Совершение работы примеры: Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в процессе совершения … сжатии

Содержание

Способы изменения внутренней энергии тела – таблица, формула

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 133.

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 133.

Понятие внутренней энергии было сформулировано физиками прежде всего для построения теории, объясняющей тепловые явления. Для объяснения процессов теплопередачи, физическое тело рассматривается как система, состоящая из большого количества частиц (атомов и молекул). Сумма энергий всех частиц, составляющих тело (кинетическая и потенциальная), по определению является внутренней энергией физического тела. Рассмотрим основные способы изменения внутренней энергии.

Первый закон термодинамики и внутренняя энергия

Когда работа A совершается в результате механического движения тела как целого, или его взаимодействия с другими телами, то знание величины внутренней энергии U не требуется для расчетов. Напротив, когда работа сопровождается передачей тепла Q, то без знания закономерности, отражающей связь этих величин между собой, уже не обойтись.

Эту связь устанавливает первый закон термодинамики, который формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии ΔU в неизолированной термодинамической системе равно сумме работы внешних сил A и количества теплоты Q, переданного системе, что выражается в виде формулы:

$ ΔU = { Q + A } $ (1).

Если же сама термодинамическая система, получив тепло Q, совершает работу А, то формула (1) принимает следующий вид:

$ ΔU = { Q – A } $ (2).

Представления о внутренней энергии сложились далеко не сразу. В течение ХIХ века существовала теория теплорода, предложенная французским ученым Лавуазье. Считалось, что теплород — это некая субстанция (особый вид материи), при втекании которой в тело, его температура увеличивается, а при вытекании происходит уменьшение температуры. Многочисленные эксперименты, проведенные в начале ХIХ века, полностью опровергли эту теорию и развеяли миф о теплороде.

Изменение величины внутренней энергии с помощью работы

Итак, в соответствии с первым законом термодинамики внутренняя энергия вещества, из которого состоит данное тело, изменится если над ним будет совершена работа внешними силами, либо само тело совершит работу. Приведем ряд примеров:

Изменение величины внутренней энергии с помощью передачи тепла

Количество теплоты Q, полученное телом извне или, наоборот, переданное от себя другому телу — второй механизм, приводящий к изменению внутренней энергии ΔU. Передача энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом или теплопередачей. Теплообмен возможен только между телами, имеющими разную температуру, в результате чего происходит передача части внутренней энергии от тела с более высокой температурой к телу, имеющему низкую температуру.

Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение:

Механизм теплопроводности связан с передачей тепла от более нагретого тела к менее нагретому. Например, когда кастрюля с холодной водой ставится на разогретую газовую или электроплиту, то нагрев происходит за счет этого механизма, суть которого заключается в передаче энергии “горячих” молекул газового пламени или молекул раскаленной электрической спирали;
Конвекция представляет собой перенос внутренней энергии в газах и жидкостях в результате циркуляции потоков вещества и последующего перемешивания. Простым примером для понимания характера этого механизма служит работа кондиционера в помещении, когда поток охлажденного им воздуха начинает перемешиваться с более теплым, что приводит к общему понижению температуры в квартире или офисе;
Передача тепла с помощью излучения происходит в виде электромагнитных волн. Этот механизм может проистекать даже в вакууме. Часть внутренней энергии преобразуется в электромагнитную энергию, которая распространяется в пространстве и после попадания на другое тело, поглощается им. Таким образом происходит изменение внутренней энергии обоих тел. Чем больше температура тела, тем больше энергии передается с помощью излучения.

Рис. 1. Излучение – один из механизмов теплопередачи.

Изменение внутренней энергии с помощью химических реакций

Внутренняя энергия системы, представляющая собой смесь разных веществ, может изменяться в результате химических реакций, в которые эти вещества вступают между собой. При этом в результате тепло Q может либо выделяться (экзотермическая реакция), либо поглощаться (эндотермическая реакция). В первом случае внутренняя энергия уменьшается, а во втором — увеличивается.

Примером реакции с выделением тепла Q может служить реакция горения метана в кислороде:

$ СH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2*H_2O + Q $ (3).

Пример реакции с поглощением тепла — разложение карбоната кальция СaCO₃ на углекислый газ CO₂ и оксид кальция (негашеная известь) CaO:

$ СaCO_3 = CaO + CO_2 – Q $ (4).

Все перечисленные способы изменения внутренней энергии можно представить в виде следующей таблицы:.

Рис. 2. Таблица изменений внутренней энергии физических тел.

Физики научились регистрировать и измерять тепловое излучение, что позволило создать удивительные приборы, которые называются тепловизорами. Этими устройствами можно бесконтактно (на расстоянии) измерять температуру на поверхности различных тел, в том числе на теле человека. Тепловизоры применяются в медицине, в военной технике, в промышленности.

Рис. 3. Тепловизор — прибор, использующий тепловое излучение.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что внутреннюю энергию тела можно изменить либо с помощью совершения работы А, либо с помощью передачи количества теплоты Q. Существует три основных механизма теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Внутренняя энергия может также изменяться в результате химических реакций.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Александр Коновалов
10/10

Оценка доклада

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 133.

А какая ваша оценка?

Молекулярная физика и термодинамика

Имея уравнение состояния (1.7) идеального газа, мы найдем совершаемую им работу при некоторых типичных процессах. Заодно определим количество теплоты, получаемое от внешнего источника.

1. Изохорный процесс.

При изохорном нагревании или охлаждении (соответственно, прямые 1–2 и 1–3 на рис. 2.7) работа просто равна нулю, поскольку объем не меняется.

Рис. 2.7. определению работы в изохорном процессе

Получаемое количество теплоты (обозначим Q₁₂при V = const через Q_12V) полностью идет на изменение внутренней энергии газа (см. (1.19))

(2.6)

Ту же самую величину можно выразить через изменение температуры газа

(2. 7)

2. Изобарный процесс. Поскольку в этом процессе р = const, то давление можно вынести из-под знака интеграла в (2.3). Тогда получаем (рис. 2.8)

(2.8)

Рис. 2.8. Работа в изобарном процессе

Изменение внутренней энергии газа следует из (1.17) – (1.19) 1.17

1.18

1.19:

(2. 9)

Складывая (2.8) и (2.9), находим количество теплоты, переданное газу в этом процессе:

(2.10)

Пример 1. Пусть система получила при постоянном давлении определенное количество теплоты Q. Найдем, какая часть расходуется на совершение работы А, а какая — на увеличение внутренней энергии газа. Определим также, как зависит ответ от вида используемого газа.

Из формул (2.8) и (2.9) сразу следует, что
Чем больше g, тем большая часть тепла переходит в работу: для одноатомных газов
для двухатомных (без учета колебаний ядер, при двух вращательных степенях свободы)
и для многоатомных газов (без учета колебаний ядер, при трех вращательных степенях свободы)
Заметим, что мы излагаем достаточно общий подход, который применим не только к идеальным газам. Для иных систем может измениться уравнение состояния, как следствие изменятся выражения для совершенной работы, но принципы их вывода остаются одними и теми же. Приведем пример. Пусть для некоторой системы давление, температура и объем связаны соотношением

(2.11)

Найдем выражение для работы такой системы при изменении ее температуры от Т₁до Т₂при постоянном давлении. Поскольку давление постоянно, имеем для работы в изобарном процессе стандартное выражение
Используя уравнение состояния (2.11), находим отсюда

3. Изотермический процесс расширения (или сжатия) газа может происходить в условиях, когда теплообмен между газом и внешней средой осуществляется при постоянной разности температур. Для этого теплоемкость внешней среды должна быть достаточно велика, и процесс расширения (или сжатия) должен происходить достаточно медленно. Диаграмма изотермического расширения представлена на рис. 2.9.
Рис. 2.9. Работа при изотермическом расширении системы
Используя уравнение состояния и выражение (2.2) для элементарной работы, находим

(2.12)

Далее используем общее выражение (2.3) для работы при конечном изменении объема

(2. 13)

Поскольку объем обратно пропорционален давлению, тот же результат можно представить в виде

(2.14)

Так как внутренняя энергия идеального газа не меняется при изотермическом процессе, в работу преобразовалась вся теплота, полученная от источника:
Пример 2. Расширяясь, водород совершил работу 6 кДж. Найдем количество теплоты, подведенное к газу, если процесс протекал: а) изобарно; б) изотермически.

Рассмотрим сначала изобарное расширение. Из формул (2.8) и (2.10) следует связь количества теплоты и совершенной работы:
Мы использовали значение g = 7/5 для двухатомного газа. Для изотермического расширения, как мы видели, полученное количество теплоты просто равно произведенной работе:
Видео 2.1. Работа нагретого газа над вертушкой.

