Реферат на тему:


Воспользуйтесь поиском к примеру Реферат        Грубый поиск Точный поиск






Загрузка...
Закон сохранения энергии в макроскопических процессах

Закон сохранения энергии в макроскопических процессах

План

1. Работа в механике, закон сохранения и превращения энергии в механике

2. Первый закон термодинамики

Работа в механике, закон сохранения и превращения энергии в механике

Среди законов сохранения, перечисленных выше, наибольший интерес представляет тот, который связан с энергией.

Мы знаем, что потребление энергии постоянно растет, что нехватка энергии влияет не только на повседневную жизнь, но и на международные отношения. Представление об энергии связано в нашем сознании с нефтью, углем, падающей водой, ураном. Энергия не только приводит в движение различным механизмам н обогревает дома. Она также необходима для производства всех предметов, которыми мы пользуемся и которые нас окружают. Все живые существа в буквальном смысле поедают энергию, чтобы поддерживать жизнь.

Дать абсолютно точное, правильное и всеобъемлющее определение энергии очень сложно. Ведь энергия оказывается во множестве различных форм. Автомобиль, движущийся имеет энергию. Неподвижная батарейка электронных часов имеет энергию. Камень на вершине скалы имеет энергию. Энергия содержится и в чайнике с кипятком, и в кусочке сливочного масла, и в солнечном свете.

Энергия является единственным мерилом различных форм движения. Возможны два качественно различные способы передачи движения и соответственно передачи энергии от одного макроскопического тела к другому путем осуществления работы и путем теплообмена.

Под процессом осуществления работы понимают такой процесс взаимодействия какого-либо тела с другими телами, в результате которого изменяется механическое движение этого тела или его положение относительно других тел. Такими, например, являются процессы столкновения тел, движущихся их торможения вследствие явления трения, а также любые процессы перемещения тел под действием сил взаимодействия между ними.

Изменение энергии тела в процессе осуществления работы и называется работой.

Рассмотрим спочатку только те формы энергии, связанные с механическим движением: кинетическую и потенциальную.

Кинетическая энергия это энергия механической системы, зависящая от скорости движения ее точек. Кинетическая энергия материальной точки равна половине произведения массы т этой точки на квадрат ее скорости v, то есть

Кинетическая энергия механической системы равна сумме кинетических энергий всех ее точек.

Кинетическая энергия сохраняется только при столкновениях (взаимодействиях) определенного типа, когда на телах, сталкивающихся не остается повреждений и они не слипаются. Такие столкновения называются упругими. Поэтому единственный способ узнать, есть ли столкновение упругим, - убедиться, что суммарная кинетическая энергия остается неизменной.

Изменение кинетической энергии системы при ее перемещении из положения и в положение 2 может происходить под действием приложенных к системе внешних и внутренних сил. Это изменение кинетической энергии равно сумме работ Аи2 этих сил на данном перемещении

Фактически, последнее утверждение формулировкой теоремы об изменении кинетической энергии.

Все силы, с которыми имеет дело макроскопическая механика, принято разделять на консервативные и неконсервативные. Если силы взаимодействия зависят только от конфигурации материальных точек системы (то есть от их координат) и работа этих сил при перемещении системы из произвольного начального положения в произвольное конечное положение не зависит от пути перемещения, а определяется только начальной и конечной конфигурациями системы, то такие системы называются консервативными.

Можно доказать, например, что сила тяжести F = m g является консервативной. Консервативными также силы гравитационного взаимодействия, электростатической (кулоновской) взаимодействия между зарядами.

Все силы, которые не являются консервативными, называются неконсервативной. К ним относятся прежде всего так называемые диссипативные силы, например, силы трения, возникающие при скольжении какого-либо тела по поверхности другого. Сюда же относятся силы сопротивления, которые испытывает тело, двигаясьв жидком или газообразном среде. Все эти силы зависят не только от конфигурации тел, но и от их относительных скоростей. Они направлены всегда против скорости тела (относительно поверхности, по которой оно скользит, или относительно среды, в котором оно движется, испытывая сопротивления). Поэтому если тело скользит по неподвижной поверхности или движется в неподвижной среде, которое сопротивляется, то при любом движении тела работа сил трения, действующих на него, является отрицательной. Таким образом, диссипативными называются также силы, полная работа которых при любых движениях в замкнутой системе всегда является отрицательной.

