1. Необоротність теплових процесів
2. Енергетична та екологічна кризи
1. НЕОБОРОТНІСТЬ ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСІВ
ОБОРОТНІ ТА НЕОБОРОТНІ ПРОЦЕСИ
Серед явищ, що відбуваються навколо нас, є такі, що можуть протікати практично однаково як у прямому, так і у «зворотному» напрямі в часі — як у фільмі, що показують у зворотному порядку (від кінця до початку). Такі явища називають оборотними.
Явища ж, що можуть протікати тільки в одному напрямі, називають необоротними.
Механічні явища. Практично оборотними є механічні явища, у яких дуже мала роль тертя: прикладами можуть служити коливання вантажу на нитці або пружині. Якщо зняти такі явища, а потім показувати фільм у зворотному порядку, глядачі не помітять «оберненості часу»: їм здаватиметься, що вони спостерігають реальний процес.
Однак ті механічні явища, у яких тертя відіграє істотну роль, є «очевидно» необоротними: якщо показувати фільм про такі явища у зворотному порядку, глядачі відразу ж помітять зворотний порядок показу. Наприклад, якщо під час «прямого* показу фільму м’яч, що котиться по траві, природно сповільнюється і так само природно зрештою зупиняється, то під час «зворотного* показу м’яч, що лежить на траві, раптом без будь-якої причини починає котитися, причому швидкість його чомусь збільшуватиметься.
Теплові явища. Серед теплових явищ також є оборотні. Наприклад, під час адіабатного стиснення або розширення газу (тобто за відсутності теплопередачі) газ поводиться подібно пружині: якщо натиснути на поршень, під яким міститься газ у теплоізольованій циліндричній посудині,
а потім відпустити поршень, він почне коливатися — як вантаж, що підвішено до пружини.
Однак ті теплові явища, у яких істотну роль відіграє теплопередача, явно необоротні, тому що поті|« тепла спрямований завжди в один бік — від гарячого тіла до холодного.
Можна було б заперечити, що домашній холодильник здійснює передачу тепла у «зворотному» напрямі — від холодного тіла до гарячого (див. § 25. Теплові двигуни, холодильники і кондиціонери). Але для цього, як ми бачили, необхідно виконувати роботу. Її виконує електродвигун, а електроенергію для його роботи виробляють на електростанції, де роботу виконують теплові двигуни. Роботу ж теплових двигунів завжди супроводжують необоротні процеси, про що йтиметься далі в цьому параграфі.
Необоротність реальних процесів. Оскільки тертя або теплопередача певною мірою присутні в будь-якому процесі, усі процеси, що відбуваються в природі, є необоротними. Наприклад, коливання вантажу, підвішеного на нитці чи пружині, зрештою все ж таки загасають.
2. ЕНЕРГЕТИЧНА ТА ЕКОЛОГІЧНА КРИЗИ
ЕНЕРГЕТИЧНА КРИЗА
«Енергетичну кризу», тобто недостатність енергії для подальшого розвитку промислового виробництва, вважають сьогодні однією з найбільш гострих проблем людства.
Однак як погодити енергетичну кризу із законом збереження енергії: адже якщо енергія зберігається, то як її може не вистачати?
Річ у тім, що енергетична криза полягає не просто в недостатності енергії, а в недостатності енергії, придатної для перетворення в механічну енергію.
Наприклад, ми бачили, що під час роботи теплових двигунів хімічна енергія палива перетворюється на механічну енергію. Це перетворення енергії є необоротним, а запаси палива на нашій планеті постійно зменшуються: наприклад, розвіданих запасів нафти за нинішнього темпу її використання вистачить усього на кілька десятиліть. А темп використання палива продовжує зростати! .
Отже, енергетична криза є наслідком необоротності процесів, що відбуваються в природі і техніці.
ЕКОЛОГІЧНА КРИЗА
Друга, не менш серйозна проблема, що стоїть перед людством, — це «екологічна криза».
Величезні масштаби перетворення енергії вже почали чинити «планетарний» вплив на клімат Землі та склад атмосфери.
Як ви вже знаєте, • для роботи теплових двигунів потрібен холодильник, у контакті з яким робоче тіло віддає йому певну кількість теплоти. В усіх теплових двигунах таким холодильником є навколишнє середовище (атмосферне повітря і вода відкритих водойм). У результаті відбувається підвищення температури навколишнього середовища, яке називають «тепловим забрудненням» (рис. 26.1).
Теплове забруднення зростає тому, що внаслідок згоряння величезної кількості палива підвищується концентрація вуглекислого газу в земній атмосфері, а за великої концентрації вуглекислого газу атмосфера не «випускає» у космічний простір теплове випромінювання нагрітої Сонцем поверхні Землі.
У результаті виникає «парниковий ефект», тобто температура підвищується ще більше.
Тому внаслідок роботи великої і все зростаючої кількості теплових двигунів — в основному на електростанціях і в автомобілях — середня температура на Землі протягом останніх десятиліть невпинно підвищується. Це загрожує глобальним потеплінням з дуже небажаними наслідками, до яких належать кліматичні катастрофи, танення льодовиків і підняття рівня світового океану. .
Крім того, унаслідок спалювання палива в теплових двигунах витрачається необхідний для життя атмосферний кисень, а також утворюються шкідливі речовини, що забруднюють атмосферу.
ОХОРОНА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
Щоб зменшити негативні наслідки роботи теплових двигунів, вчені та інженери діють у двох напрямах: з одного боку, удосконалюють ці двигуни, підвищуючи їхній ККД і зменшуючи викиди шкідливих речовин, з другого боку — використовують енергозберігаючі технології.
У країнах, де ці технології широко застосовуються, споживання енергії на виробництво тієї самої продукції (наприклад, одного автомобіля) у кілька разів нижче, ніж у країнах, де енергозберігаючим технологіям поки що не приділяють належної уваги.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Усі процеси, що відбуваються в природі й техніці, є певною мірою необоротними в часі, тобто можуть протікати тільки в одному напрямі.
Для зменшення шкідливих впливів теплових двигунів на навколишнє середовище підвищують ККД двигунів, зменшують викид шкідливих речовин і використовують енергозберігаючі технології.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Наведіть приклади оборотних та необоротних процесів.
2. У яких випадках процеси і явища можна вважати практично оборотними?
3. Чи може бути оборотним процес, у якому тертя або теплопередача відіграють істотну роль?
4. Чи може механічна робота виконуватися тільки за рахунок охолоджування якогось тіла? Обґрунтуйте свою відповідь.
5. Як впливають теплові двигуни на навколишнє середовище?
6. Чим зумовлена екологічна криза?
7. Як зменшити шкідливий вплив теплових двигунів на навколишнє середовище?
Другий рівень
8. Що означає необоротність процесів у часі?
9. Які механічні явища є практично оборотними, а які — необоротними? Обґрунтуйте свою відповідь.
10. Які теплові явища є практично оборотними, а які — необоротними? Обґрунтуйте свою відповідь.
11. Чи може який-небудь реальний процес бути ідеально оборотним? Обґрунтуйте свою відповідь.
12. Чи пов’язана необоротність процесів із законом збереження енергії? Проілюструйте свою відповідь прикладами.
13. Чому існування енергетичної кризи не суперечить закону збереження енергії?
14. До чого призводить підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері Землі?
ГОЛОВНЕ В ЦЬОМУ РОЗДІЛІ
Внутрішня енергія — це сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, та потенціальної енергії їхньої взаємодії одна з одною.
Внутрішню енергію тіла можна змінити за допомогою теплопередачі без виконання роботи (під час контакту тіл різної температури) і за допомогою виконання роботи.
Перший закон термодинаміки: зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює сумі кількості теплоти, переданої тілу, і роботи, виконаної над тілом:
Друге формулювання: кількість теплоти, передана тілу, дорівнює сумі зміни внутрішньої енергії' тіла і роботи, виконаної тілом:
Основні елементи теплового двигуна: робоче тіло, нагрівник і холодильник. Корисна робота, яку виконує тепловий двигун,
кількість теплоти, отримана робочим тілом від нагрівника, Q2 — кількість теплоти, віддана робочим тілом холодильнику. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна:
Максимально можливий ККД теплового двигуна:
Для зменшення шкідливих впливів теплових двигунів на навколишнє середовище підвищують ККД двигунів, зменшують викид шкідливих речовин та використовують енергозберігаючі технології.
Усі процеси, що відбуваються в природі й техніці, є певною мірою необоротними в часі, тобто можуть протікати тільки в одному напрямі.
Потік тепла спрямований завжди в один бік — від гарячого тіла до холодного.
ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
1. ВИМІРЮВАННЯ ПРИСКОРЕННЯ ТІЛА ПІД ЧАС РІВНОПРИСКОРЕНОГО РУХУ
Мета роботи: вимірити прискорення кульки, що скочується похилим жолобом.
Обладнання: металевий жолоб, штатив із муфтою та затискачем, сталева кулька, металевий циліндр, вимірювальна стрічка, секундомір або годинник із секундною стрілкою.
Опис роботи
Рух кульки, що скочується жолобом, приблизно можна вважати рівноприскореним. За умови рівноприскоре-ного руху без початкової швидкості модуль переміщення s, модуль прискорення а і час руху t пов’язані співвідношенням
Тому, виміривши sit, можна визначити
прискорення а за формулою
Щоб підвищити
точність вимірювання, треба поставити дослід кілька разів, а потім знайти середні значення вимірених величин.
Хід роботи
1. Складіть установку, зображену на рис. Л-1 (верхній кінець жолоба має бути на кілька сантиметрів вище від нижнього). Покладіть у жолоб біля його нижнього кінця металевий циліндр. Коли кулька, скотившись, удариться об циліндр, звук удару допоможе визначити час руху кульки.
2. Позначте на жолобі початкове положення кульки, а також її кінцеве положення — верхній торець металевого циліндра.
3. Вимірте відстань між верхньою та нижньою позначками на жолобі (модуль в переміщення кульки) і результат вимірювання запишіть у таблицю, уміщену в зошиті для лабораторних робіт. Далі наведено заголовок цієї таблиці.
4. Вибравши момент, коли секундна стрілка знаходиться на поділці, кратній десяти, відпустіть кульку без поштовху біля верхньої позначки і виміряйте час t до удару кульки об циліндр.
Повторіть дослід 5 разів, записуючи у таблицю результати вимірювань. Проводячи дослід, щоразу пускайте кульку з одного початкового положення, а також слідкуйте за тим, щоб верхній торець циліндра був біля відповідної позначки.
5. Обчисліть
і результат запишіть у таб
лицю.
6. Обчисліть прискорення, з яким скочувалася кулька:
Результат обчислень запишіть в таблицю.
7. Запишіть у зошиті для лабораторних робіт зроблені вами висновки.
2. ВИМІРЮВАННЯ СИЛ
Мета роботи: вимірити силу тяжіння, силу пружності та силу тертя.
Обладнання: динамометр, три різні тіла масою 100 — 400 г, гумовий джгут, лінійка, дерев’яний брусок, набір тягарців по 100 г.
Опис роботи
Для вимірювання сил використовуйте шкільний динамометр.
1. Вимірювання сили тяжіння. Підвісьте до пружини динамометра яке-небудь тіло. Якщо тіло перебуває у спокої, сила тяжіння, що діє на тіло, компенсується силою пружності розтягнутої пружини динамометра. Отже, визначаючи значення сили пружності за шкалою динамометра, ви вимірюєте силу тяжіння, що діє на це тіло.
2. Вимірювання сили пружності. Прикріпіть до пружини динамометра гумовий джгут і потягніть динамометр в один бік, а джгут — у протилежний. Згідно з третім законом Ньютона сила пружності пружини динамометра дорівнює за модулем протилежно напрямленій силі пружності джгута У такий спосіб ви вимірюєте силу пружності, що виникає унаслідок розтягування гумового джгута.
3. Вимірювання сили тертя. Тягніть рівномірно дерев’яний брусок по поверхні столу так, щоб сила, що діє на брусок з боку динамометра, була спрямована горизонтально. У цьому випадку сила пружності пружини динамометра компенсує силу тертя ковзання, тобто рівна їй за модулем і напрямлена протилежно. У такий спосіб ви вимірюєте силу тертя ковзання, що діє між столом і бруском.
Хід роботи Дослід № 1
1. Підвісьте до динамометра тягарець масою 100 г. Переконайтеся, що сила тяжіння, яка діє на тягарець, компенсується силою пружності пружини динамометра і дорівнює приблизно 1 Н.
2. Підвішуючи до пружини динамометра два, три й чотири тягарці по 100 г, переконайтеся, що сила пружності пружини динамометра дорівнює приблизно 2 Н, З Н, 4 Н відповідно.
