Работа определение в физике

Вспоминаем физику: работа, энергия и мощность

Работа определение в физике

1 февраля 2015

В текстах, публикуемых на этом сайте, часто встречаются различные термины, которые являются названиями физических величин. Многое мы изучали еще в школьном курсе физике, но знания имеют свойство забываться без постоянного употребления.

В серии заметок, объединенных под общим заголовком «Вспоминаем физику» (можно было бы назвать «Снова в школу») мы постараемся напомнить вам, что означают основные термины, какие физические величины за этими терминами скрываются, как они связаны между собой, в каких величинах они измеряются.

В общем, дать те основы, которые нужны для понимания публикуемых материалов.

Сайт нас в целом посвящен методам и технологиям получения энергии (конкретно, из возобновляемых источников). Энергия нужна людям для отопления и освещения собственных жилищ, для того, чтобы приводить в движение различные механизмы, которые совершают полезную для людей работу.

То есть нам нужно получить в конечном итоге один из трех видов энергии — тепловую, механическую и энергию света. Как будет сказано ниже, в физике различают еще несколько видов энергии, но для нас важны в первую очередь эти три вида.

Закончу с предисловиями и приведу те определения энергии, которые приняты в физике.

Работа и энергия

Еще из школьного курса физики (а школу я окончил 50 лет назад) я помню утверждение «Энергия является мерой способности физической системы совершить работу». Википедия дает менее понятное определение, утверждая, что

«Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой.

Это утверждение носит название закона сохранения энергии.»

Энергия является скалярной величиной, для измерения которой применяются несколько разных единиц. Нам наиболее интересны джоуль и киловатт-час.

Джо́уль (русское обозначение: Дж; международное: J) — единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ).

Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы.

В электричестве джоуль означает работу, которую совершают силы электрического поля за 1 секунду при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер.

Впрочем, мы не будем углубляться в основы физики, выясняя, что такое сила и что такое один ньютон, просто примем понятие «энергия» за основу и запомним, что некое количество джоулей характеризует энергию, работу и количество теплоты. Еще одной величиной, с помощью которой измеряют количество энергии, является киловатт-час.

Килова́тт-час (кВт⋅ч) — внесистемная единица измерения количества произведенной или потреблённой энергии, а также выполненной работы. Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту, народном хозяйстве и для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике.

Следует заметить, что правильно писать именно «кВт⋅ч» (мощность, умноженная на время). Написание «кВт/ч» (киловатт в час), часто употребляемое во многих СМИ и даже иногда в официальных документах, неправильно.

Такое обозначение соответствует изменению мощности в единицу времени (что обычно никого не интересует), но никак не количеству энергии.

Столь же распространённая ошибка — использовать «киловатт» (единицу мощности) вместо «киловатт-час».

В последующих статьях мы будем использовать джоуль и киловатт-час как единицы для оценки количества энергии или работы, имея в виду, что один киловатт-час равен 3,6·106 джоулей.

С точки зрения интересующих нас тем именно свойство энергии совершать работу является основополагающим. Мы не будем выяснять, как физика трактует понятие «работа», будем считать, что это понятие является первоначальным и не определяемым. Только еще раз подчеркнем, что количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

В зависимости от вида энергии или работы величина энергии рассчитывается разными способами:

В механике: сила, умноженная на длинуE ~ F·l
В термодинамике: давление, умноженное на объёмE ~ P·V
Импульс, умноженный на скоростьE ~ p·v
Масса, умноженная на квадрат скоростиE ~ m·v²
В электростатике: заряд, умноженный на напряжениеE ~ q·U
Мощность, умноженная на времяE ~ N·t

Формы и виды энергии

Поскольку энергия, как сказано выше, является только мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, различные формы энергии выделяются в соответствии с различными формами движения материи. Таким образом, в зависимости от уровня проявления, мож­но выделить следующие формы энергии:

  • энергия макромира — гравитационная или энергия притяжения тел,
  • энергия взаимодействия тел — механическая,
  • энергия молекулярных взаимодействий — тепловая,
  • энергия атомных взаимодей­ствий — химическая,
  • энергия излучения — электромагнит­ная,
  • энергия, заключенную в ядрах атомов, — ядерная.

