Физика · конспекты
★0
Физика › 8 класс › Изменение агрегатных состояний вещества

Тема 22Работа газа при расширении

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Тепловой двигательтеплоохлаждаетсяодин разИван Иванович ПолзуновДжеймс Уатт

Сначала люди облегчали труд простыми механизмами — рычагами и блоками. Потом научились заставлять работать тепло.

Опыт

Пробирку с водой закрывают пробкой и нагревают. Вода закипает, пар давит на пробку и выбивает её.

Пар выталкивает пробку — совершает работу
Пар выталкивает пробку — совершает работу Иллюстрация: light-fizika.ru

Цепочка превращений энергии:

энергия топлива → внутренняя энергия воды и пара → механическая энергия пробки\text{энергия топлива}\ \to\ \text{внутренняя энергия воды и пара}\ \to\ \text{механическая энергия пробки}
Запомни

Расширяясь и совершая работу, пар охлаждается: его внутренняя энергия уменьшается (вспомни тему «Способы изменения внутренней энергии»).

Из опыта видно три важных обстоятельства:

  1. часть энергии неизбежно уходит на нагревание пробирки и воздуха;
  2. нагреватель должен быть горячее воды — иначе теплота не пойдёт к ней;
  3. работа совершается один раз. Чтобы машина работала непрерывно, рабочее тело (пар) нужно каждый раз возвращать в исходное состояние.
Определение

Тепловой двигатель — машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Из истории

В России первый паровой двигатель для заводских мехов в 1765 г. построил на Алтае Иван Иванович Ползунов. Английский изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал паровую машину: добавил отдельный конденсатор, где пар охлаждался, и превратил движение поршня во вращение колеса.

Паровая машина Уатта: котёл, цилиндр с поршнем, конденсатор, маховик
Паровая машина Уатта: котёл, цилиндр с поршнем, конденсатор, маховик Иллюстрация: light-fizika.ru
Образ для запоминания

Тепловой двигатель — «превращатель»: топливо → тепло → работа. Газ толкает поршень — и сам остывает.

⚗ Мини-опыт

Зажгите горелку и проследите цепочку превращений энергии: топливо → вода → пар → пробка. Сколько раз пар выталкивает пробку? Что нужно, чтобы двигатель работал непрерывно?

▶ Симуляция PhET

Накачайте газ в сосуд и нагревайте его. Следите за давлением: когда оно станет слишком большим, газ сам поднимет крышку — совершит работу.

Свойства газаОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Что совершает работу, когда пробка вылетает из пробирки?
Пар давит на пробку и выталкивает её.
2Что происходит с внутренней энергией пара, когда он выталкивает пробку?
Пар сам совершает работу и тратит на неё внутреннюю энергию.
3Что такое тепловой двигатель?
Двигатель «превращает тепло в работу».

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Какие превращения энергии происходят в опыте с пробиркой?

    Ответ

    Энергия топлива → внутренняя энергия воды и пара → кинетическая энергия пробки.

    Как получилось?

  2. Каким способом пар получает энергию от горелки?

    Ответ

    Теплопередачей.

    Как получилось?

  3. Почему опыт с пробиркой — ещё не двигатель?

    Ответ

    Пар совершает работу только один раз, а двигатель должен работать непрерывно.

    Как получилось?

  4. Кто построил первый в России паровой двигатель?

    Ответ

    И. И. Ползунов (1765 г.).

    Как получилось?

  5. Может ли тепловой двигатель работать, если нагреватель холоднее рабочего тела?

    Ответ

    Нет: теплота сама переходит только от горячего тела к холодному.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Газу передали 800 Дж теплоты, его внутренняя энергия увеличилась на 500 Дж. Какую работу совершил газ?

    Ответ

    A=800−500=300A=800-500=300 Дж.

    Как получилось?

  2. Газ совершил работу 200 Дж, а его внутренняя энергия уменьшилась на 50 Дж. Сколько теплоты получил газ?

    Ответ

    Q=200−50=150Q=200-50=150 Дж.

    Как получилось?

  3. Пробка массой 5 г вылетела со скоростью 10 м/с. Какую кинетическую энергию она получила? Почему это намного меньше теплоты, выделившейся при сгорании топлива?

    Ответ

    Eк=0,005⋅1022=0,25E_\text{к}=\dfrac{0{,}005\cdot10^2}{2}=0{,}25 Дж. Почти вся теплота ушла на нагрев воды, пробирки и воздуха.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Тепловой двигатель
Машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую.
Газ совершает работу
Его внутренняя энергия уменьшается — газ охлаждается.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.