Что такое работа и энергия Закон сохранения и превращения энергии
A= Fl.
Если направления силы и перемещения тела образуют угол о. (рис. 2, б), то работа силы измеряется произведением составляющей силы F в направлении перемещения (F cos α) на величину перемещения l:
А = Fl cos α.
Если направления действия силы и перемещения тела взаимно перпендикулярны, работа силы равняется нулю.
Единица работы в системе СИ — джоуль (дж). Джоуль — это работа, совершаемая силой в 1 н при перемещении тела на 1 м (1дж = 1 н•м).
Единица работы в системе СГС — эрг (эрг). Эрг это работа силы в 1 дин при перемещении тела на 1 см (1 эрг= 1дин•см). Джоуль равняется 107 эрг.
Механическая работа может совершаться за счет различных, физических процессов: тепловых, электрических и т. п. В связи с этим в физику было введено понятие энергии, как величины, характеризующей способность тел при переходе из одного состояния в другое совершать определенную работу. Энергия и работа измеряется в одинаковых единицах.
Превращение форм материи
Опыт показывает, что взаимное превращение различных конкретных форм движения материи (например, механической, тепловой, электрической и т. п.) происходит в строго определенных количественных соотношениях. Это требует установления общей меры для этих превращений. Такой мерой и является энергия. «… работа — это изменение формы движения, рассматриваемое с его количественной стороны», пишет Ф. Энгельс. В другом месте он говорит об «… изменении формы движения, или так называемой энергии».
При этом, поскольку движение неотделимо от материи, носителями энергии являются всегда материальные объекты, и независимо от них энергия рассматриваться не может.
Кинетическая и потенциальная энергия
Различают два основных вида механической энергии: энергию кинетическую и потенциальную.
Кинетическую энергию Ек имеет любое движущееся тело или частица, эта энергия численно равна половине произведения массы т тела на квадрат скорости υ2
Ек = mυ2/2
Зависимость кинетической энергии от скорости следует, например, из того, что для увеличения скорости тела надо совершить работу с помощью внешней силы. Эта работа переходит в кинетическую энергию тела. Наоборот, движущееся тело само может совершить работу, при этом скорость тела уменьшается.
Рассмотрим работу Л, которая совершается постоянной по величине силой F при изменении скорости равноускоренного движения тела с массой т от значения υ1 до υ2 (υ2> υ1). При этом ускорение а = (υ2— υ1)/t, где t—есть время, за которое происходит изменение скорости. Тело за это время проходит путь s, равный произведению средней скорости
υср = (υ1 + υ2)/2
Работа силы F совершенная по отношению к телу, численно равняется приращению его кинетической энергии.
Чем связана потенциальная энергия
Потенциальная энергия связана с взаимодействием тел (частей одного и того же тела) или частиц (атомов и молекул), которое осуществляется через посредство того или иного силового поля: гравитационного, поля молекулярных сил, электростатического и т. п.
Для перемещения тела в силовом поле против действия сил поля необходимо совершить работу с помощью внешней силы. Эта работа пойдет на увеличение потенциальной энергии тела. Наоборот, само тело, перемещаясь под действием сил поля, может совершить работу; при этом его потенциальная энергия соответственно уменьшится.
В обоих случаях значение имеет разность энергий в начальном и конечном положениях тела. Поэтому потенциальную энергию тела определяют не по абсолютной величине, а по отношению к величине, условно принятой за нулевой уровень
Например, потенциальную энергию тела в поле земного тяготения определяют сравнительно с энергией, которую оно имеет на поверхности земли (на уровне моря). В этом случае потенциальная энергия Еп тела измеряется произведением силы тяжести Р тела на высоту его h над уровнем моря:
Eп=Ph=mgh
где m масса тела, g — ускорение свободного падения.
Совокупность точек силового поля, в которых тело имеет одинаковую потенциальную энергию, называется энергетическим уровнем поля.
Следует отметить, что любое тело или система тел всегда стремится занять положение, которому соответствует наименьшая потенциальная энергия. Этот закон распространяется на любые виды потенциальной энергии.
При различных явлениях (движение тел, упругая деформация и т. п.) может происходить взаимное превращение потенциальной и кинетической энергии, однако сумма их, составляющая механическую энергию тела или системы тел, остается при этом неизменной:
Ем= Еп + Ек = const.
Это есть наиболее простая форма закона сохранения энергии.
Внутренняя энергия тела
Кроме механической энергии каждое тело имеет еще внутреннюю энергию. К внутренней энергии относится кинетическая энергия теплового движения атомов и молекул, потенциальная энергия их взаимодействия, обусловливающего состояние вещества (твердое, жидкое или газообразное), энергия, связанная с движением электронов в атомах, и т. п. Подробнее все эти виды внутренней энергии будут разобраны в соответствующих разделах.
Сумму механической и внутренней энергий называют полной энергией тела. Опыт показывает, что все виды энергии могут взаимно превращаться, однако только таким образом, что полная энергия тела остается неизменной. Это есть закон сохранения и превращения энергии, один из основных законов физики.
Не меньшее практическое значение, чем работа и энергия, имеет величина, называемая мощностью. Мощность характеризует количество работы, совершенное в единицу времени, или производительность машин и механизмов так же, как и физического труда человека.
Если работа совершается равномерно, мощность N измеряется отношением работы А к промежутку времени в течение которого она совершена:
N = A/t
Так как А = Fs. то
N = A/t = Fs/t= Fυ.
Мощность измеряется произведением силы F на скорость v перемещения тела.
Единица мощности
Единица мощности в системе СИ — ватт (вт). Ватт — это мощность, при которой работа в 1 дж совершается в 1 сек: 1 вт равняется 1 дж/сек.
Применяются также единицы гектоватт (1 гвт=100 вт) и киловатт (1 квт = 1000 вт).
Единица мощности в системе СГС — эрг в секунду (эрг/сек); 1 вт = 107 эрг/сек.
Статья на тему Работа и энергия