3. Підвісьте до динамометра по черзі тіла невідомої маси. Запишіть покази динамометра в таблицю, заголовок якої наведено нижче.
4. Обчисліть масу кожного тіла. Результати запишіть у таблицю. Вважайте, що g = 10 м/с2.
Дослід № 2
1. Прикріпіть до пружини динамометра гумовий джгут.
2. Розтягніть джгут так, щоб сила пружності джгута була 4 Н. Виміряйте лінійкою, чому дорівнює видовження джгута. Результат запишіть у таблицю.
3. Складіть джгут удвічі й знову прикріпіть до динамометра.
4. Ще раз розтягніть джгут так, щоб сила пружності джгута була 4 Н. Знову виміряйте, чому дорівнює видовження джгута. Результат запишіть у таблицю в зошиті для лабораторних робіт.
Дослід № З
1. Покладіть на горизонтальну поверхню парти дерев’яний брусок.
2. Прикріпивши до бруска пружину динамометра, рухайте брусок прямолінійно рівномірно. Покази динамометра запишіть у таблицю.
3. Помістіть на брусок по черзі 1, 2 й 3 тягарці по 100 г. Знову приведіть брусок за допомогою динамометра у стан прямолінійного рівномірного руху і запишіть показання динамометра у таблицю в зошиті для лабораторних робіт.
4. Запишіть у зошиті для лабораторних робіт зроблені вами висновки.
3. ДОСЛІДЖЕННЯ РІВНОВАГИ ТІЛА ПІД ДІЄЮ ДЕКІЛЬКОХ СИЛ1
Мета роботи: підтвердити на досліді умови рівноваги тіла.
Обладнання: тіло неправильної форми з цупкого картону (далі «картон»), три металеві скріпки, міцна нитка, три динамометри, штатив із муфтою й тонким металевим стержнем, набір тягарців по 100 г.
Опис роботи
Щоб підтвердити першу умову рівноваги (рівність нулю векторної суми сил, що діють на тіло), вивчають на досліді рівновагу тіла під дією трьох сил.
Щоб підтвердити другу умову рівноваги (тіло, закріплене на осі, перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, що прагнуть обертати тіло в одному напрямі, дорівнює сумі моментів сил, що прагнуть обертати його в протилежному напрямі), виміряють на досліді суми моментів сил, що прагнуть обертати тіло в протилежних напрямах.
Хід роботи Дослід № 1
1. Прикріпіть за допомогою скріпок та уривків міцної нитки до картону три динамометри так, щоб три точки кріплення ниток були розташовані приблизно на однакових відстанях одна від одної (див. рис. Л-3).
2. Розташуйте картон горизонтально на столі над аркушем паперу.
3. Потягніть за динамометри в різні сторони так, щоб під дією трьох сил картон перебував у спокої. Проведіть на картоні лінії, уздовж яких напрямлені нитки, до яких прикріплено динамометри. Запишіть покази динамометрів.
4. Продовжіть за допомогою лінійки проведені на картоні прямі лінії. Якщо дослід проведено ретельно, ці лінії мають перетнутися в одній точці. З цієї точки вздовж отриманих відрізків направте зображені в одному масштабі сили, що діяли на тіло.
Щоб переконатися, що векторна сума цих сил дорівнює нулю (Ft + F2 + F}- о), побудуйте із векторів сил за допомогою паралельного перенесення трикутник (нагадаємо: якщо три вектори є сторонами трикутника, то векторна сума цих векторів дорівнює нулю).
Дослід № 2
1. Звільніть картон від динамометрів та врівноважте його на вертикально поставленому олівці в горизонтальному положенні. У точці, якою тіло спиралося при цьому на олівець, проробіть у картоні отвір і закріпіть тіло на горизонтальному стержні так, щоб воно могло легко обертатися навколо осі, якою служить стержень.
2. До двох скріпок підвісьте тягарці різної маси: 100 г і 200 г.
3. До третьої скріпки прикріпіть за допомогою нитки динамометр і, потягнувши за нього, урівноважте картон, закріплений на осі. При цьому лінія дії сили, що діє на картон з боку динамометра, має також бути у площині картону. Проведіть на картоні лінії, уздовж яких напрямлені нитки, до яких прикріплено вантажі та динамометр. Запишіть, чому дорівнює вага кожного тягарця, а також покази динамометра.