Дополнительная информация
http://kvant.mirror1.mccme.ru/ — Журнал Квант, 2004, № 3, стр. 32–33, А. Леонович «А так ли хорошо знакома вам теплопередача?», — попробуйте ответить на оригинальные вопросы, связанные с теплообменом.
Работа
Работа
Чтобы совершить работу над объектом, к объекту должна быть приложена сила, и он должен двигаться в направлении действия силы. Для выполнения работы требуется энергия, и основной единицей энергии в СИ является джоуль, количество энергии, необходимое для приложения силы в 1 ньютон на расстояние 1 метр (1 джоуль = 1 ньютон-метр).
В частном случае постоянной силы работа может быть рассчитана путем умножения расстояния на компонент силы, действующей в направлении движения.
Индекс
Принципы работы

Гиперфизика***** Механика R Ступица
Назад
Чтобы совершить работу над объектом, к объекту должна быть приложена сила, и он должен двигаться в направлении действия силы.
Данные могут быть введены для любого из приведенных ниже количеств. Когда ввод данных будет завершен, щелкните текст на иллюстрации выше для количества, которое вы хотите рассчитать. Данные в трех полях не будут принудительно согласованы, пока вы не нажмете на количество, которое нужно рассчитать. Работа = N х м = джоулей
Работа = фунт х футов = фут фунт
В частном случае постоянной силы работа может быть рассчитана путем умножения расстояния на компонент силы, действующей в направлении движения.
Индекс
Принципы работы

Гиперфизика***** Механика R Ступица
Вернуться
Для постоянной силы F, которая перемещает объект по прямой линии от x ₁ до x ₂ , работу силы можно изобразить как площадь, заключенную под силовой линией ниже
Для более общего случая переменной силы F(x), которая является функцией x, работа по-прежнему является площадью под кривой силы, и выражение работы становится интегралом.
Индекс
Принципы работы

Гиперфизика***** Механика R Ступица
Назад
Сила без движения или сила, перпендикулярная движению, не работает
Эти два примера сил, не совершающих работы, парадоксальны. Вы, конечно, можете чувствовать себя утомленным, когда делаете что-то из этого, так как же вы можете сказать, что работа не сделана?
В случае слева, независимо от того, как сильно и как долго вы толкали ящик, если ящик не двигается, значит, вы не выполнили над ящиком никакой работы. Он сидит на том же месте! Почему же тогда вы чувствуете усталость (а также разочарование и т. д.). Решение этой дилеммы приходит к выводу, что, когда ваши мышцы используются для приложения силы к чему-либо, отдельные мышечные волокна находятся в постоянном процессе сокращения и расслабления, чтобы поддерживать общий коллективный результат постоянной силы, воздействующей на внешний объект. Это сокращение и расслабление включает в себя силу и движение и представляет собой внутреннюю работу в вашем теле. Энергия проявляется как разогрев мышечной ткани, но если ящик не движется, в ящике по-прежнему нет чистой работы.
Пример справа — еще один стандартный парадокс в определении работы. Если ящик несут с постоянной скоростью, то нет необходимости в результирующей силе, чтобы удерживать его в движении. Сила, приложенная человеком, представляет собой направленную вверх силу, равную весу ящика, и эта сила перпендикулярна движению. Если нет движения в направлении силы, то эта сила не совершает никакой работы. Тем не менее, вы, безусловно, чувствуете, что выполняете работу, если несете тяжелую коробку. Разрешение парадокса аналогично первому примеру — ваши мышцы должны поддерживать дополнительное напряжение, чтобы оставаться в вертикальном положении под нагрузкой. Это требует большего внутреннего сокращения и высвобождения наших мышечных волокон и, следовательно, внутренней работы нашего тела. Но работа, совершаемая над ящиком, равна нулю, так как при движении по прямой с постоянной скоростью его энергия остается неизменной.
Есть много важных примеров сил, которые не совершают работы, потому что они действуют перпендикулярно движению. При круговом движении центростремительная сила всегда действует под прямым углом к движению. Он меняет направление движения, но не действует на объект. Это может быть применено к любой круговой орбите.
Индекс
Принципы работы

Гиперфизика***** Механика R Ступица
Вернуться назад
10 примеров положительной и отрицательной проделанной работы
3/5 — (9 голосов)
Как правило, все, во что мы вкладываем действие, является работой. Например, есть, ходить, читать, писать, бегать и так далее. Работа – это энергия, приложенная к действию. Работу можно разделить на три типа: позитивная работа, негативная работа и нулевая работа. В этой статье будут рассмотрены понятия работы и энергии, положительные и отрицательные примеров проделанной работы , чтобы прояснить темы.
Работа
Выполнение работы требует умственных и физических усилий. Говорят, что работа совершается, когда к объекту приложена сила и его положение изменилось. С научной точки зрения работа совершается только при преодолении определенного расстояния или при приложении силы. Если объект, к которому приложена сила, не движется, то работа не совершается.
Например, если человек поднимает с пола тяжелую сумку и движется в определенном направлении, говорят, что работа выполнена. Если человек, несущий тяжелую сумку, стоит на месте, согласно научному определению работы работа не выполняется.
Чтобы определить работу, мы можем сказать, что сила, приложенная к объекту, заставляющая его двигаться в любом направлении, называется работой. Работа выполняется таким образом, что в проделанную работу включаются и приложенная сила, и расстояние, которое преодолевает объект; то есть работа является мерой энергии, используемой для перемещения объекта.
СИ Единица работы – это единица энергии = Джоуль (Дж).
1 Дж = 1 Н·м; поскольку сила измеряется в ньютонах (Н), а расстояние измеряется в метрах (м), произведение силы на перемещение дает Н·м, что равняется 1 Дж.
Формула проделанной работы (Вт) = Сила (F) * расстояние (d)
Сила и расстояние являются векторными величинами, поскольку обе они имеют величину и направление. Работа есть произведение силы и перемещения/расстояния, поэтому она имеет только величину, но не направление. Следовательно, работа является скалярной величиной.
Работа, совершаемая против силы тяжести
Работа, совершаемая против силы тяжести, является просто мерой энергии, затрачиваемой при приложении силы против силы тяжести. Гравитация — это сила притяжения, которая притягивает тело к земле.
Объект падает на землю из-за гравитационного притяжения Земли. Если мы поднимем этот объект с земли, это называется работой против силы тяжести.
Мы знаем, что
Работа (Вт) = Сила (F) * Перемещение (d)
И сила тяжести (F) = масса (м) * ускорение свободного падения (g)
При расчете выполненной работы против силы тяжести смещение объекта равно высоте падения объекта на землю. Итак, расстояние (d) = высота объекта от земли (h)
Таким образом, получается, что работа (Вт) = сила (F) * перемещение (d)
работа (Вт) = масса (м) * ускорение свободного падения (г) * высота (ч)
Вт = м * г * h
Единицей СИ для работы, совершаемой против силы тяжести, будет Джоуль (Дж).
Выполненная положительная работа
Выполненная положительная работа — это работа, выполненная в направлении движения объекта. Если направление приложенной силы совпадает с направлением движения объекта, то выполненная работа является положительной выполненной работой.
Например, объект падает на землю в направлении силы тяжести. Поскольку сила тяжести направлена вниз в направлении падающего тела, говорят, что совершенная работа является положительной.
W = ( + ) F * d
Вот несколько примеров положительной работы, поясняющих проделанную положительную работу:
Игроки пинают мяч в направлении движения.
Медсестра перемещает пациента в инвалидной коляске.
Человек на скейтборде.
Транспортные средства на дороге, движущиеся вперед.
Нарезка овощей ножом.
Поднятие кресла и перемещение его в другом направлении.
Перемещение коробки по столу.
Двое детей бросают друг в друга мяч.
Совершенная отрицательная работа
Совершенная отрицательная работа — это работа, совершаемая в направлении, противоположном направлению движения объекта. Если направление приложенной силы противоположно направлению движения тела, то совершенная работа является отрицательной.
Например, если объект брошен вверх, движение объекта противоположно силе притяжения земли, действующей вниз. Следовательно, выполненная работа является отрицательной выполненной работой.
W = (-) F * d
Вот несколько примеров, наглядно объясняющих проделанную отрицательную работу:
Когда мяч подбрасывается в воздух, он движется против силы тяжести.
При ходьбе по дороге сила трения, действующая против движения ног, является отрицательной работой.
Когда воду вытягивают из колодца, сила, приложенная к веревке, направлена вниз, а ведро поднимается вверх.
Случай с качелями также является примером отрицательной работы, потому что сила приложена вниз, а человек, сидящий напротив, движется вверх.
Когда человек прыгает, то работа силы тяжести является отрицательной работой.
Когда с некоторой силой ловишь приближающийся издалека предмет, руки двигаются вниз.
Игра в перетягивание каната является примером отрицательной работы, когда противоположная команда применяет силу в противоположном направлении.
В игре по борьбе отрицательная работа — это когда человек применяет силу, чтобы победить противника.
Выполнена нулевая работа
Выполнена нулевая работа, когда сила не приложена к объекту или когда сила приложена, но перемещение равно нулю.
No related posts.