Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся. Работа внешних сил Чему равна работа газа

>>Физика: Работа в термодинамике

В результате каких процессов может меняться внутренняя энергия? Вы уже знаете, что есть два вида таких процессов: совершение работы и теплопередача. Начнем с работы. Чему она равна при сжатии и расширении газа и других тел?
Работа в механике и термодинамике. В механике работа определяется как произведение модуля силы, модуля перемещения точки ее приложения и косинуса угла между ними. При действии силы на движущееся тело работа равна изменению его кинетической энергии.
В движение тела как целого не рассматривается, речь идет о перемещении частей макроскопического тела друг относительно друга. В результате может меняться объем тела, а его скорость остается равной нулю. Работа в термодинамике определяется так же, как и в механике, но она равна не изменению кинетической энергии тела, а изменению его внутренней энергии.
Изменение внутренней энергии при совершении работы. Почему при сжатии или расширении тела меняется его внутренняя энергия тела? Почему, в частности, нагревается воздух при накачивании велосипедной шины?
Причина изменения температуры газа в процессе его сжатия состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия . Так, при движении навстречу молекулам газа поршень во время столкновений передает им часть своей механической энергии, в результате чего газ нагревается. Поршень действует подобно футболисту, встречающему летящий мяч ударом ноги. Нога сообщает мячу скорость, значительно большую той, которой он обладал до удара.
И наоборот, если газ расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем скорости молекул уменьшаются, в результате чего газ охлаждается. Так же действует и футболист, для того чтобы уменьшить скорость летящего мяча или остановить его, - нога футболиста движется от мяча, как бы уступая ему дорогу.
При сжатии или расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как при этом меняется среднее расстояние между молекулами.
Вычисление работы. Вычислим работу в зависимости от изменения объема на примере газа в цилиндре под поршнем (рис.13.1 ).

Проще всего вначале вычислить не работу силы , действующей на газ со стороны внешнего тела (поршня), а работу, которую совершает сила давления газа, действуя на поршень с силой . Согласно третьему закону Ньютона . Модуль силы, действующей со стороны газа на поршень, равен , где p - давление газа, а S - площадь поверхности поршня. Пусть газ расширяется изобарно и поршень смещается в направлении силы на малое расстояние . Так как давление газа постоянно, то работа газа равна:

Эту работу можно выразить через изменение объема газа. Начальный его объем V 1 =Sh 1 , а конечный V 2 =Sh 2 . Поэтому

где - изменение объема газа.
При расширении газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают.
Если газ сжимается, то формула (13.3) для работы газа остается справедливой. Но теперь , и поэтому (рис.13.2 ).

Работа A , совершаемая внешними телами над газом, отличается от работы самого газа A ´ только знаком: , так как сила , действующая на газ, направлена против силы а перемещение поршня остается тем же самым. Поэтому работа внешних сил, действующих на газ, равна:

При сжатии газа, когда , работа внешней силы оказывается положительной. Так и должно быть: при сжатии газа направления силы и перемещения точки ее приложения совпадают.
Если давление не поддерживать постоянным, то при расширении газ теряет энергию и передает ее окружающим телам: поднимающемуся поршню, воздуху и т. д. Газ при этом охлаждается. При сжатии газа, наоборот, внешние тела передают ему энергию и газ нагревается.
Геометрическое истолкование работы. Работе A´ газа для случая постоянного давления можно дать простое геометрическое истолкование.
Построим график зависимости давления газа от занимаемого им объема (рис.13.3 ). Здесь площадь прямоугольника abdc , ограниченная графиком p 1 =const, осью V и отрезками ab и cd , равными давлению газа, численно равна работе (13.3):

В общем случае давление газа не остается неизменным. Например, при изотермическом процессе оно убывает обратно пропорционально объему (рис.13.4 ). В этом случае для вычисления работы нужно разделить общее изменение объема на малые части и вычислить элементарные (малые) работы, а потом все их сложить. Работа газа по-прежнему численно равна площади фигуры, ограниченной графиком зависимости p от V , осью V и отрезками ab и cd , равными давлениям p 1 , p 2 в начальном и конечном состояниях газа.

???
1. Почему газы при сжатии нагреваются?
2. Положительную или отрицательную работу совершают внешние силы при изотермическом процессе, изображенном на рисунке 13.2?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

Историческая справка.

1) М.В. Ломоносов, проведя стройные рассуждения и простые опыты, пришел к выводу, что «причина теплоты состоит во внутреннем движении частиц связанной материи… Весьма известно, что тепло возбуждается движением: руки от взаимного трения согреваются, дерево загорается, искры вылетают при ударе кремнием о сталь, железо накаливается при ковании его частиц сильными ударами»

2) Б. Румфорд, работая на заводе по изготовлению пушек, заметил, что при сверлении пушечного ствола он сильно нагревается. Например, он помещал металлический цилиндр массой около 50 кг в ящик с водой и, сверля цилиндр сверлом, доводил воду в ящике до кипения за 2.5часа.

3) Дэви в 1799 году осуществил интересный опыт. Два куска льда при трении одного о другой начали таять и превращаться в воду.

4) Корабельный врач Роберт Майер в 1840 году во время плавания на остров Яву заметил, что после шторма вода в море всегда теплее, чем до него.

Вычисление работы.

В механике работа определяется как произведение модулей силы и перемещения: A=FS. При рассмотрении термодинамических процессов механическое перемещение макротел в целом не рассматривается. Понятие работы здесь связывается с изменением объема тела, т.е. перемещением частей макротела друг относительно друга. Процесс этот приводит к изменению расстояния между частицами, а также часто к изменению скоростей их движения, следовательно, к изменению внутренней энергии тела.

Пусть в цилиндре с подвижным поршнем находится газ при температуре T 1 (рис.). Будем медленно нагревать газ до температуры T 2 . Газ будет изобарно расширяться, и поршень переместится из положения 1 в положение 2 на расстояние Δl . Сила давления газа при этом совершит работу над внешними телами. Так как p = const, то и сила давления F = pS тоже постоянная. Поэтому работу этой силы можно рассчитать по формуле A =F Δ l =pS Δ l =p Δ V , A= p Δ V

где ΔV - изменение объема газа. Если объем газа не изменяется (изохорный процесс), то работа газа равна нулю.

Почему при сжатии или расширении меняется внутренняя энергия тела? Почему при сжатии газ нагревается, а при расширении охлаждается?

Причиной изменения температуры газа при сжатии и расширении является следующее: при упругих соударениях молекул с движущимся поршнем их кинетическая энергия изменяется .

• Если газ сжимается, то при столкновении движущийся навстречу поршень передаёт молекулам часть своей механической энергии, в результате чего газ нагревается;

• Если газ расширяется, то после столкновения с удаляющимся поршнем скорости молекул уменьшаются. в результате чего газ охлаждается.

При сжатии и расширении меняется и средняя потенциальная энергия взаимодействия молекул, так как при этом меняется среднее расстояние между молекулами.

Работа внешних сил, действующих на газ

• При сжатии газа, когда ΔV = V 2 – V 1 < 0 , A>0, направления силы и перемещения совпадают;
• При расширении, когда ΔV = V 2 – V 1 > 0 , A<0, направления силы и перемещения противоположны.

Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева для двух состояний газа:

pV 1 = m/M*RT 1 ; pV 2 =m/M* RT 2 ⇒

p (V 2 − V 1 )= m/M* R (T 2 − T 1 ).

Следовательно, при изобарном процессе

A = m/M* R Δ T .

Если m = М (1 моль идеального газа), то при ΔΤ = 1 К получим R = A . Отсюда вытекает физический смысл универсальной газовой постоянной : она численно равна работе, совершаемой 1 моль идеального газа при его изобарном нагревании на 1 К.

