Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 19 Види машин і механізмів. Перетворення енергії в механічних і теплових процесах

Ви дізнаєтесь

- Про види машин і механізмів

- Що потрібно знати, щоб сконструювати машину

Пригадайте

- Приклади перетворення механічної енергії

Види машин і механізмів. Здавна люди займалися конструюванням механізмів, які допомагали виконувати важку роботу. Спочатку вони використовували прості механізми — важелі, похилу площину, блоки тощо. Відтоді як людство пізнало закономірності перебігу теплових явищ, учені намагались винайти спосіб використання теплової енергії, зокрема перетворення її в механічну.

З’ясуймо, що таке механізм і машина, що в них спільного та чим вони відрізняються.

Механізм — це система взаємопов’язаних тіл, що призначена для перетворення руху одного або декількох тіл у потрібний рух інших тіл.

Механізм складає основу більшості машин і застосовується в різноманітних технічних об’єктах.

Машина — технічний об’єкт, що складається із взаємопов’язаних функціональних частин (деталей, вузлів, пристроїв, механізмів тощо),

який використовує енергію для виконання покладених на нього функцій.

Пилосмок і холодильник, літак і підйомний кран, ткацький верстат і комбайн, велосипед та автомобіль — усе це приклади машин (мал.63, с. 90). Зверніть увагу на те, що, незважаючи на відмінності в зовнішньому вигляді та призначенні, матеріалах, з яких їх зроблено, вони мають спільну назву — «машини». Чому? По-перше, тому, що всі вони виконують потрібну людині роботу. По-друге, для її виконання всім машинам потрібна енергія. І по-третє, спільним для всіх машин є наявність трьох основних частин: робочого органа, двигуна та механізму, що їх зв’язує. За відсутності однієї з частин машина не працюватиме.

Робочі органи машин можуть бути різними. У гелікоптера — пропелер, в екскаватора — ківш, у велосипеда — колеса. Назва «робочий орган» свідчить про те, що ця частина допомагає людині виконувати ту роботу, задля якої машину створили.

Мал. 63. Деякі види машин

Призначення двигуна — перетворювати один вид енергії на інший. У двигунах таких машин, як автомобіль, мотоцикл, трактор, хімічна енергія палива перетворюється на теплову, а потім — на механічну.

Двигуни пилосмока, пральної машини перетворюють електричну енергію, що надходить до них із електромережі, на механічну. Усі двигуни, зокрема й електродвигуни, під час роботи нагріваються. Це означає, що частина спожитої енергії перетворюється на теплову.

У велосипеда або ручної м’ясорубки двигуна немає. Чому ж їх також називають машинами? Тому що роль двигуна в них відіграє людина, витрачаючи на виконання роботи свою енергію.

Робочий орган і двигун з’єднані між собою механізмом. У багатьох машин — це прості механізми (важіль, блок, ланцюг, пасок) або їх поєднання. Так, механізм велосипеда є поєднанням таких простих механізмів: важіль, вісь, зубчасте колесо (шестерня), ланцюг.

До сучасних досягнень людини в удосконаленні машин можна зарахувати об’єднання кількох машин в одну. Прикладом таких машин є комбайни, без яких не обійтися під час збирання врожаю зернових культур і цукрових буряків, добування вугілля й навіть роботи на кухні. Так, зернозбиральний комбайн поєднує жниварку (скошує зернові рослини), молотарку (обмолочує рослини), віялку (очищує зерно), транспортер (переміщує зерно на вантажівку), скиртоукладач (збирає солому у скирти).

А чи можна поєднати в одній машині телевізор, магнітофон, калькулятор, телефон, друкарську машинку? Здогадалися? Це комп’ютер, смартфон або інший ґаджет.

Попередником сучасних комп’ютерів була електронно-обчислювальна машина. Одну з перших електронно-обчислювальних машин побудовано в Києві в 1951 р. під керівництвом академіка С. О. Лебедєва.

Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Пригадаймо, що нам відомо про перетворення енергії. Вивчаючи механічні явища в 7 класі, ви переконалися, що кінетична енергія тіла може перетворюватися в його потенціальну енергію й навпаки.

