Над телом совершают механическую работу его температура: Над телом совершают механическую работу его температура при этом

Тепловая машина — что это, определение и ответ

Основной источник энергии, используемый человечеством — это внутренняя энергия топлива. Как Вы уже знаете, горение топлива сопровождается выделением теплоты. Преобразование теплоты в механическую энергию осуществляется при помощи специальных устройств — тепловых двигателей. Все известные тепловые машины можно разделить на два класса: тепловые машины и холодильные машины.

Тепловая машина преобразует теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

Например, автомобильный двигатель внутреннего сгорания. В нём происходит преобразование тепла, выделяющегося при сгорании топлива, в механическую энергию автомобиля.

Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Например, бытовой холодильник служит примером холодильной машины. В нём тепло отводится от холодильной камеры и передаётся в окружающее пространство.

Первая тепловая машина — это поршневой двигатель.

Такой двигатель состоит из внутреннего цилиндра 1, поршня 2, соединенного с коленчатым валом 3 с помощью шатуна 4. На коленчатом валу закреплен массивный маховик 5. В крышке цилиндра находятся два клапана: впускной 6 и выпускной 7. Здесь же установлена электрическая свеча 8. Также внутри находится горючая смесь:

Для запуска двигателя необходимо тем или иным способом привести во вращение его коленчатый вал, в результате чего поршень будет перемещаться то вверх, то вниз. Каждый ход поршня вверх или вниз называют тактом работы двигателя. Такой двигатель работает по четырехтактной схеме. Во время первого такта (впуск) поршень из крайнего верхнего положения (верхней мертвой точки) начинает опускаться вниз (рисунок а). При этом открывается впускной клапан, и горючая смесь поступает в цилиндр. После того как поршень достигает крайнего нижнего положения (нижней мертвой точки), впускной клапан закрывается, и начинается второй такт — сжатие. Во время второго такта (рисунок б) оба клапана закрыты. Поршень двигается вверх, сжимая горючую смесь. При этом смесь нагревается до 300 – 500\(℃\), так как над ней производится работа. Как только поршень достигает верхней мертвой точки, начинается третий такт — рабочий ход. В начале этого такта (рисунок в) в свече зажигания проскакивает искра. Горючая смесь быстро сгорает за 1 – 2 мс, и температура газов повышается до 1600 – 2000\(℃\), а давление возрастает до 2 – 4 Мпа. Под действием этого давления поршень движется вниз, толкая через шатун коленчатый вал. При этом продукты горения совершают механическую работу и охлаждаются до температуры 600 – 1000 \(℃\) как за счет совершения работы, так и за счет теплопередачи деталями двигателя. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, давление в цилиндре падает до 0,3 – 0,5 Мпа, и начинается четвертый такт — выпуск. Во время этого такта (рисунок г) поднимающийся вверх поршень через открытый выпускной клапан выталкивает продукты сгорания в атмосферу и возвращается в мертвую точку. После этого начинается новый цикл работы двигателя:

Внутренняя энергия сгорающего топлива при работе поршневого двигателя внутреннего сгорания расходуется на совершение работы газа и нагрев двигателя.

Все тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. В качестве рабочего тела выступает топливо или газ. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты. Теплота, полученная за счет сжигания топлива, от нагревателя в результате теплообмена самопроизвольно передается рабочему веществу. Это возможно в том случае, если температура нагревателя \(T_{н}\) превышает исходную температуру рабочего вещества. Рабочее вещество получает от нагревателя количество теплоты \(Q_{н}\). В результате оно нагревается и расширяется. Во время рабочего хода вещество совершает механическую работу. После этого его обычно удаляют, а двигатель возвращается в исходное состояние. Таким образом, часть энергии затрачивается на возращение двигателя в исходное состояние, а также на преодоление сил трения в самом двигателе. Поэтому только часть количества теплоты \(Q_{н}\) превращается в полезную работу F, которую совершает двигатель. При этом полезная механическая работа А, совершаемая тепловым двигателем, всегда меньше работы, которую совершает рабочее вещество при расширении. При возвращении двигателя в исходное состояние часть энергии передается холодильнику, имеющему температуру \(T_{х}\), меньшую исходной температуры рабочего тела. Эту часть называет количеством теплоты \(Q_{х}\), переданным холодильнику. Таким образом, только часть энергии, получаемой рабочим веществом, превращается в полезную механическую работу. В идеальном случае полезная механическая работа равна разности количества теплоты, полученного рабочим телом от нагревателя, и количества теплоты, отданного холодильнику А = \(Q_{н} — Q_{х}\). И таким образом двигатель совершает один цикл. Давайте нарисуем схему преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу:

Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезно использованной энергии газа, ко всей полученной энергии:

\(\eta = \frac{A_{П}}{Q_{H}} \cdot 100\%\ = \frac{Q_{H} — Q_{x}}{Q_{H}} \cdot 100\%\) , где

η — коэффициент полезного действия, КПД,

Q_H — количество теплоты, полученное от нагревателя [Дж],

Q_X — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж].

А_п — полезная работа газа, равная А_п = Q_H – Q_X [Дж]

Адиабатический процесс — термодинамический процесс, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.

Адиабатическими могут считаться либо очень быстрые процессы, либо процессы в теплоизолированной среде.

В первом начале термодинамики при адиабатическом процессе необходимо положить Q = 0.

К адиабатическим часто относят процессы, которые происходят либо с большой скоростью, либо в теплоизолированном сосуде. Адиабатические процессы используют, например, в двигателях внутреннего сгорания, в холодильных приборах.

Во всех реальных тепловых машинах происходят те или иные потери энергии. Если в машине отсутствуют потери на теплопроводность, трение и т.д., т.е. нет необратимых потерь, то тепловая машина называется идеальной. Термодинамический процесс в идеальной тепловой машине должен протекать настолько медленно, чтобы его можно было рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому. Предполагается, что этот процесс является обратимым, то есть его можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты. Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно в 1824 г. нашел, что найвыгоднейшим, с точки зрения КПД, является обратимый круговой процесс, состоящий из изотермических и адиабатных процессов. Прямой круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатических, называется циклом Карно.

КПД цикла Карно — максимально возможный КПД любой тепловой машины.

КПД цикла Карно определяется температурами нагревателя и холодильника.

η = \(\frac{T_{H} — T_{x}}{T_{H}}\) , где:

η — коэффициент полезного действия , КПД,

Т_Н — температура нагревателя [К],

Т_Х — температура холодильника [К].

Механическая работа — определение, формула, виды, свойства

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

105.7K

Работа — не волк! А еще и не мощность и не энергия. В этой статье разберемся, что же такое механическая работа в физике, а помогут нам в этом древнегреческие мифы.

Для нас привычно понятие «работа» в бытовом смысле. Работая, мы совершаем какое-либо действие, чаще всего полезное. В физике (если точнее, то в механике) термин «работа» показывает, какую силу в результате действия приложили, и на какое расстояние тело в результате действия этой силы переместилось.

Например, нам нужно поднять велосипед по лестнице в квартиру. Тогда работа будет определяться тем, сколько весит велосипед и на каком этаже (на какой высоте) находится квартира.

Механическая работа — это физическая величина, прямо пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути.

Чтобы рассчитать работу, нам необходимо умножить численное значение приложенной к телу силы F на путь, пройденный телом в направлении действия силы S. Работа обозначается латинской буквой А.

Механическая работа А = FS A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м]

Если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа в 1 джоуль.

Поскольку сила и путь — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает вид.

Механическая работа А = FScosα A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м] α — угол между векторами силы и перемещения [°]

Числовое значение работы может становиться отрицательным, если вектор силы противоположен вектору скорости. Иными словами, сила может не только придавать телу скорость для совершения движения, но и препятствовать уже совершаемому перемещению. В таком случае сила называется противодействующей.

Для совершения работы необходимы два условия:

• чтобы на тело действовала сила,
• чтобы происходило перемещение тела.

