Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На прошлой лекции мы с вами познакомились с законом сохранения полной механической энергии. Давайте его себе напомним:
Закон сохранения полной механической энергии: в замкнутой системе тел взаимодействующих между собой потенциальными силами полная механическая энергия остается неизменной при любых взаимодействиях между телами.
После того как мы сформулировали этот закон, мы с вами рассмотрели дополнительную ситуацию, когда в системе помимо потенциальных сил действует еще сила сопротивления или сила трения. И мы выяснили при этом, что полная механическая энергия в этом случае не сохраняется. Изменение полной механической энергии равняется работе диссипативных сил, но работа силы сопротивления отрицательна, потому что сила сопротивления, ну, например, сухого трения направлена в сторону противоположную скорости, относительно опоры. А раз так, то и изменение полной механической энергии тоже отрицательно. Другими словами в какую сторону меняется полная механическая энергия? В сторону уменьшения, т.е она пропадает...исчезает. Исчезает в никуда? Или все-таки куда-то она переходит? И оказывается, что она не исчезает бесследно, просто она выходит за пределы механики. Эта энергия перестает быть механической энергией. И сегодня мы с вами подробнее рассмотрим этот вопрос. Куда девается энергия и девается она вообще куда-либо если она перестает быть полной механической энергией.
А теперь давайте подумаем, что происходит с энергией в этой замкнутой системе? И для этого можно обратиться, просто, к нашему жизненному опыту. Давайте представим себе, что у нас с горы съезжает какое-то тело, но гора не гладкая, а в ней присутствует трение. Если мы изучим температуру этого тела после того как оно съехало с горки, то мы заметим, что оно немного нагрелось. При этом потенциальная энергия внизу минимальна или будем говорить о том, что она равна нулю. Тело при этом остановилось. Т.е кинетическая энергия при этом тоже равна нулю. в начале кинетическая энергия тоже была равна нулю, конечно, потому что мы тело отпустили из состояния покоя, но при этом тело обладало потенциальной энергией. Т.е был какой-то запас полной механической энергии, но он растратился. И теперь стала равна нулю и потенциальная и кинетическая энергии. Полная механическая энергия при этом уменьшилась, но опыт показывает, что возникло нагревание. А теперь скажите пожалуйста, можно ли, используя нагретое тело получить механическую работу? Встречаются ли нам такие ситуации, когда нагретое тело можно использовать для совершения механической работы? Да, такие ситуации нам встречались - это тепловые двигатели. Т.е, в принципе, нагретое тело обладает способностью совершать работу. А что мы говорим о теле, если тело способно совершать работу? Как другими словами сказать о том, что тело способно совершать работу? Тело обладает энергией. Ага, значит, нагретое тело мы можем тоже сказать обладает энергией, но это не механическая энергия. А если, вообще, глубже копнуть и мы с вами помним, что эта энергия называется внутренней и она состоит из потенциальной энергии взаимодействия молекул тела между собой и кинетической энергии хаотического движения молекул. Т.е тепловые явления можно с механикой связать, но это не механика движения тела - это механика движения молекул из которых это тело состоит. И поэтому мы не относим ее к механической энергии, а называем такую энергию внутренней. И так энергия из механической перешла во внутреннюю...а раз нагретое тело способно совершать работу, то мы говорим, что оно обладает энергией. Другой пример...Речная вода сливается с плотины, проходит через турбину гидроэлектростанции и при этом вырабатывается электроэнергия. При этом потенциальная энергия воды уменьшается, значит полная механическая энергия воды при этом уменьшается, механическая энергия при этом исчезает, но с другой стороны мы знаем, что генераторы, которые приводятся в действие гидротурбинами вырабатывают электроэнергию, которую мы так и называем - энергия, но только электрическая. Т.е они делают так, что можно производить работу. Эта электроэнергия может расходоваться на разные вещи. Можно, например, привести в действие электродвигатель, который будет поднимать такие-то грузы в подъемном кране. Можно заставить работать электронагревательные приборы. Т.е опять-таки из механической энергии получаются другие виды энергии,и в данном случае электрическая энергия - эта энергия уже к механической не сводиться в ней нельзя сделать так как в молекулярной физике. И вот оказывается, что энергия не исчезает бесследно и соответственно не возникает из ничего. Как показывают многочисленные опыты, она, просто,преобразуется из одного вида в другой. И этот факт носит название закон сохранения и превращения энергии. Давайте сформулируем его строго.
Закон сохранения и превращения энергии - в любых процессах энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а лишь преобразуется из одного вида в другой.