Пригадаємо дослід з м’ячем. М’яч, піднятий над землею, має потенціальну енергію. Якщо утримувати м’яч — його кінетична енергія дорівнюватиме нулю. Як тільки відпустити м’яч, він почне падати. З кожною миттю його висота зменшуватиметься, а отже, зменшуватиметься й потенціальна енергія. У той же час він набуває швидкості — отже, його кінетична енергія збільшується. Перед самим дотиком до землі потенціальна енергія м’яча дорівнює нулю, а кінетична енергія є максимальною. У цьому разі говорять, що потенціальна енергія тіла перетворилась у кінетичну. При цьому повна механічна енергія системи тіл, що дорівнює сумі їх потенціальної та кінетичної енергії, залишилась незмінною.

Отже, якщо тіла взаємодіють в ізольованій системі (у системі, в якій відсутні сили тертя), то їхня повна механічна енергія зберігається: EK + EП = const . Це закон збереження механічної енергії.

У природі та техніці можна спостерігати багато фізичних явищ і процесів, у яких відбувається не лише перетворення складових механічної енергії, а й взаємоперетворення інших її видів.

На початку вивчення теплових явищ ми з’ясували, що механічна енергія тіла може перетворюватись у його внутрішню енергію. Шайба, що вільно ковзає по льоду, з часом зупиниться під дією сили тертя. Її кінетична енергія не зникне, а перетвориться в теплову: температура шайби та льоду дещо підвищиться.

Отже, можливий і зворотний процес: перетворення внутрішньої енергії тіла в механічну.

Переконаємось у цьому на дослідах. Візьмемо циліндр із поршнем, покладемо на нього вантаж, наприклад гирю, і почнемо нагрівати газ у циліндрі під поршнем (мал. 64, а).

З підвищенням температури газу поршень почне поступово рухатися вгору, оскільки внаслідок нагрівання газ розширюється. Отже, під час теплообміну газ виконує механічну роботу, піднімаючи вантаж на певну висоту. Якщо нагрівання газу припинити, то завдяки теплообміну з навколишнім середовищем його температура й об’єм зменшуватимуться, а поршень почне рухатися вниз.

Як «робоче тіло» може бути використана і звичайна вода (мал. 64, б).

Унаслідок нагрівання вода закипає, тиск утвореної водяної пари збільшується і вона виштовхує поршень. Отже, унаслідок нагрівання збільшується внутрішня енергія води, яка згодом перетворюється на пару. Внутрішня енергія пари переходить у механічну енергію поршня, за рахунок якої виконується механічна робота.

Мал. 64. Виконання механічної роботи за рахунок зміни внутрішньої енергії: а — газу; б — водяної пари

Такі перетворення можна виразити в кількісних співвідношеннях. Позначимо зміну внутрішньої енергії тіла ∆U, виконану тілом роботу А і надану тілу кількість теплоти Q. Тоді перетворення енергії в теплових процесах можна записати у вигляді Q = ∆U + A (за умови, що перетворення відбуваються в замкненій системі без зовнішніх втрат енергії). Цей вираз має назву першого закону термодинаміки (термодинаміка — фізична теорія, яка вивчає взаємне перетворення теплової та механічної енергії).

Перший закон термодинаміки: кількість теплоти, передана системі, йде на збільшення внутрішньої енергії системи та виконання нею роботи:

Q = ∆U + А.

Підбиваємо підсумки

- Механізм складає основу більшості машин і застосовується в різноманітних технічних об’єктах.

- Спільним для всіх машин є наявність трьох основних частин: робочого органа, двигуна й механізму, що їх зв’язує.

- Перетворення енергії (за умови, що перетворення відбуваються в замкненій системі без зовнішніх втрат енергії) в теплових процесах підпорядковується співвідношенню: кількість теплоти Q, передана системі, йде на збільшення внутрішньої енергії системи ∆U та виконання нею роботи А: Q = ∆U + A.

Я знаю. вмію й розумію

1. Що спільного та відмінного між механізмом і машиною?

2. Який фізичний закон є визначальним для пояснення принципу роботи простого механізму? Теплової машини?

3. Як відбувається перетворення енергії в механічних і теплових процесах?

4. У чому полягає закон збереження і перетворення енергії в механічних і теплових процесах?

ПОЯСНІТЬ

1. Які перетворення енергії відбуваються під час пострілу з гармати?

2. Розгляньте малюнок 63 (с. 90). Поясніть призначення зображених машин.




Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити