Фізика 8 клас Тема: Робота і Енергія. Теплові явища

Матеріал з Фізмат Вікіпедії
Перейти до: навігація, пошук

Тема: Робота і Енергія. Теплові явища


Робота і потужність. Енергія. Робота сили, що діє у напрямі руху тіла Фізична величина, що має назву роботи, є характеристикою рухаючої дії сили. Якщо під дією сили F тіло змістилось на відстань s у напрямі дії сили, то робота A чисельно дорівнює добутку значення сили на шлях. Одиниця роботи — джоуль (на честь англійського вченого Дж. Джоуля).

Швидкість здійснення роботи характеризує потужність, яка позначається N або P (від англ. power), тобто потужність P чисельно дорівнює роботі, що виконується протягом секунди. Прості механізми У механіці слово «робота» вживається не тільки як назва фізичної характеристики, а й як назва механічного процесу, що відбувається під дією сили. Існують різні пристрої, які дозволяють: 1) виконувати роботу за умови прикладання до тіла порівняно невеликої сили; 2) змінювати напрям дії сили набільш зручний для людини. Усі зазначені механізми називаються простими. Висновок — у скільки разів виграємо в силі, у стільки ж разів програємо у відстані — має назву «золотого» правила механіки, хоча в дійсності воно точно реалізується лише при рівномірному русі без тертя. Умова рівноваги важеля Звичайно важіль являє собою стрижень, який може обертатися навколо опори (точка О) або закріпленої нерухомо осі. Плече сили — це найкоротша відстань від лінії дії сили до осі чи до точки обертання. Момент сили M — це добуток значення сили на її плече . Важіль знаходиться у рівновазі, якщо момент сили, який обертає важіль за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, який обертає важіль проти годинникової стрілки. Коефіцієнт корисної дії механізму Робота, яку виконує механізм (корисна робота Ак), через наявність сил тертя і сил опору середовища завжди менша, ніж робота приведення механізму в рух (виконана робота Ав). Відношення корисної роботи до всієї виконаної роботи називається коефіцієнтом корисної дії(ККД): h = Ак / Ав. Часто ККД виражають у відсотках, домножуючи дріб на 100 %. ККД завжди менший за одиницю (або за 100 %). ЕнергіяW (від англ. work — робота, адже енергія — характеристика спроможності тіла виконувати роботу) або E (від англ. energy — енергія) — універсальна кількісна міра руху, яка не змінюється при переході однієї форми руху (наприклад, механічної) в іншу (наприклад, у теплову). У механіці зміна енергії тіла дорівнює роботі A, яку при цьому виконує тіло . Тому одиницею вимірювання енергії теж є джоуль. Розрізняють енергію потенціальну (від латин. potentia) — енергію взаємодії тіл або ділянок тіла і кінетичну (від грец. kinetikos) — енергію руху тіла. Якщо якесь тіло підняти над поверхнею Землі, то чим більшими є маса тіла m і висота його підіймання h, тим більшу роботу виконає сила тяжіння mg, якщо тіло відпустити. Потенціальну енергію має не тільки тіло, підняте над поверхнею Землі, а й пружно деформоване тіло. Тіло, що рухається, може виконувати роботу при зіткненні з перешкодою (приклади: удар бійка копра об палю, пробивання кулею мішені та ін.), отже, воно має енергію. Енергія тіла, що рухається (кінетична енергія тіла), визначається масою тіла і його швидкістю. Внутрішня енергія речовини. Робота і теплопередача. Види теплопередачі Тепловим рухом називається безперервний хаотичний рух молекул у речовині. Молекули рухаються й взаємодіють, тобто мають і кінетичну, і потенціальну енергію (Wk i Wp).  Сума енергій руху і взаємодії молекул речовини називається внутрішньою енергією речовини. При переході речовини з одного стану в інший (наприклад, з твердого в рідкий або з рідкого в газоподібний) внутрішня енергія змінюється, тому має назву функції стану речовини. Зміна внутрішньої енергії речовини може відбуватись механічним способом — шляхом здійснення роботи над нею. Приклади: нагрівання повітря у велосипедній камері при його нагнітанні насосом; нагрівання цвяха при ударах по ньому молотка, нагрівання свердла і токарного різця. Але можна змінити внутрішню енергію речовини і тепловим способом — шляхом теплопередачі. 1. Теплопровідність (або при безпосередньому дотику двох тіл різної температури, або через шар повітря між ними). Така теплопередача здійснюється завдяки хаотичному руху молекул. 2. Конвекція — це теплопередача, зумовлена напрямленим рухом шарів (струменів) газу чи рідини від нагрітого тіла. Так діє обігрівальна батарея в кімнаті: теплі шари повітря від неї за рахунок виштовхувальної сили підіймаються, перемішуючись із менш нагрітими шарами повітря. 3. Променистий теплообмін здійснюється електромагнітними хвилями (шляхом теплового випромінювання). Таким способом теплопередача може відбуватись і через безповітряний простір (зокрема, від Сонця). Теплові явища Кількість теплоти та її порівняння з роботою Подібно до того, як робота A є кількісною мірою зміни енергії тіла (чи системи тіл) механічним способом, кількість теплотиQ (від англ. quantity) є мірою зміни енергії тіла при теплообміні. І при виконанні над тілом зовнішньої роботи, і при теплообміні тіла з більш нагрітим тілом внутрішня енергія тіла зростає на ∆U. Зрозуміло, що [Q] = [А] = [W] = Дж. Кількість теплоти Q не може «міститися» в тілі, не може, як і робота, «витрачатися»; система може отримати або віддати Q. Питома теплоємність речовин