Стоит отметить, что эти преобразования обратимы. Механическую энергию можно превратить в электрическую, как это происходит в гидроэлектростанциях. Электрическую энергию можно снова превратить в потенциальную энергию воды. И, вот давайте приведем такой пример. На реке есть гидрогенерирующая электростанция, которая построена рядом с ГЭС., которые работают в связке. Когда в реке весной много воды эта вода пропускается через турбины гидроэлектростанции. Эта электроэнергия не поступает вся потребителям, часть ее расходуется на приведение в действие мощных насосов. которые воду из реки закачивают на высоту больше ста метров в огромный бассейн с помощью насосов. Летом, когда воды в реке мало из огромного резервуара по трубам вода проходит через турбины, она при этом выпускается в реку, проходит через турбины ГЭСи при этом вырабатывается электроэнергия. Т.е получается, что потенциальная энергия воды используется как хранилище энергии. Энергия запасается в виде потенциальной энергии хранения воды. Так работают гидроаккумулирующие электростанции. Таких электростанции в мире строится все больше и больше и они позволяют пережить нестабильность водного режима рек. Идем дальше...
То что энергия не возникает из ничего очень разочаровало в свое время конструкторов различных устройств, которые назывались вечным двигателем.
Почему же все-таки в указанной первой схеме "вечного" двигателя не крутится представленная система? Оказывается, что не вся работа, которую совершает мотор в нашем как бы "вечном двигателе" не вся энергия превращается в электрическую энергию, часть энергии теряется. в любом устройстве, в котором преобразуется один вид энергии в другой или преобразует энергию в работу, например, в тепловом двигателе внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу двигателя. Или в электродвигателе энергия электрического тока преобразуется в механическую работу. Это преобразование не всегда происходит полностью. Если речь идет о тепловых двигателях, то мы хорошо помним, что часть количества теплоты приходится отдавать холодильнику. Если речь идет об электроэнергии, то когда работает генератор ток текущий по проводам вызывает нагревание проводов, при этом часть энергии теряется бесследно и из электрической энергии переходит, просто, в тепловую энергию. И для того, что бы охарактеризовать эффективность работы механизма или устройства вводится такое понятие, как коэффициент полезного действия.
Коэффициент полезного действия - машины или механизма называется физическая величина равная отношению полезной работы к затраченной энергии (или работы) затраченной на приведение механизма в действие
Одну и ту же работу можно выполнять долго, а можно выполнять быстро. Например, кирпичи на стройке можно поднимать на пятый этаж таская их ведрами пол дня, а можно за 30 секунд с помощью подъемного крана поднять на туже высоту. При этом мы этим же кирпичам сообщаем одну и ту же потенциальную энергию, т.е совершаем одну и ту же работу, но один раз быстро, а другой раз медленно. и для того, чтобы охарактеризовать быстроту выполнения работы вводится физическая величина, которая называется мощностью. Но давайте вспомним, что когда мы говорим слово работа, мы обязательно должны упомянуть какая сила эту работу совершает. Следовательно, если мы говорим о быстроте выполнения работы, то мы эту быстроту можем называть словом мощностью, но мы должны обязательно помнить, что мощность какой-то силы. Точно так же когда мы упоминаем работу, если мы упоминаем мощность, то мы должны сказать, что это мощность какой-то силы...строго говоря...поэтому давайте запишем следующее определение.
Мощность силы - это такая физическая величина равная отношению работы этой силы за небольшой промежуток времени к длительности этого промежутка
И так мы разобрали, что такое мощность силы, но очень часто приходится встречать такие фразы, как мощность двигателя. О какой силе тогда идет речь? Когда мы говорим о мощности двигателя, мы же можем подумать и ответить на вопрос, а какая сила эту мощность развивает? Всегда можно на такой вопрос ответить? Сила, которая совершает работу. Если это электродвигатель, то мощность электродвигателя это на самом деле мощность развиваемая силой упругости в валу электродвигателя, который вращает что-то. Если это мощность подъемного крана, то эта мощность какой силы? Силы упругости троса, который подымает груз с помощью подъемного крана.Т.е когда мы говорим о мощности двигателя, мы всегда можем найти ту силу мощность которой имеется ввиду, но обычно никто этого не делает и мы как-то привычно говорим о том, что это мощность двигателя, мощность машины, мощность механизма и предполагается, что механизм работает длительное время в каком-то неизменном режиме. И поэтому, когда идет речь о стационарном движении механизма...мотор крутится себе и крутится... то уже не важно какой промежуток времени мы при этом выбираем. Возьмем временной промежуток в два раза больше и работа при этом будет в два раза больше за вдвое большее время совершена, потому что двигатель работает все время в одном и том же режиме.
Мощность машины или механизма - называется физическая величина равная отношению работы, выполненной механизмом ко времени ее выполнения.
Лошадиная сила - это такая сила, которая равняется мощности, которая развивается при равномерном подъеме тела массой 75 килограмм на высоту 1 метр за 1 секунду.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, подпишись на канал и поддержи автора.