Гравитационная энергия — энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на опреде­ленную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тя­жести. Таким образом, энергию, запасенную в водохранилищах гидроэлектростанций, можно отнести к гравитационной энергии.

Механическая энергия — проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и техно­логических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотичес­кого) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопле­ния, проведения многочисленных технологических процес­сов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегон­ки и т. д.).

Химическая энергия — это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах.

Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Электромагнитная энергия — это энергия, порождаемая взаимодействием электрического и магнитного по­лей. Ее подразделяют на электрическую и магнитную энергии. Электрическая энергия — энергия движущихся по элек­трической цепи электронов (электрического тока).

Электромагнитная энергия проявляется также в виде электромагнит­ных волн, то есть в виде излучения, включающего видимый свет, инфракрасные, ультрафио­летовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, один из видов электромагнитной энергии — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны.

Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах ато­мов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобож­дается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или син­тезе легких ядер (термоядерная реакция).

В эту классификацию несколько не укладываются известные нам со школы понятия потенциальной и кинетической энергии. Современная физика считает, что понятия кинетической и потенциальной энергий (а также энергии диссипации) это не формы, а виды энергии:

Кинетическая энергия — энергия, которой обладают тела вследствие своего движения. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.

Потенциальная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием различных тел или частей одного и того же тела. Потенциальная энергия всегда определяется положением тела относительно некоторого источника силы (силового поля).

Энергия диссипации (то есть рассеяния) — переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте — в теплоту.

Дело в том, что каждая из перечисленных выше форм энергии может проявляться в виде потенциальной и кинетической энергии. То есть виды энергии должны трактоваться в обобщенном смысле, ибо они относятся к любой форме движения и, следовательно, к любой форме энергии.

Например, имеется кинетическая электрическая энергия, и это не то же самое, что кинетическая механическая энергия. Это кинетическая энергия движения электронов, а не кинетическая энергия механического движения тела. Точно так же потенциальная электрическая энергия это не то же самое, что потенциальная механическая энергия.

А химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии их взаимодействия друг с другом и с атомными ядрами.

Вообще, насколько я понял при подготовке этого материала, пока не существует общепринятой классификации форм и видов энергии. Впрочем, возможно нам и не нужно до конца разбираться в этих физических понятиях.

Важно только помнить, что энергия — это не какая-то реальная материальная субстанция, а только мера, предназначенная для оценки перемещения некоторых форм материи или преобразования одной формы материи в другую.

С понятием энергии и работы неразрывно связано понятие мощности.

Мощность

Мо́щность — физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.

Мощность характеризует способность того или иного устройства совершать работу или производить энергию в течение определенного промежутка времени. Связь между мощностью, энергией и временем выражается следующим соотношением:

Киловатт-час (напомним, что это единица измерения энергии) равен количеству энергии, потребляемой (производимой) устройством мощностью один киловатт (единица мощности) в течение одного часа (единица времени).

Отсюда и уже упомянутое выше равенство 1 кВт⋅ч = 1000 Вт ⋅ 3600 с = 3,6·106 Дж = 3,6 МДж.

Из трех рассмотренных на этой странице единиц именно мощность представляет для нас наибольший интерес, поскольку эта величина будет нам встречаться при рассмотрении и сравнении различных ветро- или гидро-генераторов и солнечных панелей. В этих случаях мощность характеризует способность этих устройств производить энергию.

И наоборот, указание мощности на многих бытовых электроприборах характеризует потребление энергии этими приборами.

Если мы хотим обеспечить некоторую совокупность бытовых приборов энергией, мы должны сопоставить суммарную потребляемую этими приборами мощность с суммарной мощностью, которую можем получить от производителей энергии.

Но подробнее о мощности мы поговорим в следующих статьях, посвященных конкретным видам энергии.  И начнем с электрической энергии, рассмотрим, какими величинами характеризуется электричество и в каких единицах оно измеряется.

Источник: https://altenergiya.ru/osnovy/vspominaem-fiziku-energiya-i-rabota.html

Самая удобная и увлекательная подготовка к ЕГЭ

Работа определение в физике

В термодинамике, в отличие от механики, рассматривается не движение тела как целого, а лишь относительное изменение частей термодинамической системы, в результате которого меняется ее объем.

Рассмотрим работу газа при изобарическом расширении.

Вычислим работу, совершаемую газом при его действии на поршень с силой ${F'}↖{→}$, равной по величине и противоположной по направлению силе ${F'}↖{→}$, действующей на газ со стороны поршня: ${F'}↖{→}=-{F'}↖{→}$ (согласно третьему закону Ньютона), $F'=pS$, где $p$ — давление газа, а $S$ — площадь поверхности поршня. Если перемещение поршня $∆h$ в результате расширения мало, то давление газа можно считать постоянным и работа газа равна:

$A'=F'∆h=pS∆h=p∆V$

Если газ расширяется, он совершает положительную работу, та к как перемещение поршня совпадает по направлению с силой ${F'}↖{→}$. Если газ сжимается, то работа газа отрицательна, поскольку перемещение поршня противоположно силе ${F'}↖{→}$. В формуле $A'=F'∆h=pS∆h=p∆V$ появится знак «минус»: $∆V < 0$, поскольку $∆h < 0$.

Работа внешних сил $А$, наоборот, положительна при сжатии газа и отрицательна при расширении:

$A=-A'=-p∆V$

Совершая над газом положительную работу, внешние тела передают ему часть своей энергии. При расширении газа внешние тела отбирают у газа часть его энергии — работа внешних сил отрицательна.

На графике зависимости давления от объема $р(V)$ работа определяется как площадь, ограниченная кривой $р(V)$, осью $V$ и отрезками $ab$ и $cd$, равными давлениям $р_1$ в начальном ($V_1$) и $р_2$ в конечном ($V_2$) состояниях, как для изобарного, так и для изотермического процессов.

Первый закон термодинамики

Первое начало (первый закон) термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии для термодинамической системы.

Согласно первому началу термодинамики, работа может совершаться только за счет теплоты или какой-либо другой формы энергии. Следовательно, работу и количество теплоты измеряют в одних единицах — джоулях (как и энергию).

Первое начало термодинамики было сформулировано немецким ученым Ю. Л. Майером в 1842 г. и подтверждено экспериментально английским ученым Дж. Джоулем в 1843 г.

Первый закон термодинамики формулируется так:

Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:

$∆U=A+Q$

где $∆U$ — изменение внутренней энергии, $А$ — работа внешних сил, $Q$ — количество теплоты, переданной системе.

Из $∆U=A+Q$ следует закон сохранения внутренней энергии. Если систему изолировать от внешних воздействий, $A=0$ и $Q=0$,а следовательно, $∆U=0$.

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается постоянной.

Если работу совершает система, а не внешние силы, то уравнение ($∆U=A+Q$) записывается в виде:

$Q=∆U+A'$

где $А'$ — работа, совершаемая системой ($А'=-А$).

Количество теплоты, переданное системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.

Первое начало термодинамики может быть сформулировано как невозможность существования вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника, т. е. только за счет внутренней энергии.

Действительно, если к телу не поступает теплота ($Q=0$), то работа $А'$, согласно уравнению $Q=∆U+A'$, совершается только за счет убыли внутренней энергии $A'=-∆U$. После того, как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестает работать.

Следует помнить, что как работа, так и количество теплоты являются характеристиками процесса изменения внутренней энергии, поэтому нельзя говорить, что в системе содержится определенное количество теплоты или работы. Система в любом состоянии обладает лишь определенной внутренней энергией.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к различным термодинамическим процессам.

Изохорный процесс. Зависимость $р(Т)$ на термодинамической диаграмме изображается изохорой.

Изохорный (изохорический) процесс — термодинмический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме.

Изохорный процесс можно осуществить в газах и жидкостях, заключенных в сосуд с постоянным объемом.

При изохорном процессе объем газа не меняется ($∆V=0$), и, согласно первому началу термодинамики $Q=∆U+A'$,

$∆U=Q$

т. е. изменение внутренней энергии равно количеству переданного тепла, т. к. работа ($A=p∆V=0$) газом не совершается.

