5 Превращение механической энергии во внутреннюю. Явление диссипации механической энергии. Учет потерь мэ, кпд процесса.

При изучении физики рассматриваются механические, тепловые, световые, электрические и др. явления. Известно также, что существует два вида механической энергии. Кинетической обладает движущееся тело, потенциальная определяется взаимным расположением тел или их частей. Оба вида энергии могут переходить один в другой. Опыт - свинцовый шар сначала поднять над свинцовой плитой, а потом уронить. Происходит превращение потенциальной энергии шара в кинетическую. После того, как шар остановится после удара, кинетическая и потенциальная энергии будут равны нулю. Но это не значит, что механическая энергия исчезла бесследно. Она перешла в другую форму. После удара шар и плита нагрелись и деформировались. Следовательно, изменилась кинетическая и потенциальная энергия частиц, из которых состоят эти тела. Механическая энергия перешла в энергию молекул.

При ударе пуля расплющивается о пластину.

Движение тел при наличии трения ведет к их нагреванию. Нагревание происходит также при совершении работы против сил «внутреннего трения», например при многократном изгибании металлической проволоки. Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать и другие изменения. Например, они могут измельчаться, растираться в пыль, может происходить плавление, т. е. переход тел из твердого в жидкое состояние: кусок льда может расплавиться в результате трения о другой кусок льда или о какое-либо иное тело.

Если движение тел связано с преодолением сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями: 1) сумма кинетической и потенциальной энергий всех участвующих в движении тел уменьшается; 2) происходит изменение состояния тел, в частности, может происходить их нагревание. Это изменение состояния тел происходит всегда таким образом, что в новом состоянии тела могут производить большую работу, чем в исходном.

Если налить в трубку немного эфира и, заткнув трубку пробкой, привести в быстрое вращение трубку, то эфир испарится и вытолкнет пробку. Значит, в результате нашей работы трубка с эфиром пришла в новое состояние, в котором она смогла совершить работу, требующуюся для выталкивания пробки, т. е. работу против сил трения, удерживающих пробку в трубке, и работу, идущую на сообщение пробке кинетической энергии. В исходном состоянии трубка с эфиром не могла совершить этой работы.

Если сил трения нет, то закон сохранения механической энергии соблюдается: сумма потенциальной и кинетической энергий системы остается постоянной. Если же действуют силы трения, то сумма потенциальной и кинетической энергий уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом всегда растет внутренняя энергия. 

Оказалось, что если над телом произведена некоторая работа, то его суммарная энергия растет на величину этой работы, а если тело производит работу над другими телами, то его суммарная энергия настолько же убывает. Для всех видов энергии оказалось, что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких переходах общее количество энергии всех видов, включая и механическую и все виды внутренней энергии, остается все время строго постоянным. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии.

Диссипация энергии - переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте — в теплоту. 

Системы, в которых энергия упорядоченного движения с течением времени убывает за счёт диссипации, переходя в другие виды энергии, например в теплоту или излучение, называются диссипативными.

  Выясним, как меняется кинетическая энергия шара при ударе о стальную пластину. Вследствие деформации происходит «потеря» кинетической энергии, перешедшей в тепловую или другие формы энергии (диссипация энергии).

Существуют и потери энергии. Например, тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании топлива, передается рабочему телу. Потери энергии при сжигании :

- могут быть с отходящими газами.

- потери, связанные с неполным сгоранием, в результате которого часть химической энергии топлива не преобразуется в тепловую энергию.

- потери, связанные с теплопроводностью и излучением.

Потери энергии означают не ее исчезновение, а только превращения, которые не служат нашим целям и поэтому бесполезны. В этом смысле потери энергии подобны всем прочим потерям: потеря шляпы или карманного ножа не означает уничтожение этих предметов, другим людям они могут принести туже пользу.

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.

Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η (« эта»).

КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

 x 100 %,

где А — полезная работа, а Q — затраченная работа. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

6 Электризация тел. Электрический заряд. Два рода зарядов. Закон взаимодействия эл. зарядов. Способы электризации тел. Электрически замкнутая система. Закон Франклина. Делимость эл. заряда. Элементарный заряд. Электрон. Опыты Иоффе и Милликена (суть, результат).

Еще в древности заметили, что янтарь, натертый о шерсть, притягивает предметы. Аналогично – стеклянная палочка о шелк, эбонит о мех. Опыт – стеклянную палочку потереть о бумагу. Поднести к мелко нарезанной бумаге. Эти явления назвали электрическими (греч.-янтарь). А способность тел притягивать другие тела после натирания – электризацией.

Опыт – эбонитовую палочку потереть о сукно. Оба предмета будут притягивать к себе тела. След., при трении электризуются оба тела. Электрический заряд передается при соприкосновении.

Электрически нейтральное тело содержит равное число положит. и отрицат. зарядов. При соприкосновении нейтральность нарушается и телу сообщается электрический заряд. Такое тело называется наэлектризованным.

Они либо притягиваются, либо отталкиваются. 2 эбонитовые палочки натертые о мех, или 2 стеклянные, натертые о шелк– отталкиваются. Эбонитовая, натертая о мех притягивается к стеклянной, натертой о шелк .

Условились, что заряд на стеклянной палочке ( натертой о шелк) – положительный, а эбонитовой (натертой о мех) – отрицательный.

О пыт – к эбонитовой палочке подносили наэлектризованные тела из различных веществ. Часть – притягивалась, часть отталкивалась. Следовательно, существует только два рода электрических зарядов – положительные и отрицательные.