Необходимо отметить еще один вид консервативных сил, которые называются гироскопическими силами. Эти силы зависят от скорости материальной точки и действуют всегда перпендикулярно этой скорости. Работа таких сил равна нулю при любом перемещении материальной точки, в частности при ее движении по замкнутому пути. Примером такой силы является сила Лоренца, то есть сила, действующая на заряженную частицу в магнитном поле.

Работа силы, приложенной к телу, определяется как

где F величина действующей силы;

s модуль перемещения тела

угол между направлением действия силы и направлением перемещения. Если на систему действуют только консервативные и гироскопические силы, то для нее можно ввести понятие потенциальной энергии.

Какое-либо произвольное положение системы, характеризующееся заданием координат ее материальных точек, условно примем за нулевое. Работа, которую осуществляют консервативные силы при переходе системы из рассматриваемого положения в нулевое, называется потенциальной энергией системы. Работа консервативных сил не зависит от пути перемещения, а потому потенциальная энергия системы при фиксированном нулевом положении зависит только от координат материальных точек в рассматриваемом положении. Иными словами, потенциальная энергия системы U является функцией только ее координат.

Значение потенциальной энергии зависит от того, какое положение системы условно принять за нулевое. какчто за нулевое принять положение то в положении 1 система будет потенциальную энергию U = & nbsp ;, равной работе консервативных сил при переходе системы из положения 1 в положения 0. Если же за нулевое принять положение 0 ', то потенциальная энергия равна U' = & nbsp ;. Вследствие консервативности сил, действующих в системе, работа вдоль пути 10 'равна работе вдоль пути 100'

или

Работа у4м. постоянная, то есть не зависит от координат системы в рассматриваемом положении 1. Она вполне определяется выбором нулевых положений 0 и 0 '. Понятно, что при замене одного нулевого положения на другое потенциальная энергия системы меняется на постоянную величину. Таким образом, потенциальная энергия системы определена не однозначно, а с точностью до произвольной постоянной.

Пусть система перешла из положения 1 в положение 2 по какому-либо пути 12 (см. Рис.).

Работа & nbsp ;, выполненную консервативными силами при таком переходе, можно выразить через потенциальные энергии и в состояниях 1 и 2. Для этого представим, что переход осуществлен через нулевое положение 0, то есть по пути 102. Так как силы консервативные , то. По определению потенциальной энергии , где С и сама стала. Таким образом,

есть работа консервативных сил равна величине уменьшения потенциальной энергии системы.

Работа & nbsp ;, как было показано выше, может быть также выражена через увеличение кинетической энергии.

Тогда

откуда .

Сумма кинетической и потенциальной энергий системы называется ее полной энергией Е. Таким образом,

В системе с одними только консервативными (и гироскопическими) силами полная механическая энергия остается неизменной. Могут происходить только преобразования потенциальной энергии в кинетическую и наоборот, но полный запас энергии системы измениться не может. Это положение называется законом сохранения энергии в механике.

Первый закон термодинамики

Большой интерес представляет проблема: а как выглядит выражение заколу "(1824 p.), где впервые были заложены основы термодинамики, хотя и сохранились старые заблуждения в теплоту как на некую невесомую вещество теплород, который нельзя ни создать, ни уничтожить. Позже термодинамика вышла за рамки указанной технической задачи . Центр тяжести переместился на изучение физических вопросов. Основное содержание современной физической термодинамики изучение закономерностей тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Приложения к тепловых двигателей, холодильных установок и других вопросов теплотехники виде лились в самостоятельный раздел, который называется технической термодинамикой.

Тепловая форма движения материи это хаотическое движение атомов и молекул в макроскопических телах. ее специфичность связана с колоссальным количеством атомов и молекул во всяком макроскопическом теле. Так, в одном кубическом метре воздуха при нормальных условиях содержится около 2,7 1025 молекул.