Если газ нагревается, то $Q > 0$ и $∆U > 0$, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа $Q < 0$ и $∆U < 0$, внутренняя энергия уменьшается.

Изотермический процесс графически изображается изотермой.

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре.

Поскольку при изотермическом процессе внутренняя энергия газа не меняется ($T=const$), то все переданное газу количество теплоты идет на совершение работы:

$Q=A'$

При получении газом теплоты ($Q > 0$) он совершает положительную работу ($А' > 0$). Если газ отдает тепло окружающей среде, $Q < 0$ и $А' < 0$. В этом случае над газом совершается работа внешними силами. Для внешних сил работа положительна. Геометрически работа при изотермическом процессе определяется площадью под кривой $р(V)$.

Изобарный процесс на термодинамической диаграмме изображается изобарой.

Изобарный (изобарический) процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе с постоянным давлением $p$.

Примером изобарного процесса является расширение газа в цилиндре со свободно ходящим нагруженным поршнем.

При изобарном процессе согласно формуле $Q=∆U+A'$ передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии $∆U$ и на совершение им работы $A'$ при постоянном давлении:

$Q=∆U+A'$

Работа идеального газа определяется по графику зависимости $p(V)$ для изобарного процесса ($A'=p∆V$).

Для идеального газа при изобарном процессе объем пропорционален температуре, в реальных газах часть теплоты расходуется на изменение средней энергии взаимодействия частиц.

Адиабатический процесс

Адиабатический процесс (адиабатный процесс) — это термодинамический процесс, происходящий в системе без теплообмена с окружающей средой ($Q=0$).

Адиабатическая изоляция системы приближенно достигается в сосудах Дьюара, в так называемых адиабатных оболочках. На адиабатически изолированную систему не оказывает влияния изменение температуры окружающих тел. Ее внутренняя энергия и может меняться только за счет работы, совершаемой внешними телами над системой, или самой системой.

Согласно первому началу термодинамики ($∆U=A+Q$), в адиабатной системе

$∆U=A$

где $А$ — работа внешних сил.

При адиабатном расширении газа $А < 0$.

Следовательно,

$∆U={i}/{2}·{m}/{M}R∆T < 0,$

что означает уменьшение температуры при адиабатном расширении. Оно приводит к тому, что давление газа уменьшается более резко, чем при изотермическом процессе.

На рисунке адиабата $1—2$, проходящая между двумя изотермами, наглядно иллюстрирует сказанное. Площадь под адиабатой численно равна работе, совершаемой газом при его адиабатическом расширении от объема $V_1$ до $V_2$.

Адиабатное сжатие приводит к повышению температуры газа, т. к. в результате упругих соударений молекул газа с поршнем их средняя кинетическая энергия возрастает, в отличие от расширения, когда она уменьшается (в первом случае скорости молекул газа увеличиваются, во втором — уменьшаются).

Резкое нагревание воздуха при адиабатическом сжатии используется в двигателях Дизеля.

Принцип действия тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики, тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

  1. рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
  2. нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
  3. холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая двигателем, равна:

$A'=|Q_1|-|Q_2|$

где $Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя, $Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы $А'$, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

$η={A'}/{|Q_1|}={|Q_1|-|Q_2|}/{|Q_1|}=1-{|Q_2|}/{|Q_1|}$

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то $η < 1$.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При $T_1 – T_2=0$ двигатель не может работать.

Цикл Карно

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД $< 5%$)и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процессы цикла. В процессе изотермического расширения ($1-2$) при температуре $Т_1$ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты $Q_1$:

$A_{12}=Q_1.$ Охлаждение газа перед сжатием ($3-4$) происходит при адиабатном расширении ($2-3$). Изменение внутренней энергии $∆U_{23}$ при адиабатном процессе ($Q=0$) полностью преобразуется в механическую работу:

$A_{23}=-∆U_{23}$

Температура газа в результате адиабатического расширения ($2-3$) понижается до температуры холодильника $Т_2 < Т_1$. В процессе ($3-4$) газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты $Q_2$:

$A_{34}=Q_2,$

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия ($4—1$), при котором газ нагревается до температуры $Т_1$.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

$η={T_1-T_2}/{T_1}=1-{T_2}/{T_1}$

Суть формулы $η={T_1-T_2}/{T_1}=1-{T_2}/{T_1}$ выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Источник: https://examer.ru/ege_po_fizike/teoriya/rabota_v_termodinamike

Определение работы в физике

Работа определение в физике
Определение

Физическая величина, называемая работой силы (или просто работой), используется в механике, как численнаяхарактеристика обмена энергиями между телами при их взаимодействии.

Допустим, что тело перемещается по прямой линии, и на него действует постоянная сила ($\overline{F}$), образующая угол $\alpha $ с направлением перемещения тела ($\overline{s}$), тогда работа ($A$) этой силы определяется как:

Из формулы (1) следует, что при $\alpha

Если сила не является постоянной величиной то формулу (1) для нахождения механической работы не применяют.

Тогда все перемещение тела делят на элементарные отрезки ($d\overline{s}$) на каждом из которых силу можно считать постоянной, а движение точки приложения силы прямолинейным.

В этом случае элементарной работой ($dA$) силы $\overline{F}$ на перемещении $d\overline{s}$ называют скалярную величину, которая равна:

\[dA=\overline{F}d\overline{s}=Fds{\cos \alpha \ }\left(2\right),\]

где $\alpha $ – угол между векторами $\overline{F\ }и\ d\overline{s}$; $ds$ – модуль элементарного пути. Совокупную работу силы на участке траектории от первой рассматриваемой точки до второй находят как алгебраическую сумму элементарных работ на отдельных бесконечно малых участках. Обычно сумму заменяют интегралом, тогда:

\[A=\int\limits2_1{dA=\int\limits2_1{Fds{cos \alpha \ }\left(3\right).}}\]

Для того чтобы вычислить интеграл (3) следует знать зависимость силы от пути по траектории на рассматриваемом участке. При графическом задании силы от пути, работу находят как площадь криволинейной трапеции, ограниченной снизу осью абсцисс, сверху графиком F(s), справа и слева ординатами крайних точек.

Термодинамическая работа

В термодинамике работу определяют как:

\[A=\int\limits{V_2}_{V_1}{pdV(4)},\]

где $V_1$ – начальный объем термодинамической системы; $V_2$ – ее конечный объем. Работа считается положительной, если ее выполняет сама термодинамическая система над внешними силами, например, газ расширяется и совершает работу.

Работу можно определить, применив первое начало термодинамики:

\[A=\Delta Q-\Delta U\ \left(5\right),\]

где $\Delta Q$ – количество теплоты, получаемое системой; $\Delta U$ – изменение ее внутренней энергии. Для идеального газа, рассматриваемого в качестве термодинамической системы, то формулу (5) записывают как:

\[A=\Delta Q-\frac{i}{2}u R\Delta T\ (6),\]

где $i$ – число степеней свободы молекулы идеального газа; $u =\frac{m}{\mu }$ – количество вещества; $m$ – масса газа; $\mu $ – молярная масса газа; $R$ – универсальная газовая постоянная; $\Delta T$ – изменение температуры газа в рассматриваемом процессе. Уравнения (5), (6) приведены в интегральном виде.

Элементарная работа идеального газа ($\delta A$) равна:

\[\delta A=pdV\ \left(7\right).\]

Первое начало термодинамики в дифференциальном представляет собой уравнение:

\[\delta A=\delta Q-\frac{i}{2}нRdT\ \left(8\right).\ \]

Работу (в любом разделе физики) в Международной системе единиц (СИ), измеряют в джоулях (Дж):

\[\left[A\right]=1Н\cdot 1м=1Дж.\]

Один джоуль – это работа, которую совершает сила в один ньютон на пути один метр.