Для різних речовин однакової маси m для досягнення однакових змін температури ∆t потрібна різна кількість теплоти: Q = cm∆t.

Коефіцієнт c (від англ. capacity — місткість, ємність) має назву питомої теплоємності. У СІ однією з основних є одиниця температури не за шкалою Цельсія, а за шкалою Кельвіна. Ціна поділки в обох шкалах однакова, зміна температури ∆t за шкалою Цельсія чисельно дорівнює зміні температури ∆Т за шкалою Кельвіна. Враховуючи це, за шкалою Цельсія будемо виражати тільки окремі температури (наприклад t1 i t2), а різниці температур позначати не ∆t, а ∆Т. Відповідно і в комбінованих одиницях вимірювання теплових фізичних величин повинен фігурувати кельвін (К), а не градус (°С). Отже:Таким чином, питома теплоємність с чисельно дорівнює кількості теплоти, яку одержує чи віддає 1 кг речовини при зміні його температури на 1 К. Чим більше згоряє палива, тим більше тепловиділення. Для різних речовин кількість теплоти Q, що виділяється при згорянні, різна. Питома теплота згоряння q чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при згорянні 1 кг речовини.

Тіла, які зовні здаються твердими, не завжди є такими з точки зору фізики. Істинно тверді тіла мають кристалічну структуру, з упорядкованістю молекул чи атомів у межах всього кристалу (з дальнім порядком). При нагріванні кристалічної речовини зростає хаотичність руху її молекул, і за досить високої температури зникає дальній порядок (відбувається процес плавлення). Хімічно прості кристали плавляться за цілком визначеної температури. Зворотний процес — тверднення (кристалізація). Температура кристалізації збігається з температурою плавлення. Від початку плавлення (і тверднення) і до закінчення кожного з цих процесів температура речовини залишається незмінною.

Питома теплота плавлення  чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати одному кілограму кристалічної речовини, нагрітої до температури плавлення, щоб перетворити її на рідину тієї ж температури.

Випаровування і конденсація. Кипіння. Температура кипіння. Питома теплота пароутворення Внаслідок хаотичності теплового руху деякі молекули рідини при будь-якій температурі випадково можуть рухатись у напрямі поверхні рідини і вилітати за її межі. Чим вища температура рідини, тим більше молекул в одиницю часу вилітають з неї. Пароутворення з поверхні речовини називається випаровуванням. Рідини випаровуються при будь-якій температурі, і навіть тверді речовини можуть слабко випаровуватись. За досить високої температури до випаровування приєднується кипіння, тобто пароутворення зсередини рідини. У цьому процесі беруть участь повітряні бульбашки, що є в рідині. Молекули рідини, що оточують бульбашки, проникають у них, бульбашки збільшуються в об’ємі і під дією сили Архімеда випливають, викидаючи назовні пару рідини. Кипіння кожної рідини при незмінному тиску відбувається при цілком певній незмінній температурі. Чим більший тиск над рідиною, тим вища температура кипіння. Процес переходу речовини з газоподібного стану у стан з більшою густиною називається конденсацією(ущільненням). Шляхом конденсації пари утворюється ранкова роса (наприклад, на листі рослин), іній (на поверхні ґрунту, рослинах, будівлях тощо). Фізична величина L, що має назву питомої теплоти пароутворення, вводиться подібно до вже розглянутих величини q і  : чим більше рідини в якійсь посудині, тим довше триває повне перетворення її на пару, і тим більша потрібна для цього кількість теплоти. Отже: , , , . Питома теплота пароутворення L чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідній для перетворення на пару 1 кг речовини при незмінній температурі. Для процесу конденсації  ; у цьому випадку L — питома теплота конденсації.