В процессе теплового движения молекулы сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в которую помещено систему. Столкновение сопровождаются резкими изменениями модуля и направления скорости молекул. В результате в системе возникает вполне беспорядочное движение, в котором с одинаковой вероятностью можно обнаружить все направления скоростей молекул, а сами скорости изменяются в широких пределах от очень малых до очень больших значений.

Средняя скорость теплового движения газовых молекул очень велика. Для молекул воздуха она составляет при комнатной температуре около 500 м / с и с повышением температуры возрастает. Столкновения между молекулами газа происходят чрезвычайно часто. Например, молекула воздуха при плотности успевает в среднем пройти всего около 10 ~ 4 мм от одного столкновения к следующему. Зная среднюю скорость молекулы, нетрудно подсчитать, что при нормальной температуре и плотности молекула воздуха за одну секунду испытывает к 5000 столкновений, причем число столкновений возрастает с увеличением температуры и плотности газа. Кроме поступательного движения, происходит беспорядочное оберинологию, заимствованную из механики, говорят, что эти два тела находятся в состоянии термодинамического равновесия друг с другом и имеют одинаковые температуры. Термодинамическое равновесие, как показывает опыт, в конце концов наступает не только в случае столкновения двух, но и в случае столкновения сколько угодно тел.

Отмеченные факты допускают обобщения. Назовем изолированной или замкнутой, системой систему тел, которые не могут обмениваться энергией с окружающими телами. Тогда, каким бы ни был исходное состояние тел изолированной системы, в ней, в конце концов, установится термодинамическое равновесие, в которой прекратятся все макроскопические процессы. Это положение играет важную роль в термодинамике и является одним из важнейших постулатов, который иногда называют общим началом термодинамики.

Приведем еще несколько примеров относительно установления термодинамического равновесия. Предположим, что твердую оболочку, которая не проводит тепло, разделены перегородкой, которая тоже является теплонепровидною на две части. В одной из частей находится жидкость, в другой создан вакуум. Быстро удалим перегородку. Жидкость закипит. В пространстве, ограниченном оболочкой, возникает сложное движение жидкости и ее пара. Но в конце концов он, а также дальнейшее парообразования жидкости прекратятся. Получим или только одну пару (если жидкости сначала было мало), или систему, состоящую из жидкости и насыщенного пара. В обоих случаях конечное состояние является состоянием термодинамического равновесия. Это не состояние абсолютного покоя, в котором прекращаются все без исключения процессы. Если рассматривать это состояние с молекулярной точки зрения, то ему присущ непрерывный и интенсивный обмен молекулами между жидкостью и паром. Это означает, что непрерывно происходит процесс парообразования жидкости и обратный к нему процесс конденсации пара в жидкость. Однако в состоянии термодинамического равновесия эти два процесса в целом как бы взаимно компенсируют себя: среднее количество молекул, испаряющихся, равна среднему количеству молекул, возвращающихся из пара обратно в жидкость. Термодинамическое равновесие, таким образом,& Mdash; это такая динамическое равновесие, когда очень интенсивно происходят процессы молекулярного масштаба, но все макроскопические процессы прекращаются. Это касается любой термодинамического равновесия, а не только равновесия, рассмотренной в приведенном примере.

Если в стакан с водой бросить кусок сахара, то начальное состояние системы будет термодинамически неравновесным сахар начнет растворятся в жидкости. Однако через некоторое время, когда процесс растворения прекратится, установится термодинамически равновесное состояние; мы получим или однородный раствор, или неоднородную систему, состоящую из куска сахара и насыщенного раствора вокруг него. В последнем случае динамический характер равновесного состояния проявляется в том, что процесс растворения сахара, если его рассматривать с молекулярной точки зрения, никогда не прекращается. Однако в состоянии равновесия он компенсируется обратным процессом кристаллизации сахара из раствора.

Таким образом, по определению, два тела находятся в тепловом равновесии друг с другом или имеют одинаковые температуры, если при теплового контакта между ними равновесие не нарушается.