Связь работы и кинетической энергии тела

Если кинетическая энергия тела изменяется, то элементарная работа может быть определена бесконечно малое приращение кинетической энергии ($dE_k$) тела:

\[dA=dE_k\left(9\right).\]

Работу силы на конечном участке пути найдем как разность значений кинетической энергии в конечной и начальной точках траектории:

\[A=E_{k2}-E_{k1}\left(10\right).\]

Выражение (10) справедливо для тела, движущегося с любой скоростью, при неизменной энергии покоя.

Работа консервативной силы

Если работа силы не зависит от формы траектории движения тела, а определяется координатами начала и конца траектории, то такую силу называют консервативной. К консервативным силам относят: силу Кулона, силу гравитации; силу упругости. Работа консервативной силы равна нулю, если траектория движения замкнута.

Существуют диссипативные силы, работа которых зависит от формы траектории движения тела, например силы трения. Работа диссипативной силы по замкнутой траектории не равна нулю. Так, работа силы трения всегда меньше нуля, поскольку сила направлена против перемещения.

Работа консервативных сила равна изменению потенциальной энергии ($E_p$) системы взаимодействующих тел: \[{A=E}_{p1}-E_{p2}\left(11\right).\]

Примеры задач с решением

Пример 1

Задание. Объем идеального газа изменяется в соответствии с графиком рис.1. Какую работу совершает газ, при изменении его температуры на величину $\Delta T$ в этом процессе?

Решение. Из рис.1 следует, что объем идеального газа изменяется в соответствии с уравнением:

\[V=\frac{b}{T}\left(1.1\right),\]

где $b-\ $некоторая постоянная. Работу газа в заданном процессе определим как:

\[A=\int\limits{V_2}_{V_1}{pdV\ \left(1.2\right).}\]

Из уравнения процесса имеем:

\[dV=-\frac{b}{T2}dT\to A=-\int\limits{T_2}_{T_1}{p\frac{b}{T2}dT\left(1.3\right).\ }\]

$\ $Так как процесс проводят с идеальным газом, то воспользовавшись уравнением Менделеева – Клайперона:

\[pV=u RT(1.4)\]

выразив из него давление, подставим в подынтегральное выражение (1.2), при этом учтем (1.1):

\[A=-\int\limits{T_2}_{T_1}{u RT\cdot \frac{T}{b}\frac{b}{T2}dT=-\ u R\int\limits{T_2}_{T_1}{dT=-u R\Delta T}.}\]

Ответ. $A=-u R\Delta T$

Пример 2

Задание. Запишите выражение для работы силы, которая задана уравнением $F\left(x\right)=Ax2+Bx,$ где $A$ и $B$ постоянные величины, на пути $s_1$, если тело вдоль оси X из начала координат?

Решение. Из уравнения $F\left(x\right)$, заданного в условии задачи мы видим, что сила не является неизменной величиной при движении тела по оси X, это означает, что работу необходимо искать, применяя определение в виде:

\[A=\int\limits2_1{\overline{F}d\overline{s}}\left(2.1\right).\]

Так как в условии написано, что тело движется по оси X, сила и перемещение сонаправлены, воспользовавшись уравнением изменения силы $F(x)$ вычисли интеграл:

\[A=\int\limits2_1{Fdx}=\int\limits{s_1}_0{(Ax2+Bx)dx}=\frac{{As_1}3}{3}+B\frac{{s_1}2}{2}.\]

Ответ. $A=\frac{{As_1}3}{3}+B\frac{{s_1}2}{2}$

Читать дальше: определение центра масс.

Источник: https://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_113_opredelenie_raboty_v_fizike.php

Работа в физике – это что такое?

Работа определение в физике

Работа в физике — это величина, которую находят путем умножения модуля силы, перемещающей тело, на расстояние, на которое оно сдвинулось. В статье мы подробно рассмотрим ситуации, когда тело перемещается и остается неподвижным. Узнаем формулу работы и единицы ее измерения.

Силы, действующие на тело

Представим себе, что у нас есть нить, на которую подвешено тело. Со стороны нити на него действует сила упругости нити, обозначим ее F. Тело неподвижно, допустим, мы прикрепили нить к штативу. Нужно ли что-то делать, чтобы это состояние сохранялось сколь угодно долго? Нет. Хотя на тело действует сила, оно не двигается.