Сила, действующая на тело, может и не совершать работу. Например, если кто-то безуспешно пытается сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, с которой человек действует на шкаф, не совершает работу, поскольку перемещение шкафа равно нулю.

Запомнить!

Работа равна нулю, если:

• при приложенной силе перемещение отсутствует;
• сила не приложена и тело перемещается по инерции;
• угол между векторами силы и перемещения равен 90°.

Полезная и затраченная работа

Был такой мифологический персонаж у древних греков — Сизиф. За то, что он обманул богов, те приговорили его после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх по горе, откуда этот булыжник скатывался — и так без конца. В общем, Сизиф делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Поэтому бесполезную работу и называют «сизифов труд».

Чтобы разобраться в понятиях полезной и затраченной работы, давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень больше не скатывается с горы, а КПД перестал быть нулевым.

Полезная работа в этом случае равна потенциальной энергии, приобретенной булыжником. Потенциальная энергия, в свою очередь, прямо пропорциональна высоте: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. Выходит, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше полезная работа.

Потенциальная энергия Еп = mgh m — масса тела [кг] g — ускорение свободного падения [м/с 2] h — высота [м] На планете Земля g ≈ 9,8 м/с2

Затраченная работа в нашем примере — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа А = FS A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

1. За счет чего происходит процесс?

2. Ради какого результата?

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы).

Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

Мощность

На заводах по всему миру большинство задач выполняют машины. Например, если нам нужно закрыть крышечками тысячу банок колы, аппарат сделает это в считанные минуты. У человека эта задача заняла бы намного больше времени. Получается, что машина и человек выполняют одинаковую работу за разные промежутки времени. Для того, чтобы описать скорость выполнения работы, нам потребуется понятие мощности.

Мощностью называется физическая величина, равная отношению работы ко времени ее выполнения.

Мощность N = A/t N — мощность [Вт] A — механическая работа [Дж] t — время [с]

Один ватт — это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду.

Также для мощности справедлива другая формула:

Мощность N = Fv N — мощность [Вт] F — приложенная сила [Н] v — скорость [м/с]

Как и для работы, для мощности справедливо правило знаков: если векторы направлены противоположно, значение мощности будет отрицательным.

Поскольку сила и скорость — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает следующий вид:

Мощность N = Fvcosα N — мощность [Вт] F — приложенная сила [Н] v — скорость [м/с] α — угол между векторами силы и скорости [°]

Полезные подарки для родителей

В колесе фортуны — гарантированные призы, которые помогут наладить учебный процесс и выстроить отношения с ребёнком!

Примеры решения задач

Задача 1

Ложка медленно тонет в большой банке меда. На нее действуют сила тяжести, сила вязкого трения и выталкивающая сила. Какая из этих сил при движении тела совершает положительную работу? Выберите правильный ответ:

1. Выталкивающая сила.

2. Сила вязкого трения.

3. Сила тяжести.

4. Ни одна из перечисленных сил.

Решение

Поскольку ложка падает вниз, перемещение направлено вниз. В ту же сторону, что и перемещение, направлена только сила тяжести. Это значит, что она совершает положительную работу.

Ответ: 3.

Задача 2

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной L = 40 м с постоянной по модулю скоростью. Модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли, равен 80 H. Чему равна работа силы тяги за один оборот?

Решение

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая расходуется на работу силы трения, должна поступать в систему за счет работы силы тяги. Отсюда находим работу силы тяги за один оборот:

Ответ: 3200 Дж.

Задача 3

Тело массой 2 кг под действием силы F перемещается вверх по наклонной плоскости на расстояние l = 5 м. Расстояние тела от поверхности Земли при этом увеличивается на 3 метра. Вектор силы F направлен параллельно наклонной плоскости, модуль силы F равен 30 Н. Какую работу при этом перемещении в системе отсчета, связанной с наклонной плоскостью, совершила сила F?

Решение

В данном случае нас просят найти работу силы F, совершенную при перемещении тела по наклонной плоскости. Это значит, что нас интересуют сила F и пройденный путь. Если бы нас спрашивали про работу силы тяжести, мы бы считали через силу тяжести и высоту.

Работа силы определяется как скалярное произведение вектора силы и вектора перемещения тела. Следовательно:

A = Fl = 30 * 5 = 150 Дж

Ответ: 150 Дж.

Задача 4

Тело движется вдоль оси ОХ под действием силы F = 2 Н, направленной вдоль этой оси. На рисунке приведен график зависимости проекции скорости v^x тела на эту ось от времени t. Какую мощность развивает эта сила в момент времени t = 3 с?

Решение

На графике видно, что проекция скорости тела в момент времени 3 секунды равна 5 м/с.

Мощность можно найти по формуле N = Fv.

N = FV = 2×5 = 10 Вт

Ответ: 10 Вт.

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

Поверхностное натяжение

К следующей статье

Идеальный газ

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

термодинамика — Почему что-то становится горячее, когда над ним совершается механическая работа?

Следующий ответ является гораздо более подробным переписыванием моего предыдущего ответа, который некоторые люди здесь, похоже, не поняли.

На этот вопрос сложно ответить, и ни один из ответов, которые я здесь прочитал, на самом деле не отвечает на вопрос. Они пытаются создать впечатление, что замена слов является объяснением.

Температура материала напрямую связана с колебательной энергией молекул/атомов, составляющих материал. Молекулы/атомы твердых тел удерживаются на месте их взаимными силами. Но эти силы создают только нейтральную позицию, и вокруг этой нейтральной позиции возникает вибрация интереса. Как же тогда трение увеличивает эту вибрацию?

Насколько я понимаю, частота этой вибрации зафиксирована квантовой механикой и находится на уровне нескольких терагерц. и, таким образом, трение не может изменить эту частоту. Однако он может изменить амплитуду, как я объясню.

С аналогией пружины/массы, сделанной для этих явлений, изменение амплитуды и поддержание постоянной частоты приводит к более высоким вибрационным скоростям и, следовательно, к более высоким температурам. Это основная идея, а вот детали.

Как же трение меняет амплитуду колебаний? Ответ: атомы/молекулы как натираемого, так и натираемого материала либо физически соприкасаются с атомами/молекулами другого материала, либо настолько приближаются к последнему, что между частицами обоих материалов становятся большими электростатические силы. Далее, перемещение трущихся материалов на много порядков превышает амплитуду колебаний частиц в обоих материалах. Таким образом, будь то прямой контакт или достаточно тесный контакт между частицами обоих материалов, соответствующие частицы в обоих материалах вынуждены совершать смещения, которые значительно превышают амплитуды их колебаний. Фактически, вынужденное смещение разрушает некоторые связи этих материалов, и их поверхности изнашиваются.

Таким образом, вибрирующая частица, которую можно не слишком далеко отклонить от ее нейтрального положения, вернется к вибрации, но теперь с большей амплитудой, поскольку «начальное условие» для новой вибрации больше, чем амплитуда до трения . Большие амплитуды колебаний, возникающие на контактирующих поверхностях, в свою очередь вызывают большие амплитуды колебаний в близлежащих частицах, а нагрев объемного материала происходит за счет диффузии.

Легко видеть, как такой процесс требует передачи энергии от резины к натиранию. Чтобы увеличить амплитуду вибрации, требуется энергия, точно так же, как требуется энергия, чтобы подтолкнуть кого-то на качелях к более высоким амплитудам. Уровни энергии, связанные с простым повышением температуры, меньше, чем те, которые связаны с разрывом межмолекулярных и межатомных связей, что происходит при истирании, износе и шлифовании.

В случае с газом, где температура определяется поступательной энергией (а не внутренними вращательными и колебательными модами), мы можем считать, что трение создает пограничный слой, а в наиболее агрессивных ситуациях также создает большие турбулентные вихри. Но исходный вопрос касается только твердых тел, поэтому я оставлю подробное объяснение этого случая для нового вопроса.

Как использовать первый закон термодинамики для простых механических систем?

Теперь мы выполняем работу $-ve$ в системе, останавливая ее, так что работа, выполненная системой, составляет $+ve$. Эта часть правильная?

Не всегда; вы наткнулись на тонкий момент в определении работы в механике, который редко обсуждается. В общем случае, если тело $A$ совершило работу $W$ над телом B, из этого не следует, что тело $B$ совершило работу $-W$ над телом $A$. Это верно только в том случае, если две материальные точки под действием взаимных сил двигались с одинаковой скоростью.

Объяснение:

Определение скорости работы: Когда тело S действует с силой $\mathbf F$ на тело $\mathbf{B}$, имеющее скорость $\mathbf v_B$ (точнее, скорость точки массы, на которую действует сила), скорость работы, совершаемой S над $\mathbf{B}$, определяется как

$$ \mathbf F\cdot\mathbf v_B. $$ Обратите внимание, что это скорость приемника, а не тела, от которого исходит сила. Поэтому, если я поцарапаю свой стол, в то время как поцарапанная часть остается в покое, на столе не было выполнено никакой работы.

Таким образом, определение работы основано на:

• сила, обусловленная приданием телу;
• скорость принимающего тела (точки его массы, на которую действует сила).

Как насчет работы над телом $S$? Это по определению

$$ -\mathbf F\cdot\mathbf v_S. $$

Силы имеют одинаковую величину и противоположные знаки (из-за 3-го закона Ньютона), но нет общей зависимости между двумя скоростями материальных точек, на которые действуют силы. Если $\mathbf v_S$ не равно $\mathbf v_B$ в течение всего процесса, возможно, две работы, совершенные над телами, не будут иметь одинаковой величины.

 ⁂
 

Рассмотрим некоторые конкретные случаи.

Случай 1. Если массивный блок $\mathbf B$ приводится в состояние покоя другим движущимся телом $S$ без трения скольжения (если точки масс тел, испытывающих взаимные силы, всегда движутся с одинаковыми скорость), скорости $\mathbf v_B,\mathbf v_S$ одинаковы, и две работы имеют одинаковую величину и противоположный знак.

Так бывает, например, когда блок останавливается в своем движении пружиной, закрепленной на стене, или человек останавливает его постепенно вручную. Кинетическая энергия блока $E_k$ уменьшается до нуля и равное количество энергии добавляется за счет работы к полной энергии останавливающегося тела. Никакой теплопередачи и изменения температуры не должно происходить, если заранее нет трения скольжения и разницы температур.

Случай 2. Если блок останавливается силами трения скольжения — скажем, из-за земли — описание в терминах работы другое. Массовая точка, в которой сила земли действует на блок $\mathbf B$, является частью блока и движется. Следовательно, земля совершает работу над блоком (и в системе отсчета земли эта работа отрицательна). Однако, поскольку земля вообще не движется, блок не работает на земле!

Это может выглядеть как нарушение сохранения энергии, т.к. блок замедляется без получения энергии землей, так как нет полученной работы.

Но это всего лишь нарушение механического сохранения энергии, что нормально и происходит ежедневно. Полная энергия может еще сохраняться, потому что она включает в себя также внутреннюю энергию блока и внутреннюю энергию грунта, которые изменяются в процессе.

Когда блок замедляется, его кинетическая энергия преобразует в другую форму энергии: внутреннюю энергию земли и блока. Это происходит с наибольшей интенсивностью на двух гранях, находящихся во взаимном механическом контакте.

Лица нагреваются, а для остальной части системы они действуют как резервуары тепла. Энергия передается через тепло как вверх в блок, так и вниз в землю.

Кроме того, разве работа не всегда равна изменению кинетической энергии (согласно теореме о работе)?

Только если изменяется только кинетическая энергия. Как правило, теорема о работе-энергии включает и другие виды энергии. Кинетическая энергия может переходить в потенциальную энергию (в гравитационном поле, в пружине) или во внутреннюю энергию (внутри вещества, может проявляться как повышение температуры или другое изменение термодинамического состояния).