Номер 2, страница 214 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. I. История развития физики - номер 2, страница 214.

Условие.

• Роль экспериментальных методов исследования в открытии закона сохранения энергии для тепловых процессов.

Решение.

Роль экспериментальных методов исследования в открытии закона сохранения энергии для тепловых процессов.

Открытие закона сохранения и превращения энергии, в частности его применение к тепловым процессам (первое начало термодинамики), было бы невозможно без ключевых экспериментальных исследований, которые опровергли господствовавшую теорию теплорода и установили эквивалентность механической работы и количества теплоты.

Долгое время теплота считалась невесомой жидкостью — теплородом, которая перетекает от горячих тел к холодным. Согласно этой теории, количество теплорода в замкнутой системе было постоянно.

Ключевую роль в опровержении этой теории и становлении современного понимания энергии сыграли следующие эксперименты:

1. Опыты графа Румфорда (Бенджамина Томпсона) в 1798 г. Наблюдая за сверлением пушечных стволов на заводе, он был поражен огромным количеством теплоты, выделявшимся в процессе. Он заметил, что теплота выделяется до тех пор, пока продолжается работа, и ее количество казалось неисчерпаемым. Это противоречило идее о конечном запасе теплорода в металле. Румфорд пришел к выводу, что теплота — это не вещество, а результат движения (механической работы).

2. Опыты Гемфри Дэви в 1799 г. Дэви экспериментально доказал, что два куска льда можно расплавить путем их трения друг о друга в вакуумированном пространстве при температуре ниже нуля. Единственным источником теплоты в этом опыте была механическая работа, затраченная на трение. Этот эксперимент наглядно продемонстрировал превращение работы в теплоту.

3. Работы Юлиуса Роберта фон Майера в 1842 г. Будучи врачом, Майер заметил, что венозная кровь у людей в жарких тропиках имеет более яркий алый цвет, чем в Европе. Он предположил, что для поддержания температуры тела в жарком климате организму требуется сжигать меньше пищи. Майер связал химическую энергию пищи, теплоту тела и выполняемую работу, впервые сформулировав идею о количественной эквивалентности теплоты и работы и высказав закон сохранения энергии в общей форме.

4. Эксперименты Джеймса Прескотта Джоуля (1843–1878 гг.). Именно Джоуль поставил точку в этом вопросе, проведя серию точнейших экспериментов по определению механического эквивалента теплоты. В его самом известном опыте падающие грузы вращали лопасти внутри калориметра с водой. Механическая работа падающих грузов $\text{A}$ приводила к нагреванию воды. Джоуль тщательно измерял совершенную работу и количество теплоты $\text{Q}$, выделившееся в воде. Он установил, что между ними существует строгое количественное соотношение: $A = J \cdot Q$, где $\text{J}$ — механический эквивалент теплоты. Его измерения дали значение, очень близкое к современному (около $4.18$ Дж/кал). Эти опыты неопровержимо доказали, что теплота является формой энергии, и заложили экспериментальную основу для первого начала термодинамики: $Q = \Delta U + A$, где $\text{Q}$ — количество теплоты, переданное системе, $\Delta U$ — изменение ее внутренней энергии, а $\text{A}$ — работа, совершенная системой.

Таким образом, именно экспериментальные методы, от качественных наблюдений Румфорда и Дэви до точных количественных измерений Джоуля, позволили науке отказаться от устаревшей теории теплорода и сформулировать один из фундаментальнейших законов природы — закон сохранения энергии.

Ответ: Экспериментальные методы сыграли решающую роль в открытии закона сохранения энергии для тепловых процессов. Опыты Румфорда (сверление пушек), Дэви (трение льда) и, в особенности, количественные эксперименты Джоуля по определению механического эквивалента теплоты доказали, что теплота является формой энергии, а не веществом (теплородом), и что механическая работа может переходить в теплоту в строго определенном эквиваленте. Это стало экспериментальным фундаментом для формулировки первого начала термодинамики.

Из истории изобретения тепловых машин и двигателей.

История создания тепловых машин — это путь от простейших устройств к сложным и эффективным двигателям, который стал движущей силой промышленной революции и определил облик современного мира.

1. Ранние прототипы. Первым известным прототипом паровой турбины является эолипил Герона Александрийского (I век н.э.), представлявший собой шар, вращающийся под действием реактивной силы вырывающихся из него струй пара. Однако это устройство оставалось лишь игрушкой.

2. Первые паровые насосы. Практическая потребность в откачке воды из шахт стимулировала изобретения в XVII-XVIII веках.
• Томас Севери (1698 г.) создал «друга шахтера» — паровой насос без движущихся частей, который работал за счет давления пара и его последующей конденсации для создания вакуума. Машина была неэффективной и опасной.
• Томас Ньюкомен (1712 г.) изобрел первую коммерчески успешную паровую машину — атмосферный двигатель. В нем пар, поступая в цилиндр, вытеснял поршень, а при впрыскивании холодной воды конденсировался. Под действием атмосферного давления поршень опускался, совершая полезную работу. Эти машины были громоздкими и имели низкий КПД, но широко использовались для водоотлива.

3. Усовершенствования Джеймса Уатта. Шотландский инженер Джеймс Уатт не изобрел паровую машину, но его усовершенствования сделали ее универсальным двигателем промышленной революции.
• Отдельный конденсатор (1769 г.). Главное изобретение Уатта. Он вынес процесс конденсации пара в отдельный сосуд, что позволило поддерживать цилиндр постоянно горячим и увеличить КПД в несколько раз.
• Двигатель двойного действия, планетарный механизм и центробежный регулятор. Эти нововведения позволили машине совершать работу при движении поршня в обе стороны, преобразовывать поступательное движение во вращательное и автоматически поддерживать постоянную скорость, что сделало возможным ее применение на фабриках и заводах.

4. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Следующим революционным шагом стало создание ДВС, где топливо сгорает непосредственно в рабочем цилиндре.
• Этьен Ленуар (1860 г.) создал первый коммерчески успешный, хотя и малоэффективный, ДВС, работавший на светильном газе.
• Николаус Отто (1876 г.) изобрел практичный четырехтактный двигатель, работающий по циклу, который и сегодня носит его имя (впуск-сжатие-рабочий ход-выпуск). Это был прорыв в эффективности и надежности.
• Карл Бенц и Готлиб Даймлер (1880-е гг.) создали легкие и быстроходные бензиновые двигатели, что привело к появлению первого автомобиля в 1886 г. (Benz Patent-Motorwagen).
• Рудольф Дизель (1892 г.) запатентовал двигатель с воспламенением от сжатия, который не нуждался в свече зажигания и обладал более высоким КПД, особенно при больших нагрузках.

5. Теоретическая основа. Параллельно с практическими изобретениями развивалась и теория. Французский инженер Сади Карно в работе «Размышления о движущей силе огня» (1824 г.) заложил основы термодинамики, определив идеальный термодинамический цикл (цикл Карно) и выведя формулу максимального КПД тепловой машины: $ \eta_{max} = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}} $, где $T_{нагр}$ и $T_{хол}$ — абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Его работа показала пути повышения эффективности тепловых двигателей.

Ответ: История изобретения тепловых машин прошла путь от первых паровых насосов Севери и Ньюкомена, предназначенных для откачки воды, до универсальной паровой машины Джеймса Уатта, ставшей основой промышленной революции. Дальнейшее развитие привело к созданию более компактных и эффективных двигателей внутреннего сгорания (Отто, Дизель), которые произвели революцию в транспорте. Теоретические работы, прежде всего Сади Карно, заложили научную основу для понимания принципов работы и повышения эффективности тепловых двигателей.