы продолжаться до бесконечности, если бы не существовало неконсервативных сил.

Но в реальности в системе действуют диссипативные силы, под действием которых шары теряют свою энергию. Постепенно уменьшается их скорость и амплитуда. И, в конце концов, они останавливаются.

Это подтверждает, что закон сохранения энергии выполняется только в отсутствии неконсервативных сил.
Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.