Решение задач на преобразование энергии.

    Преобразование энергии

8 класс

Преобразование энергии из одного вида в другой постоянно происходит в природе и технике. Например, при сжигании топлива происходит переход внутренней энергии топлива в внутреннюю энергию нагреваемого тела или окружающей среды. В тепловых двигателях происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию, возможен переход механической энергии в внутреннюю.

При всех этих преобразованиях часть энергии теряется, например, в окружающую среду.

Конечную энергию называют полезной энергией, вид ее зависит от цели преобразования.

Тепловой двигатель предназначен  для того, что бы  что-то двигать, то есть получить механическую энергию, значит, полезной энергией является механическая энергия. Нагреватель предназначен для того, чтобы что-то нагревать, значит, полезная энергия в этом случае тепловая энергия нагревания. Начальную энергию называют затраченной энергией. Из-за потерь начальная энергия больше , чем конечная. Коэффициент полезного действия ( К.П.Д.) - 

Задача 1.

В печи сжигается 5 кг дров для нагревания 10 кг воды при начальной температуре 10 гр.С.

Определить конечную температуру воды, если к.п.д. нагревания 5%.

Решение.

Полезная энергия – теплота нагревания воды:

Затраченная энергия – теплота сгорания топлива: .

 удельная теплота сгорания топлива, находится по таблице, для дров равна

10 МДж/кг.  К.П.Д. по определению  .

Находим неизвестную конечную температуру воды.

Задача 2.

Автомобиль, сжигая 25 литров бензина на каждые 100 км движения , развивает силу тяги, в среднем, равную 1 Кн. Определить коэффициент полезного действия автомобиля.

Решение.

Полезной энергией является механическая энергия, за счет которой автомобиль совершает работу  . Затраченной энергией будет теплота сгорания топлива (бензина).

Удельная теплота сгорания бензина (по таблице) равна 44 МДж/кг.

Масса сгораемого бензина на каждые S=100 км равна :

К.П.Д. по определению :

Решение.

На первом участке, который длится 1 мин, происходит нагревание льда от -30 гр.С до нуля. Удельная теплоемкость льда С_л =2100 Дж/кг гр. Теплота сгорания топлива

 Где  скорость расхода топлива, t – время работы.

Для первого участка запишем уравнение теплового баланса:

     Теплота сгорания топлива входит в уравнение теплового баланса со знаком минус, потому что внутренняя энергия топлива уменьшается.

Определим неизвестную начальную массу льда:

На втором участке происходит плавление льда. Запишем уравнение теплового баланса для этого процесса:

Задача 4.

В железном сосуде массой 1 кг находится 1 кг воды при температуре 20 гр.С. В воду положили железный горячий предмет массой 1 кг при температуре 250 гр.С. и сразу же сосуд поставили на газовую горелку. На газовой горелке каждую секунду сгорает 0,1 г природного газа. Через какое время вода на горелке закипит? Потерями тепла пренебречь.

Решение.

Теплота нагревания воды :

Теплота нагревания железного сосуда:       

Теплота охлаждения железного предмета :       

Теплота сгорания топлива при к.п.д. =100%  

Уравнение теплового баланса:

Удельная теплоемкость железа (по таблице) 

Задача 5.

Механический железный молот массой 1 Т падает с высоты 3 м на железную наковальню массой 500 кг. На сколько градусов увеличится температура молота и наковальни при условии, что вся механическая энергия переходит в тепловую.

Решение.

Потенциальная энергии поднятого на высоту h  молота равна: .

Количество теплоты нагревания молота и наковальни:

Поскольку вся механическая энергия перешла в тепловую без потерь, то

Задача 2.

Железный метеорит влетает в атмосферу Земли со скоростью V= 1500 м/сек , имея температуру 300К. Если принять, что в результате торможения в атмосфере 80% кинетической энергии идет на нагревание метеорита, то сколько процентов от массы метеорита может расплавиться? Температура плавления железа 1530 гр.С, удельная теплота плавления 300 КДж/кг , удельная  теплоемкость 400 Дж/кг гр.

Решение.

По закону сохранению энергии вся выделившаяся при торможении метеорита теплота идет на изменение его внутренней энергии.

При увеличении своей внутренней энергии метеорит нагревается до температуры плавления и k – я   часть его расплавится.

Ответ: расплавится 99,6% массы метеорита.