Геометрическое истолкование работы:

Если процесс не изобарный (рис. б), то кривую p = f (V ) можно представить как ломаную, состоящую из большого количества изохор и изобар. Работа на изохорных участках равна нулю, а суммарная работа на всех изобарных участках будет равна площади заштрихованной фигуры. При изотермическом процессе (Т = const) работа равна площади заштрихованной фигуры, изображенной на рисунке в.

При деформации конструкций происходит перемещение точек приложения внешних сил, при этом внешние силы на заданных перемещениях совершают работу.

Вычислим работу некоторой обобщенной силы (рис. 2.2.4), которая возрастает от нуля до заданной величины достаточно медленно, чтобы можно было пренебречь силами инерции перемещаемых масс. Такую нагрузку принято называть статической.

Рис.2.2.4

Пусть в произвольный момент деформации силе соответствует обобщенное перемещение. Бесконечно малое приращение силы на величину
вызовет бесконечно малое приращение перемещения
. Очевидно, что элементарная работа внешней силы, если пренебречь бесконечно малыми величинами второго порядка,

Полная работа, совершенная статически приложенной обобщенной силой , вызвавшей обобщенное перемещение,

. (2.2.5)

Полученный интеграл представляет собой площадь диаграммы
, которая для линейно деформированных систем является площадью треугольника с основанием окончательного значения перемещенияи высотой окончательного значения силы

(2.2.6)

Рис. 2.2.5

Таким образом, действительная работа при статическом действии обобщенной силы на упругую систему равна половине произведения окончательного значения силы на окончательное значение соответствующего ей обобщенного перемещения (теорема Клапейрона).

В случае статического действия на упругую систему нескольких обобщенных сил работа деформаций равна полусумме произведений окончательного значения каждой силы на окончательное значение соответствующего суммарного перемещения

(2.2.7)

и не зависит от порядка нагружения системы.

Работа внутренних сил.

Внутренние силы, возникающие при деформировании упругих систем, также совершают работу.

Рассмотрим элемент стержня длиной
(рис. 2.2.6). В общем случае для плоского изгиба действие удаленных частей стержня на оставленный элемент выражается равнодействующими осевыми силами
, поперечными силамии изгибающими моментами
. Эти усилия, показанные на рис 2.2.6 сплошными линиями, по отношению к выделенному элементу являются внешними.

Рис.2.2.6

Внутренние силы, показанные штриховыми линиями, препятствуют деформации, вызываемой внешними силами, равны им по величине и обратны по направлению.

Вычислим работу, совершенную отдельно каждым внутренним силовым фактором.

Пусть элемент испытывает только действие осевых усилий, равномерно распределенных по сечению (рис. 2.2.6).

Рис. 2.2.7

Удлинение элемента в результате этого

,

Работа, постепенно возрастающих от нуля до величины
внутренних сил на этом перемещении.

. (2.2.8)

Работа внутренних сил отрицательна, поэтому в полученной формуле стоит знак «минус».

Рассмотрим теперь элемент, находящийся под действием изгибающих моментов (рис. 2.2.8).

Взаимный угол поворота сечений элемента

.

Работа изгибающих моментов

. (2.2.9)

Рис. 2.2.8

Работу постепенно возрастающих внутренних поперечных сил с учетом распределения касательных напряжений по поперечному сечению и на основании закона Гука можно записать в следующем виде

, (2.2.10)

где - коэффициент, зависящий от формы поперечного сечения.

Если стержень подвергается кручению, элементарная работа постепенно возрастающих крутящих моментов

(2.2.11)

Наконец в общем случае действия на брус в сечениях имеем шесть внутренних силовых факторов, работу которых можно определить по формуле

Определим работу силы F, статически приложенной к некоторой упругой системе (рис.20, а), материал которой следует закону Гука.

При малых деформациях к этой системе применим принцип независимости действия сил, следовательно, перемещения отдельных точек и сечений конструкции прямо пропорциональны вызывающей их нагрузке:

где - перемещение по направлению силы F; - некоторый коэффициент, зависящий от материала, схемы и размеров сооружения. Увеличение силы F на бесконечно малую величину dF вызовет увеличение перемещения на .

Составим выражение элементарной работы внешней силы на перемещении , отбрасывая при этом бесконечно малые величины второго порядка малости: .

Заменим , используя (2.2):

Интегрируя это выражение в пределах полного изменения силы от нуля до ее конечного значения, получим формулу для определения работы, совершаемой статически приложенной внешней силой F:

или, с учетом(2.2):

то есть работа внешней силы при статическом действии ее на любое упругое сооружение равна половине произведения значения этой силы на величину соответствующего ей перемещения.

Для обобщения полученного вывода под силой понимают любое воздействие, приложенное к упругой системе, то есть не только сосредоточенную силу, но и момент или равномерно распределенную нагрузку; под перемещением понимают тот его вид, на котором данная сила производит работу: сосредоточенной силе соответствует линейное перемещение, сосредоточенному моменту – угловое, равномерно распределенной нагрузке – площадь эпюры перемещений на участке действия нагрузки.

При статическим действии на конструкцию группы внешних сил работа этих сил равна половине суммы произведений каждой силы на величину соответствующего ей перемещения, вызванного действием всей группы сил. Например, при действии на балку (рис.20,б) сосредоточенных сил F 1 , F 2 и сосредоточенных моментов М 1 и М 2 работа внешних сил:

Работу внешних сил на вызванных ими перемещения можно выразить и иначе – через внутренние силовые факторы (изгибающие моменты, продольные и поперечные силы), возникающие в поперечных сечениях системы.

Выделим из прямолинейного стержня двумя сечениями, перпендикулярными его оси (рис.21, а), бесконечно малый элемент dz.

Стержень состоит из бесконечно большого числа таких элементов. К каждому элементу dz в общем случае плоской задачи приложены продольная сила N z , изгибающий момент М х и поперечная сила Q y .

Для выделенного элемента dz усилия N, M, Q являются внешними силами, поэтому работу можно получить как сумму работ, совершенных статически возрастающими усилиями N, M, Q на соответствующих деформациях элементов dz.

Рассмотрим элемент dz, находящийся только под действием продольных сил N (рис.21,б). Если его левое сечение считать неподвижным, то правое сечение под влиянием продольной силы переместится вправо на величину . На этом перемещении сила N совершит работу:

Если неподвижно закрепить левое сечение элемента dz, находящегося под действием только изгибающих моментов М (рис.22,а), то взаимный угол поворота торцевых сечений элемента будет равен углу поворота его правого сечения:

На этом перемещении момент М совершит работу:

Закрепим левое сечение элемента dz, находящегося под действием только поперечных сил Q (рис.22,б,в), а к правому приложим касательные усилия , равнодействующей которых является поперечная сила Q. Предположим, что касательные напряжения равномерно распределены по всей площади А поперечного сечения, то есть , тогда перемещение определяется в виде: .

Приложение нагрузки к любому сооружению вызывает его деформацию. При этом части сооружения выходят из состояния покоя, приобретают некоторые скорости и ускорения. Если нагрузка возрастает медленно, то эти ускорения невелики, а потому можно пренебречь силами инерции, развивающимися в процессе перехода системы в деформированное состояние. Такое плавное (постепенное) приложение нагрузки называется статическим.

Определим работу внешней нагрузки, например силы Р, статически приложенной к некоторой упругой системе (рис. 1.11), материал которой удовлетворяет закону Гука.

При малых деформациях к этой системе применим принцип независимости действия сил, и, следовательно, перемещения отдельных точек и сечений конструкции прямо пропорциональны величине вызывающей их нагрузки. В общем виде эту зависимость можно выразить равенством

Здесь А - перемещение по направлению действия силы Р; а - некоторый коэффициент, зависящий от материала, схемы и размеров сооружения.

Увеличим силу Р на бесконечно малую величину Это приращение вызовет возрастание перемещения на величину

Составим выражение элементарной работы внешней силы на перемещении отбрасывая при этом бесконечно малые величины второго порядка малости:

Заменяем значение на основании формулы (1.11) выражением

Интегрируя это выражение в пределах полного изменения силы от нуля до ее конечного значения, получаем формулу для определения работы, совершенной статически приложенной внешней силой Р:

Так как то полученную формулу можно представить в виде

В общем случае направление силы Р может не совпадать с направлением вызванного ею перемещения. Так как величина работы определяется произведением силы на путь, пройденный по направлению этой силы, то под величиной А надо понимать проекцию действительного (полного) перемещения точки приложения силы на направление силы. Например, при действии силы Р под углом к горизонтальной оси (рис. 2.11) перемещение А измеряется отрезком (представляющим собой проекцию действительного перемещения на направление силы Р).

В случае, когда к системе приложена пара сил с моментом ЗК (сосредоточенный момент), выражение работы можно получить аналогичным образом. При этом необходимо выбрать соответствующий сосредоточенному моменту вид перемещения; это будет угол поворота того поперечного сечения бруса, к которому приложен момент.

Например, работа момента, статически приложенного к балке, изображенной на рис. 3.11,

где О - угол поворота (в радианах) того сечения балки, к которому приложен момент Ш.

Итак, работа внешней силы при статическом действии ее на любое упругое сооружение равна половине произведения значения этой силы на величину соответствующего ей перемещения.

Для обобщения полученного вывода под силой понимаем любое воздействие, приложенное к упругой системе, т. е. не только сосредоточенную силу, но и момент, равномерно распределенную нагрузку и т. п.; под перемещением понимаем тот вид перемещения, на котором данная сила производит работу. Сосредоточенной силе Р соответствует линейное перемещение, моменту - угловое, а равномерно распределенной нагрузке - площадь эпюры перемещений на участке действия нагрузки.

При статическом действии на сооружение группы внешних сил работа этих сил равна половине суммы произведений каждой силы на величину соответствующего ей перемещения, вызванного действием всей группы сил.

Так, например, при действии на балку, изображенную на рис. 4.11, сосредоточенных сил и сосредоточенных моментов работа внешних сил

Знак минус перед последним членом выражения принят потому, что направление угла поворота поперечного сечения балки, в котором приложен момент противоположно направлению этого момента.

Работу внешних сил на вызванных ими перемещениях можно выразить и иначе, а именно: через изгибающие моменты, продольные и поперечные силы, возникающие в поперечных сечениях стержней конструкции.

Выделим из прямолинейного стержня двумя сечениями, перпендикулярными его оси (рис. 5.11), бесконечно малый элемент длиной (элемент ). Стержень состоит из бесконечно большого числа таких элементов. К элементу в общем случае плоской задачи приложены продольная сила N, изгибающий момент М и поперечная сила

Усилия N, М, Q являются внутренними, усилиями по отношению к целому стержню. Однако для выделенного элемента они являются внешними силами, а потому работу А можно получить как сумму работ, совершенных статически возрастающими усилиями N, М, Q на соответствующих деформациях элементов Рассмотрим отдельно влияние каждого из этих усилий на элемент

Элемент находящийся под действием только продольных сил N, изображен на рис. 6.11. Если левое его сечение считать неподвижным, то правое сечение под влиянием продольной силы переместится вправо на величину На этом перемещении статически возрастающая сила N совершит работу

Элемент находящийся под действием только изгибающих моментов М, изображен на рис. 7.11.

Если левое его сечение не подвижно закрепить, то взаимный угол поворота торцовых сечений элемента будет равен углу поворота До его правого сечения [см. формулу (16.7) и рис. 33.7]:

На этом угловом перемещении статически возрастающий момент М совершит работу

Элемент находящийся под действием только поперечных сил Q, изображен на рис. 8.11, а. Закрепив левое его сечение (рис. 8.11, б), приложим к правому касательные усилия равнодействующей которых является поперечная сила

Предположим, что касательные напряжения равномерно распределены по всей площади F поперечного сечения, т. е. тогда перемещение (рис. 8.11,б), вызванное действием поперечной силы Q, представляющее собой сдвиг торцовых сечений элемента друг относительно друга, на основании формулы (3.4) определится из выражения

а работа статически возрастающей силы Q на этом перемещении