Температура одна из величин, зависящих только от внутреннего состояния тела.

Ниже на основе второго закона термодинамики будет показано, как определяется температурная шкала, не зависит от свойств тела, выбранного для вимирюванг ния температуры.

Абсолютная температура пропорциональна средней кинетической энергии поступательного движения молекул вещества. Именно в этом заключается физический смысл температуры.

Температура является термодинамическим параметром, или параметром состояния системы. Кроме температуры, термодинамическими параметрами системы является давление р и объем системы V.

Параметры состояния p, V, Т системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, не являются независимыми. Опытным путем можно получить функциональную зависимость равновесного давления р в системе от объема и температуры

то есть получить уравнения состояния системы.

Если один из параметров системы меняется, то происходит изменение состояния термодинамической системы; это изменение состояния получила название термодинамического процесса

изопроцессам называются термодинамические процессы, происходящие в системе с постоянной массой при каком-либо одном постоянном параметре состояния.

Изотермический процесс в условиях постоянной температуры (T- const).

Изохорный (изохорный) процесс при условии постоянного объема (V = const).

Изобарный (изобарный) процесс протекает при постоянном давлении (р = const).

Адиабатный (адиабатическим) процессом называется термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с внешними телами.

Состояние системы можно описать с помощью физических величин, которые называются функциями состояния. Изменения функций состояния при термодинамических процессах не зависят от вида этих процессов. Функции состояния однозначно определяются значениями параметров начального и конечного состояний системы. Простейшими функциями состояния системы является ее внутренняя энергия U и энтропия S.

Наиболее простой вид имеет уравнение состояния идеального газа. Идеальным газом называется газ, обладающий енергия- потенциального взаимодействия между молекулами настолько мала, что ею можно пренебречь, а сами молекулы занимают столь малый объем по сравнению с объемом газа, его можно не принимать во внимание. В идеальном газе молекулы взаимодействуют только при столкновениях. В реальных газов (сильно сжатых газов) молекулы испытывают силы межмолекулярного взаимодействия. Газы, находящиеся в условиях давлений, близких к атмосферному, можно считать идеальными газами.

Для идеального газа уравнение состояния приобретает форму, получившей название уравнения Менделеева-Клапейрона:

где масса газа,

молярная масса газа,

R универсальная газовая постоянная ().

Произвольная термодинамическая система, находящаяся в каком угодно термодинамическом состоянии, имеет полную энергию, состоит из кинетической энергии механического движениясистемы как целого; потенциальной энергии системы во внешних силовых полях (например, электромагнитном, гравитационном) внутренней энергии U.

Внутренней энергией термодинамической системы называется энергия, которая зависит только от термодинамического состояния системы. Для неподвижной системы, не испытывает действия внешних силовых полей, внутренняя энергия совпадает с полной энергией. Внутренняя энергия включает в себя энергию всех видов внутренних движений в системе и энергию взаимодействия всех частиц (атомов, молекул, ионов и т.д.), входящих в систему.

Например, внутренняя энергия газа многоатомных молекул состоит из: а) кинетической энергии теплового поступательного и вращательного движения молекул; б) кинетической и потенциальной энергии колебаний атомов в молекулах; в) потенциальной энергии, обусловленной межмолекулярными взаимодействиями; г) энергии электронных оболочек атомов и ионов; д) кинетической энергии и потенциальной энергии взаимодействия протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Слагаемые г) и д) обычно не меняются в процессах, происходящих при не очень высоких температурах, когда ионизация и возбуждение не играют существенной роли. В этих условиях слагаемые г) и д) не учитываются в балансе внутренней энергии. Для идеального газа не учитывается также слагаемое в).

Внутренняя энергия является однозначной функцией термодинамического состояния системы. Значение внутренней энергии в любом состоянии не зависит от того, с помощью которого процесса система достигла данного состояния. Изменение внутренней энергии при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 равна

и не зависит от вида процесса перехода 1 - "2. Если система находится в

Загрузка...

Страницы: 1 2