Работа в физике — это что такое? Прежде чем ответить на данный вопрос, рассмотрим ситуацию. Предположим, тело движется, но на него не действуют никакие силы. Например, если это шар в далеком космическом пространстве, вдали от всех звезд и галактик. Тогда сила их притяжения будет пренебрежимо мала. Изобразим схему.

Тело переместилось на некоторое расстояние s, но сила при этом отсутствует (F=0). Необходимо ли предпринимать какие-либо действия для того, чтобы тело продолжало двигаться? Нет. Это состояние может сохраняться сколь угодно долго. Это равномерное прямолинейное движение при отсутствии сил, действующих на тело.

А теперь принципиально другая ситуация. Мы будем поднимать тот же шар. На него действует сила, она приложена к телу со стороны веревки. Величину перемещения шара обозначим буквой s, а силу — F. Будет ли шар сам подниматься? Нет, что-то должно его поднимать.

Например, где-то должен работать электродвигатель. Но для того, чтобы он работал, с плотины должна падать вода, которая приводит к вращению турбины, к которой подключен генератор. По линии электропередач энергия должна передаваться в двигатель, а он — работать и поднимать груз.

То есть перемещение не может реализоваться само по себе.

Физики говорят, что в первых двух случаях сила не выполняет никакой механической работы. В третьем случае работа выполняется. Чем она производится? Силой F. В физике работа — это величина. А раз так, то она может меняться в большую и меньшую сторону.

Нетрудно догадаться, что если силу увеличить и перемещать тело на то же самое расстояние, то работа этой силы будет больше. Как можно увеличить силу? Например, взять шар в два раза тяжелее. Тогда работа увеличится вдвое.

Следовательно, работа силы пропорциональна величине силы. Это закон.

Представим, что нам нужно поднять все тот же шар не на 50 см, а на 100 см. Необходимо совершить работу, чтобы поднять его сначала на первую половину дистанции, а затем на вторую.

Всякий раз будет совершаться одинаковая работа, но общая работа будет в два раза больше. Значит, работа прямо пропорциональна расстоянию перемещения тела. Поэтому физики договорились обозначить величину F*s буквой А и назвать ее работой силы.

Выражение F*s как раз и будет прямо пропорционально силе и перемещению тела.

A=F*s — это формула работы в физике. A — искомая величина силы, приложенной к телу, а s — путь, пройденный телом. Однако бывают ситуации, когда сила приложена к телу, а оно не перемещается.

В нашем третьем случае тело перемещается в том же направлении, в котором приложена сила. Поэтому точнее будет сказать, что s — это перемещение тела в направлении действия силы.

Сформулируем определение: работа в физике — это величина, равная произведению модуля силы на перемещение тела в направлении действия силы.

Единицы измерения

Посмотрим на определяющую формулу A=F*s. [А]=Н*м=Дж. Н — это ньютоны, Дж — джоули. Как понять, что из себя представляет 1 джоуль? Нарисуем схему, на которой изобразим силу, совершающую работу в один джоуль.

На рисунке показано первоначальное и конечное положение тела. Мы переместили его на расстояние 1 м. При перемещении к телу была приложена сила в один ньютон. А=1 Н*1 м=1 Дж. То есть один джоуль — это работа, совершаемая силой в один ньютон при перемещении тела, на расстоянии 1 м в направлении действия силы.

Один джоуль — это небольшая работа. Чтобы поднять килограммовую гирю на 10 см, нужно совершить работу в 1 джоуль. Чтобы поднять ее на метровую высоту, нужно совершить работу в 10 джоулей. Если говорить о работе подъемных кранов, то они поднимают тонны на десятки метров.

Поэтому используют и другие единицы измерения работы: килоджоули, мегаджоули и т. д. 1 кДж=1000 Дж, 1 МДж=106 Дж. Стрелку настенных часов приводит в движения мотор. Он совершает работу, гораздо меньшую, чем один джоуль. Ее измеряют в милиджоулях. 1 мДж=0,001 Дж. Существуют и микроджоули.

1 мкДж=1*10-6 Дж.

Источник: https://FB.ru/article/472425/rabota-v-fizike---eto-chto-takoe

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.