Виды электризации: 1. Контакт опыт - с эбонитовой палочкой и металлической гильзой на нити. Коснулись гильзы эбонитом, гильза сначала притянулась, потом оттолкнулась. Гильза, коснувшись палочки, получила «-» заряд. Затем к гильзе поднесли стеклянную палочку – притянулись друг к другу.

На этом явлении основан электроскоп – простейший прибор для обнаружения зарядов. В нем металлический стержень с листочками пропущен через пластмассовую пробку и все вставлено в металлический корпус. Корпус закрыт стеклами. Если к незаряженному электроскопу поднести эбонитовую палочку, то лепестки разойдутся. Если к «+» заряженному электроскопу поднести тело с таким же з арядом, то лепестки разойдутся сильнее. Если к «+» заряженному электроскопу поднести тело с противоположным зарядом, то лепестки сойдутся.

Еще виды электризации - 2. Трение 3. Влияние 4. Под действием излучения

Электризация «через влияние»: чтобы сообщить заряд изолированному проводнику заряд необходимо:1. Приблизить к нему (не касаясь) заряженное тело. В нем произойдет разделение зарядов.2. Коснуться рукой дальнего от конца – заряд перейдет на Вашу руку, в тело, на пол и т.п., но не уйдет с другого, ближнего конца .3. Убрать руку и заряженное тело. Проводник заряжен зарядом, противоположным заряду тела. При электризации заряд имеют оба тела.

Электрический заряд – скалярная величина, характеризующая свойство тел вступать в электромагнитное взаимодействие (Кл).

По способности передавать эл.заряды вещества делятся на проводники (имеют в своей структуре свободные эл.заряды, которые могут перемещаться), диэлектрики (отсутствуют эл.заряды) и полупроводники (промежуточное место).

Опыты по притяжению и отталкиванию наэлектризованных тел позволяют предположить, что эл.заряды взаимодействуют. Причем взаимодействие зависит от расстояния (чем ближе – тем сильнее). Предположили, что действие одного тела на другое происходит через воздух. Но при проведении опыта, в котором заряженный электроскоп повестили в безвоздушное пространство, оказалось, что его лепестки также отталкиваются. Изучением этого вопроса занимались Фарадей и Максвелл. В результате исследований было установлено, что эл.заряды окружены эл.полем.

Электрическое поле (часть эл.магнитного) – особый вид материи, который создается эл.зарядами и воздействует на заряды одинаково, независимо от того, двигаются они или покоятся в данной инерциальной системе отсчета.

Электрическая сила (Кулоновская) – сила, с которой эл.поле действует на внесенный в него эл.заряд.

Закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) – два точечных неподвижных заряда взаимодействуют в вакууме с силой, прямопропорциональной произведению их зарядов и обратнопропорциональной квадрату расстояния между ними, где -коэффициент пропорциональности, - заряды, - расстояние между ними.

Делимость заряда .В обычном состоянии атомы нейтральны. Следовательно, электризацию нельзя объяснить их перемещением. Если предположить, что в природе существуют частицы, имеющие заряд, то при его делении должен быть какой-то предел и должна существовать частица с наименьшим зарядом.

Опыт – зарядим электроскоп, металлической проволокой соединим его с незаряженным. Заряд поделился. Снова к первому подключим незаряженный. Заряд снова поделился.

Опыт продолжили на крупинках из металла. Иоффе (русский) и Милликен (американец) брали наэлектризованные пылинки цинка. Заряд пылинок меняли несколько раз и вычисляли. Заряд каждый раз менялся. Но все изменения были больше в целое число раз некоторого наименьшего заряда. Вывод – к пылинке цинка присоединяется или отделяется только наименьший заряд. Есть заряженная частица, разделить заряд которой невозможно.

Элементарный заряд – электрон, минимальный стабильный заряд, равный 1,6*10^-19 Кл.

Делимость (квантование) электрического заряда – заряд любого тела кратен целому числу элементарных зарядов.

Если первоначало тело нейтрально, то число электронов равно числу протонов. Но при электризации тело получает либо избыток электронов, либо их недостаток. Из опыта установили, что заряд эбонитовой палочки, потертой о шерсть, по абсолютному значению равен заряду шерсти. След., при электризации заряды не создаются, а разделяются (переходят с одного тела на другое). При этом выполняется закон сохранения электрического заряда (закон Франклина) – алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях в замкнутой системе .

Электрически замкнутая система – система, в которую извне не входят и не выходят наружу электрические заряды.

Зная строение атома, можно объяснить существование проводников и изоляторов. В атомах электроны находятся на разных расстояниях от ядра. Дальние притягиваются к ядру слабее. Особенно слабо удерживаются электроны в металлах, они покидают свое место и движутся между атомами. Это – свободные электроны. За счет них возникает ток.

Там, где электроны сильно удерживаются ядрами, свободных электронов нет и нет тока.

Также можно объяснить и явления притяжения и отталкивания. Опыт – не наэлектризованная гильза и заряженная палочка. В гильзе есть свободные электроны. Как только гильзу внесли в электрическое поле палочки, они придут в движение. Если палочка с «+» зарядом, то электроны перейдут на тот конец гильзы, который ближе к палочке. Этот конец зарядится отрицательно. На другом конце гильзы будет «+» (рис1). Ближний к палочке отрицательный конец гильзы притянется (рис2). Часть электронов при этом перейдет с гильзы на «+» палочку, на гильзе останется положительный заряд.

Если заряд передавать от заряженного к незаряженному телу и размеры тел одинаковы, то заряд разделится поровну. Если же одно из тел больше, то на него перейдет большая часть заряда. На этом основано заземление – тело при соприкосновении с Землей отдает почти весь заряд и становится нейтральным.