Физика 8 класс учебник Перышкин, Иванов - страница 54

   Принцип сохранения механической энергии утверждает, что в изолированной системе, где единственными действующими силами являются консервативные (такие как гравитационная или упругая), суммарная механическая энергия, представляющая собой сумму кинетической и потенциальной составляющих, остается неизменной. Иными словами, механическая энергия не создается и не уничтожается, а лишь трансформируется между своими формами. При снижении потенциальной энергии происходит соответствующее увеличение кинетической, и наоборот.
   Формально это выражается уравнением: E_п + E_к = const.

   Полная энергия системы тел представляет собой совокупность всех видов энергии, присущих данной системе. Она включает в себя механическую составляющую, охватывающую кинетическую энергию движения тел и потенциальную энергию их взаимного расположения, а также внутреннюю энергию, которая обусловлена тепловым движением составляющих систему частиц и силами их межатомного/межмолекулярного взаимодействия.
   Математическое выражение:

   E = E_мех + U

   Где:
   E_мех — механическая энергия, суммирующая энергию поступательного и вращательного движения тел, а также энергию их гравитационного, электростатического или иного взаимодействия.
   U — внутренняя энергия, включающая в себя кинетическую энергию хаотического теплового движения атомов и молекул, а также потенциальную энергию их взаимодействия.

   Система, не вступающая в обмен ни энергией, ни веществом с внешней средой, классифицируется как изолированная. Это означает, что на нее не оказывается внешнее воздействие (работа A равна нулю), и отсутствует теплопередача с окружением (теплота Q также равна нулю). В рамках такой системы наблюдаются следующие закономерности:
   Внутренняя энергия системы остается постоянной (изменение внутренней энергии ΔU равно нулю).
   При наличии температурных различий между компонентами системы происходит внутренний теплообмен. Однако суммарное количество теплоты, отданное одними частями системы, точно компенсируется количеством теплоты, полученным другими частями (Q_отд = Q_пол).

   Закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам формулируется так: изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе: ΔU = A + Q. Это означает, что теплота, переданная системе, либо идёт на изменение её внутренней энергии, либо на совершение работы против внешних сил.
   Например:
   • если газ сжимают (совершают работу над ним, A > 0) и при этом передают ему тепло (Q > 0), его внутренняя энергия возрастает;
   • если газ расширяется и совершает работу (A < 0), а тепло не подводится (Q = 0), внутренняя энергия уменьшается.

   Работа, совершаемая силой, действующей на поршень со стороны газа, будет отрицательной. Объясняется это следующим образом:    • при сжатии газа поршень движется в сторону газа, уменьшая объём;
   • сила давления газа направлена против движения поршня (газ сопротивляется сжатию);
   • по определению работы: A = F ∙ s ∙ cosα, где α — угол между направлением силы и перемещения. В данном случае α = 180° (сила и перемещение противоположны), cos(180°) = –1, следовательно, A < 0.

   Да, будет зависеть. Причина в том, что при нагревании газа его объём может изменяться, и это влияет на распределение подводимой энергии:
   Если поршень закреплён (объём постоянен): вся подводимая теплота идёт на увеличение внутренней энергии газа (газ нагревается, давление растёт). Это процесс изохорный (V = const), Q = ΔU.
   Если поршень не закреплён (газ может расширяться): часть подводимой теплоты идёт на совершение работы по перемещению поршня (расширение газа), а остальная часть — на увеличение внутренней энергии. Это процесс изобарный (P = const), Q = ΔU + A.
   Таким образом, для достижения одной и той же температуры газа в случае подвижного поршня потребуется больше теплоты, так как часть энергии уйдёт на работу по расширению газа.