Из учебника за 7-й класс.

§ 6-г. Энергия

Вспомним, что с термином "КПД" мы познакомились на примере с погрузкой яблок, а с термином "мощность" – на примере работы подъемных кранов. Рассмотрим теперь несколько ситуаций, которые помогут нам ввести термин "энергия".

Грузчики способны выполнять механическую работу. Поэтому говорят, что они обладают энергией. При этом энергия толстячка больше, так как он способен выполнить больше работы.

Ситуация первая – грузчики работают на стройке. Посмотрите на рисунок. Один из них может поднимать по десятку кирпичей, а другой – только по два кирпича.

Говорят, что у толстячка больше энергии, так как он способен выполнить больше работы. Тем не менее и он не может работать бесконечно. Грузчики утомляются, и им нужно "подкрепиться". То есть по мере совершения грузчиками работы их способность совершать новую работу (то есть их энергия) уменьшается. Обобщенно мы скажем: при совершении телом механической работы его собственная энергия уменьшается.
Совершая механическую работу над камнем, человек тратит свою энергию, и она уменьшается. Однако энергия камня при этом возрастает. Теперь он может, например, разбить орех, то есть совершить работу, на выполнение которой прежней энергии было недостаточно.

Ситуация вторая. Первобытный человек совершает механическую работу над камнем – поднимает его. В отличие от первой ситуации, в качестве рассматриваемого тела выберем теперь не человека, а камень. То есть теперь работу совершает не само тело, а кто-то над телом. В результате этого энергия тела увеличивается. Теперь камень может, например, упасть и разбить орех, то есть совершить работу, на выполнение которой прежней энергии камня было недостаточно.

Итак, энергия – физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу. Энергия измеряется джоулями. Чем больше работы может совершить тело, тем больше его энергия. И наоборот.
Грузчик совершает механическую работу - поднимает кирпичи. Допустим, он совершил 40 Дж работы. Следовательно, его энергия уменьшилась на 40 Дж. Одновременно энергия кирпичей возросла на 40 Дж.

При совершении механической работы энергия тел обязательно изменяется: у одних тел она уменьшается, у других – увеличивается. Например, при раскалывании ореха энергия камня уменьшается, а энергия ореха (точнее, уже его осколков) увеличивается. Это подтверждается тем, что осколки, приобретая большую скорость, разлетаются далеко от того места, где лежал орех.

Аналогично, при подъеме кирпичей энергия грузчика уменьшается, а энергия кирпичей увеличивается. Запомните: работа – мера изменения энергии. Это значит, что изменение энергии тел (ее возрастание или убывание) равно совершенной работе. Например, сколько джоулей работы совершит грузчик, поднимая кирпичи, на столько же джоулей уменьшится его энергия, и на столько же джоулей увеличится энергия кирпичей.

§ 6-е. Внутренняя энергия

Наряду с механической энергией тел и ее разновидностями – кинетической и потенциальной энергией, в физике изучают и так называемую внутреннюю энергию тел.
Взлетающая ракета движется вверх, значит ее потенциальная энергия возрастает. Ракета наращивает скорость, значит, кинетическая энергия тоже увеличивается. Ракета совершает работу - поднимает груз. На все это расходуется внутренняя энергия ее топлива.

Вы видите взлетающую ракету. Она совершает работу – поднимает необходимый груз. Кинетическая энергия ракеты возрастает, так как по мере подъема ракета приобретает все большую скорость. Потенциальная энергия ракеты также возрастает, так как она все выше поднимается над Землей. Следовательно, сумма этих энергий, то есть механическая энергия ракеты, тоже увеличивается.

Мы помним, что при совершении телом работы его энергия уменьшается. Однако ракета совершает работу, а ее энергия не уменьшается, а увеличивается! В чем же разгадка противоречия? Оказывается, что кроме механической энергии, существует еще один вид энергии – внутренняя энергия. Именно за счет внутренней энергии сгорающего в ракете топлива она совершает механическую работу (поднимает необходимый груз) и, кроме того, увеличивает свою механическую энергию.
Опыт с манометром и горячей гирей демонстрирует превращение внутренней энергии в механическую работу. Гиря согревает воздух в коробочке, он расширяется и передвигает жидкость в манометре.

Не только горючие, но и горячие тела обладают внутренней энергией, которую можно легко превратить в механическую работу. Проделаем опыт. Нагреем в кипятке гирю и поставим на жестяную коробочку, присоединенную к манометру. По мере того, как воздух в коробочке будет прогреваться, жидкость в манометре будет передвигаться. Расширяющийся воздух совершает над ней работу. За счет какой энергии это происходит? Разумеется, за счет внутренней энергии гири. Следовательно, в этом опыте мы наблюдаем превращение внутренней энергии тела в механическую работу. Заметим, что механическая энергия гири в этом опыте не менялась.

Итак, обобщаем: внутренняя энергия – это такая энергия тела, за счет которой может совершаться механическая работа, не вызывая при этом убыли механической энергии этого тела. Внутренней энергией обладают все тела: большие и маленькие, горячие и холодные, твердые, жидкие и газообразные.
Схема символизирует, что кинетическая и потенциальная энергия - разновидности механической энергии. Иногда выделяют и условные разновидности внутренней энергии - тепловую, ядерную и атомную, а также другие виды энергии.


Внутренняя энергия любого тела зависит от множества причин: рода и агрегатного состояния его вещества, массы и температуры тела и многих других. Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь, образно говоря, "горячих" и "горючих" веществ и тел. Это нефть, уголь, вулканические воды и так далее. Кроме того, в XX веке человек научился использовать и внутреннюю энергию так называемых радиоактивных элементов. Это, например, уран, плутоний и другие.

В технической и научно-популярной литературе встречаются упоминания о тепловой, химической, атомной, ядерной и других видах энергии. Они, как правило, являются условными разновидностями внутренней энергии. По мере дальнейшего изучения физики мы познакомимся с этими и другими видами внутренней энергии.

а теперь для самых умных - физика за 9-й класс. =)

§ 17-ж. Энергия связи ядра

Как вам известно, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительные заряды. Однако ядра являются устойчивыми образованиями, хотя одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Какие же силы удерживают ядра от распада? Ядра не распадаются благодаря действию ядерных сил. Они действуют только на расстояниях порядка 10-15 м и в пределах ядра приблизительно в 100 раз больше кулоновских. Для разделения ядра на отдельные нуклоны нужно совершить работу против таких сил. Энергия, равная этой работе, называется энергией связи. Как же практически определить ее значение?

В этом помог выясненный с помощью масс-спектрографа интересный факт. Оказалось, что масса отдельных нуклонов больше, чем масса образованного ими ядра. Например, масса ядра атома азота ?? составляет 14,003 а.е.м, а масса отдельно взятых нуклонов, входящих в его состав – 14,115 а.е.м., то есть возникал так называемый дефект массы в 0,112 а.е.м. Этот факт объяснила созданная в 1905 г теория Эйнштейна. В ней утверждается, что масса и энергия любого тела взаимосвязаны. Уменьшение масс нуклонов означает потерю ими части своей энергии, которая при образовании ядра переходит в энергию связи его нуклонов. Энергия связи ядер определяется по формуле:

...

m – разность масс отдельных нуклонов и ядра
с – скорость света в вакууме

Согласно этой формуле, энергия связи рассмотренного ядра азота равна: 0,112 . 1,7 . 10-27 кг . 9.1016 м2/с2 = 1,7 . 10-11Дж.

Важной характеристикой атомного ядра является его удельная энергия связи. Ее определяют экспериментальным путем. Она показывает, какая часть энергии связи ядра приходится на один его нуклон. Чем она выше, тем "прочнее" будет ядро. Это ядра тех химических элементов, массовое число которых находится в диапазоне от 40 до 80. Это такие элементы, как, например, железо.

§ 17-и. Ядерная энергетика

С каждым годом человечеству требуется все больше и больше энергии. Ее можно получать различными способами. Самым простым из них является сжигание химического топлива (угля, газа, и т.д.). Более выгодным с энергетической точки зрения является использование так называемого ядерного топлива. Одно из них - уран, при делении ядер которого выделяется большая энергия. Одна из возможных реакций приведена в предыдущем параграфе.

В природе существуют изотопы урана с массовыми числами 235 и 238. Для осуществления цепной реакции пригоден только уран-235. Его содержание в руде, как правило, менее 1 %. Это не позволяет сразу использовать ее в качестве топлива. Поэтому сначала руда проходит процесс обогащения: долю урана-235 повышают до 5%. Из этого продукта уже изготавливают "ядерное топливо".

Для использования энергии деления ядер применяют различные типы ядерных реакторов. Один из них имеет следующую конструкцию. Защитный корпус 1 заполнен специальным веществом 2 – замедлителем нейтронов. В нем имеются вертикальные каналы, в которые опущены урановые стержни 3. Масса урана в каждом из них меньше критической, поэтому цепная реакция в отдельном стержне не может происходить. Однако их общая масса больше критической, что уже позволяет начаться цепной реакции. Для регулирования ее скорости между урановыми стержнями расположены подвижные стержни 4 из вещества, поглощающего нейтроны.

Тепловая энергия, выделяющаяся в ходе реакции внутри урановых стержней, передается теплоносителю – тяжелой воде, циркулирующей в первичном контуре 5 благодаря насосу 11. Вода этого контура находится под большим давлением. Она имеет температуру более 100 °С. Поэтому, проходя через теплообменник 6 и, отдавая энергию воде вторичного контура 7, она вызывает ее кипение.

Пар, образующийся в теплообменнике, вращает колеса турбины 8. После прохождения турбины пар попадает в резервуар 10, где охлаждается и превращается в воду. При помощи насоса 12 образовавшаяся вода вновь поступает в теплообменник. Пар и вода в резервуаре 10 охлаждаются проточной водой, поступающей из водохранилища. Турбина соединена с электрогенератором 9, вырабатывающим электроэнергию.

Перспективы ядерной энергетики связаны с принципиальной возможностью использовать энергию термоядерной реакции – реакции синтеза легких ядер. Основной трудностью при разработке установок для термоядерного синтеза является чрезвычайно высокая температура в зоне реакции. Поэтому плазму, в которой она протекает, удерживают сильным магнитным полем. Это делается для того, чтобы избежать контакта со стенками самого реактора. На сегодняшний день управляемая термоядерная реакция может продолжаться доли секунды. Это, безусловно, слишком малое время для практического использования энергии синтеза. Но сегодня новые открытия в физике позволяют смотреть на будущее управляемого термоядерного синтеза с оптимизмом.