4. Зніміть картон із стержня і під лінійку продовжіть лінії, проведені на картоні. Проведіть перпендикуляри з осі обертання на лінії дії сил та виміряйте їх довжину — це плечі сил. Отримані значення сил та їхніх плечей запишіть у таблицю в зошиті для лабораторних робіт.
Позначте стрілкою біля кожної сили напрям, у якому ця сила прагне обертати тіло: якщо проти годинникової стрілки, то поставте стрілку, спрямовану вліво, а якщо за годинниковою стрілкою, то вправо.
5. Обчисліть моменти кожної з трьох сил (ваги двох тягарців і сили, прикладеної з боку динамометра), і запишіть У таблицю.
6. Переконайтеся, що тіло перебуває в рівновазі, якщо сума моментів сил, що прагнуть обертати тіло в одному напрямі, дорівнює сумі моментів сил, що прагнуть обертати тіло в протилежному напрямі.
7. Запишіть у зошиті для лабораторних робіт зроблені вами висновки.
4. ДОСЛЩНА ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ БОЙЛЯ—МАРІОТТА
Мета роботи: дослідна перевірка закону Бойля—Маріотта.
Обладнання: скляний циліндр заввишки 50 см, скляна трубка завдовжки 50-60 см, закрита з одного кінця, склянка, пластилін, термометр, лінійка, барометр-анероїд (один на клас), штатив із лапкою, холодна й гаряча вода.
Опис роботи
У циліндр з водою опускають відкритим кінцем униз трубку (див. рис. Л-4). Якщо рівень води в трубці нижче за рівень води в посудині на Л, то тиск повітря в трубці дорівнює сумі атмосферного тиску та тиску стовпа води висотою h. Для спрощення розрахунків можна вимірювати тиск у міліметрах ртутного стовпа. Тоді з урахуванням того, що густина води в 13,6 разів менша за густину ртуті, для повітря в трубці можна записати
атмосферний тиск у міліметрах ртутного стовпа, h — різниця рівнів води в циліндрі й трубці, що вимірюється в міліметрах. У трубці міститься постійна маса повітря, температуру якого можна вважати постійною (кімнатною). Об’єм і тиск повітря, поміщеного в трубку, можна змінювати, змінюючи глибину занурення трубки. Об’єм повітря в трубці V = I S, де І — довжина стовпа повітря; S — площа перерізу трубки.
Оскільки площа поперечного перерізу трубки постійна, довжина стовпа повітря в трубці пропорційна об’єму повітря. Тому для перевірки закону Бойля—Маріотта достатньо
перевірити справедливість рівності
Хід роботи
1. Складіть установку (див. рис. Л-4).
2. Вимірте барометром атмосферний тиск у мм рт. ст.
3. Занурюючи у воду трубку відкритим кінцем униз, вимірте h (повторіть дослід тричі).
4. Результати вимірювань і обчислень занесіть у таблицю в зошиті для лабораторних робіт. Далі наведено заголовок цієї таблиці.
5. Запишіть у зошиті для лабораторних робіт зроблені вами висновки.
5. ВИМІРЮВАННЯ ВІДНОСНОЇ ВОЛОГОСТІ ПОВІТРЯ
Мета роботи: навчитися визначати вологість повітря.
Обладнання: психрометр; склянка з водою; психрометрична таблиця.
Опис роботи
Психрометр складається з двох однакових термометрів, один з яких обгорнуто вологою тканиною. Якщо водяна пара в повітрі не насичена, то вода з тканини випаровуватиметься, завдяки чому покази вологого термометра будуть меншими, ніж сухого.
Що інтенсивніше випаровується вода (тобто що менш вологість повітря), то нижчими є покази «вологого термометра». За різницею показів двох термометрів можна вимірювати вологість повітря. З цією метою складають так звані психрометричні таблиці, за допомогою яких визначають конкретні значення відносної вологості повітря.
Хід роботи
1. На початку уроку налийте воду в резервуар термометра, обгорнутого марлею (див. рис. Л-5).
2. Зачекавши хвилин 20-25 (доки покази вологого термометра перестануть змінюватися)1, запишіть покази сухого і вологого термометрів у таблицю в зошиті для лабораторних робіт. Далі наведено заголовок цієї таблиці.
3. За допомогою психрометричної таблиці визначте відносну вологість повітря.
4. Запишіть у зошиті для лабораторних робіт зроблені вами висновки.
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев