Рациональное питание с точки зрения закона сохранения энергии

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………... 2

Глава 1. Открытие закона сохранения и превращения энергии………………………………. 3

Глава 2. Виды механической энергии…………………………………………………………… 6

2.1. Кинетическая энергия…………………………………………………………………….. 6

2.2. Потенциальная энергия…………………………………………………………………... 7

Глава 3. Термодинамическая энергия в микромире……………………………………………. 9

3.1. Внутренняя энергия………………………………………………………………………. 9

3.2. Превращение механической энергии  во внутреннюю энергию…………………....... 10

Глава 4. Закон сохранения энергии…………………………………………………………… 13

4.1. Принцип закона сохранения энергии…………………………………………………. 13

4.2. Силы трения и закон сохранения  энергии…………………………………………….. 16

4.3. Всеобщий характер закона  сохранения энергии……………………………………... 17

Глава 5. Основные принципы рациональное питание……………………………………….. 18

Глава 6. Сходство человека с тепловой машиной…………………………………………… 23

Глава 7. Определение норм питания в зависимости от энергетических затрат человека…. 26

Заключение……………………………………………………………………………………… 28

Список литературы……………………………………………………………………………... 30

Приложение…………………………………………………………………………………….. 31

 

 

Введение

«Материя и энергия не зарождаются  и не исчезают, а только видоизменяются»

М. В. Ломоносов

Актуальность темы проекта: пища всегда занимала одно из главных мест в жизни человека. И не удивительно, что сейчас, в эпоху пищевого изобилия, процесс приема пищи стал неким культом, и люди стали забывать об основном назначении продуктов питания. Питание не просто одно из человеческих удовольствий, это – строительный материал для организма и главный источник энергии. Правильный прием пищи является залогом успешного бесперебойного функционирования организма, и поэтому подходить к этому процессу нужно с умом, то есть рационально.

Цель проекта: рассмотреть рациональное питание с точки зрения закона сохранения энергии.

Задачи проекта:

1. Изучить историю открытия закона сохранения и превращения энергии.
2. Охарактеризовать виды механической энергии.
3. Исследовать термодинамическую энергию в микромире.
4. Рассмотреть закон сохранения энергии.
5. Определить основные принципы рационального питания.
6. Установить взаимосвязь организма человека с тепловой машиной.
7. Определение норм питания в зависимости от энергетических затрат человека

Гипотеза исследования: если предположить, что питание человека подчиняется закону сохранения энергии, то оно должно быть рациональным.

Методы исследования проекта:

теоретический: анализ истории открытия закона сохранения и превращения энергии, характеристика видов механической энергии, исследование термодинамической энергии в микромире, описание закона сохранения энергии, определение принципов рационального питания, установление взаимосвязи между законом сохранением энергии и питанием человека.

имперический: исследования по определению норм питания в зависимости от энергетических затрат человека.

Краткая характеристика литературы: на основании статей Беззубова Л. П.; построена I глава, II. III. IV главы построены на основании статей Ландсберга Г. С, Шмутцера Э. Р., Мицкевича Н. В; информация об принципах рационального питания изложена из статьей Журавлева А. М и Литвины А. Г.

Глава 1. Открытие закона сохранения и превращения энергии

Великая французская революция  и последовавшие за ней наполеоновские войны существенно изменили лицо Европы. Наступило Новое время, которое развеяло иллюзии, все еще витавшие в стенах алхимических лабораторий, и серьезно поколебало веру в сверхъестественные силы. Алхимия так и не дождалась поры, чтобы пополнить свой терминологический словарь, изобиловавший названиями многочисленных тинктур, ляписов, такими реальными понятиями, как работа и энергия.

Глубокая разработка указанных  понятий заставила провести переоценку всей тогдашней механики и науки  о теплоте. В этих упорных, трудных  и не всегда удачных поисках истины, кроме Декарта и Лейбница, принимали участие Эйлер, Бернулли, Ломоносов и многие другие ученые. При этом большинству из них не хватало, прежде всего, подходящей модели, на которой возможно было бы проверить правильность высказанных гипотез.

Ситуация существенно изменилась с изобретением паровой машины — именно она открыла путь к глубокому и последовательному анализу понятия тепла и, более того, к опытной количественной оценке процессов превращения энергии из одной формы в другую. Ключом к дальнейшему успеху, несомненно, послужило правильное понимание понятия теплоты.

Однако не теплород и не флюидная теория, а только победившие, в конце  концов, материально-кинетические представления  о сущности тепла вывели физические исследования XIX века на правильную дорогу. Согласно историческим свидетельствам, Юлиус Роберт Майер, один из тех, кто своими исследованиями открыл новую, энергетическую эру, в возрасте десяти лет сконструировал свой первый и последний перпетуум мобиле. Как и многие другие его предшественники, он также поддался иллюзии вечного движения и захотел проверить эту идею на практике. Мальчик построил небольшую «сухую» водяную мельницу с водяным колесом и коклеей - архимедовым винтом, для обратного перекачивания воды к лопастям водяного колеса (рис 1). Быть может, именно неудача, постигшая его, как и всех остальных, дала будущему исследователю материал для размышлений.

В начале сороковых годов XIX века Майеру удалось сформулировать один из важнейших законов современной физики — закон сохранения энергии, согласно которому энергия в произвольной замкнутой системе при любых процессах, происходящих в системе, остается величиной постоянной и лишь переходит из одной формы в другую. Майер прекрасно сознавал равносильность закона сохранения энергии и утверждения о невозможности создания перпетуум мобиле. Так, об отрицательном отношении к вечному двигателю он писал в 1842 году своему другу В. Гризингеру: «Этот закон вытекает как необходимое следствие из неопровержимых принципов. Но у меня есть и другое доказательство, близкое мне лично и свидетельствующее о справедливости моих установлений, — это доказательство от противного».

В науке общепризнанно, что создать  перпетуум мобиле невозможно, если даже отвлечься мысленно от всяческих механических сопротивлений, таких как трение и тому подобное.

Важную роль в установлении точной количественной формулировки закона сохранения энергии сыграл знаменитый немецкий естествоиспытатель, врач, физик и  философ Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц. В 1847 году он выступил в Берлине на заседании недавно образованного Физического общества со своим знаменитым докладом «О сохранении силы», где он высказался и о вечном движении: «Вообразим себе систему тел природы, которые состоят в известных пространственных взаимоотношениях друг с другом и начинают двигаться под действием своих взаимных сил до тех пор, пока они не придут в определенное другое положение; мы можем рассматривать приобретенные ими скорости как результат определенной механической работы и можем выразить их через работу. Если бы мы захотели, чтобы те же силы пришли в действие во второй раз, совершая еще раз ту же работу, то мы должны были бы привести тела, каким бы то не было способом, в первоначальное условие, применяя другие силы, которыми мы должны располагать. Мы на это затратим определенное количество работы приложенных сил»¹ .

Независимо от Майера закон сохранения энергии был также установлен английским физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем, проводившим в начале 40-х годов XIX века свои классические опыты по выделению тепла в проводниках при прохождении по ним электрического тока. В 1843 г. эти опыты привели его к определению механического эквивалента тепла (рис 2).

Таким образом, усилиями Майера и Джоуля было сделано открытие, принесшее  первое экспериментальное доказательство кинетического характера тепла — этой некогда загадочной и таинственной субстанции. Правда, в первых своих опытах, которые не могли отличаться большой точностью, Джоуль получил значение механического эквивалента тепла, равное 460 кгм/ккал; более поздние опыты дали весьма точное значение 425 кгм/ ккал. В конце концов, в результате последовавших затем многочисленных измерений оказалось, что одной единице тепла — килокалории, определяемой, как количество тепла, необходимое для нагревания одного килограмма дистиллированной воды при нормальном атмосферном давлении от 14, 5 °С до 15,5 °С, соответствует 4186, 8 джоулей механической работы.

Обнаружение Майером, Джоулем и  другими исследователями взаимосвязи  между механической энергией и теплотой и нахождение их количественной эквивалентности способствовало укреплению корпускулярной теории тепла, основанной на гипотезе, что теплота обусловлена движением молекул и что преобразование тепла в работу и есть, собственно, трансформация одного вида движения в другой.

С момента открытия закона сохранения энергии прошло почти два столетия. Сегодня в его справедливости, естественно, нет никаких сомнений: по существу, его доказала вся техническая практика человечества, несчетное число раз подтвердившая, что самая совершенная паровая машина, двигатель внутреннего сгорания или турбина способны совершать работу только тогда, когда к ним подводится энергия от внешнего источника. Растаяли и надежды, с которыми сторонники перпетуум мобиле приветствовали на первых порах появление паровой машины, ожидая, что после своего усовершенствования она будет способна работать как некое идеальное устройство с кругооборотом постоянного количества энергии, непрерывно переходящей из механической формы в тепловую и обратно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Виды механической энергии

2.1. Кинетическая энергия

Энергия, которое обладает тело вследствие своего движения, называют кинетической энергией. Любое движущее тело обладает некоторым запасом кинетической энергии. Кинетическая энергия определяется как физическая величина, равная половине произведения массы частицы на ее скорость:

Кинетическая энергия – «живая сила» Лейбница, разделенная на 2. Разделить ее пополам предложил в 1829 году французский механик Гюстав Гаспар Кориолис, опираясь на теорему, доказанную несколькими годами ранее французским  математиком Лазаром Никола Карно. Согласно этой теореме, если это тело движется под действием постоянной силы, то удвоенное произведение силы на перемещение и косинус угла между ними равно разности «живых сил» в конце и начале перемещения:

2Fs cosα = mv² – mv²₀

Произведение силы на перемещение  и косинус угла между ними Кориолис вслед за другим французским механиком, Жаном Понселе назвал работой  и обозначил ее буквой А:

А = Fs cos

      или    A

В системе СИ единицей работы и энергии является джоуль (ДЖ) – работа, совершаемой постоянной силой в 1 Ньютон на пути в 1 метр по направлению действия силы.

В векторной форме определение  работы постоянной силы записывается в виде А = F∙s.

Теорему, выраженную формулой А , называют теоремой о кинетической энергии. В соответствии с ней работа сил, действующих на тело или систему тел, равна изменению кинетической энергии этого тела, то есть

A = E_K2 – E_K1 = ∆ E_K.

Отсюда следует, что кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему заданную скорость движения. Важно заметить, что, поскольку скорость является относительной величиной, относительной является и кинетическая энергия. Например, если тело движется в некоторой системе отсчета со скоростью v, то оно обладает кинетической энергией, равной . Однако если перейти в систему отсчета, движущуюся параллельно этому телу в то же сторону и с той же скоростью, что оно и само, то скорость тела в этой системе отсчета, а значит и кинетическая энергия будут равны нулю.

2.2. Потенциальная энергия

Потенциальной энергией называют часть  общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем  силовом - гравитационном поле. Задается эта величина следующим образом; она равна работе, которую должны совершить силы, чтобы переместить тело из данного положения в такое, в каком потенциальная энергия считается равной нулю. Выбор нулевого положения определяется только удобством вычислений. Потенциальная энергия определена неоднозначно, и не имеет смысла говорить о ее абсолютном значении как о характеристики системы. По отношению к разным нулевым уровням потенциальная энергия одного и того же тела будет различной. Например, если за нулевой уровень принять поверхность Земли, то потенциальная энергия тела, поднятого над Землей на высоту h, будет равна mgh. Выбирая в качестве нулевого положения высоту стола, на котором находится это тело, получим уже другое значение энергии. Разность же этих энергий не зависит от выбора нулевого положения ².

В некоторых ситуациях  естественно принимать за нулевое то положение, в котором на тело не действуют силы или действие всех сил скомпенсировано. Так, для тела на пружине за нулевое положение принимают положения его равновесия. Если рассматривается гравитационное притяжение на расстояниях много больше радиуса планеты, то потенциальная энергия тела считается равной нулю, когда это тело удалено от планеты на бесконечно большое расстояние и сила тяжести равна нулю.

Для потенциальной  энергии справедлива теорема, аналогичная  теореме о кинетической энергии: работа консервативных сил при любом  движении тела равна разности потенциальных  энергий в начальном и конечном состояниях: