Praca (fizyka)

Z Wikipedii

Praca - skalarna wielkość fizyczna, miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach mechanicznych, elektrycznych, termodynamicznych i innych^[1]; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii^[2].

Spis treści 1 Praca w mechanice 1.1 Szczególne przypadki 2 Praca w termodynamice 2.1 Praca objętościowa 2.2 Praca uogólniona 3 Praca prądu elektrycznego 4 Przypisy 5 Zobacz też

[edytuj] Praca w mechanice

Jeżeli ruch ciała jest prostoliniowy, a wektor siły jest stały, to pracę tej siły określa wzór:

W ogólnym przypadku gdy wektor siły nie jest stały lub przemieszczenie nie jest prostoliniowe to praca jest sumą prac wykonanych na niewielkich odcinkach, na których uznaje się że spełnione są powyższe warunki, co wyrażone w postaci całki przedstawia się następująco:

Całkowanie odbywa się po drodze L jaką przebywa punkt zaczepienia siły.^[3]

Gdzie:

W - praca,

- siła,

- przesunięcie

α - kąt między wektorem siły i przesunięcia

Jednostką miary pracy w układzie jednostek miar SI jest dżul (J) określany jako niuton·metr:

[edytuj] Szczególne przypadki

Dla szczególnych przypadków związanych z miarą kąta zawartego między siłą a przesunięciem jej punktu zaczepienia wzór na pracę upraszcza się. Oto te przypadki:

• Gdy siła ma zwrot zgodny ze zwrotem przesunięcia jej punktu zaczepienia to kąt zawarty między siłą a przesunięciem jest równy 0°, a

, więc .

• Gdy siła ma zwrot przeciwny do zwrotu wektora przesunięcia jej punktu zaczepienia, to kąt zawarty między siłą a przesunięciem jest równy 180°, a

, więc .

• Gdy kierunek wektora siły jest prostopadły do kierunku wektora przesunięcia jej punktu zaczepienia, to kąt zawarty między siłą a przesunięciem jest równy 90°, a

, więc (praca siły jest równa zero, "my" niosąc walizkę pracujemy, ale nie ma to żadnego związku z pracami sił działających na walizkę).

Praca jest procesem przekazywania energii ^[4] i jest związana ze zmianą energii lub zamianą energii jednego rodzaju na energię innego rodzaju (np. praca niezrównoważonej siły grawitacji działającej na spadające ciało związana jest z zamianą energii potencjalnej (położenia) tego ciała na jego energię kinetyczną, a praca siły równoważącej siłę grawitacji podczas podnoszenia ciała zwiększa energię potencjalną (położenia). Związek między energią i pracą opisują niektóre sformułowania zasady zachowania energii.

[edytuj] Praca w termodynamice

W termodynamice klasycznej praca równa jest energii jaką układ termodynamiczny wymienia z otoczeniem przy zmianie swoich parametrów makroskopowych (objętość, położenie, natężenie pola, itp) jeżeli w otoczeniu wywołuje pracę rozumianą jako wielkość makroskopowa, np. przesunięcie tłoka, przepływ prądu elektrycznego. Zmiana energii wewnętrznej układu nie powodująca wykonania pracy makroskopowej jest ciepłem^[3][5].

Przepływ energii będący pracą nie zmienia entropii układu, zmiana energii będąca ciepłem zmienia entropię.

Praca jest formą zmiany energii układu zależną od drogi procesu. Ilość pracy nie jest jednoznacznie określona stanem początkowym i końcowym układu, a zależy od sposobu (drogi) przeprowadzenia procesu, dlatego praca jest funkcją procesu^[5].

W termodynamice statystycznej zmiana energii układu jest wynikiem oddziaływań cząstek biorących udział w danym procesie. Jeżeli ruchy cząstek wywołujące przepływ energii są uporządkowane, to z makroskopowego punktu widzenia, zmianę energii uznaje się pracę, a gdy nieuporządkowane, to za ciepło (cieplny przepływ energii)^[5].

[edytuj] Praca objętościowa

Praca w układzie termodynamicznym może wiązać ze zmianą objętości układu, wówczas zwana jest pracą objętościową, a gdy zachodzi bez zmiany objętości układu, wówczas nazywana jest pracą nieobjętościową. Przykładowo praca związana z przemieszczaniem ładunków w polu elektrycznym ogniwa paliwowego, ruch plazmy w polu magnetycznym w generatorze magnetohydrodynamicznym.

Zmiana objętości ciała znajdującego się pod działaniem sił zewnętrznych działających na jego powierzchnię lub umowną granicę, powoduje pracę zwaną objętościową. Pracę wykonaną przy niewielkiej zmianie objętości ciała, nie wywołującej zmiany ciśnienia określają wzory:

gdzie:

• W - praca wykonana na układzie, (δW - różniczka niezupełna),
• p - ciśnienie zewnętrzne,
• V - objętość układu.

Pojęcie pracy objętościowej używa się także w hydrodynamice, termodynamice i wszystkich dziedzinach fizyki, w których rozpatruje się ciało znajdujące się pod wpływem zewnętrznego ciśnienia.

Zasadą określającą sposób wymiany energii z otoczeniem, w tym i przez pracę, jest pierwsza zasada termodynamiki.

[edytuj] Praca uogólniona

W termodynamice uogólnieniem definicji pracy przyjętej w mechanice jest praca uogólniona. Wyrażenie na nieskończenie małą pracę (pracę elementarną) ma postać różniczki:

gdzie:

• x_i - parametry zewnętrzne układu (zmienne ekstensywne),
• X_i - odpowiadające parametrom siły uogólnione (zmienne intensywne).

Parametry x_i i X_i nazywane są zmiennymi sprzężonymi.

Jeżeli układ dokonuje przejścia między dwoma stanami, to praca układu jest równa sumie całek prac elementarnych. Całka ta zależy od od sposobu przejścia między punktami. Oznacza to że praca elementarna w ogólności nie jest różniczką zupełną względem współrzędnych x_i, ale może być różniczką zupełną dla niektórych procesów (np przemiany adiabatycznej izotermicznej gazu) i odpowiada zmianie potencjałów termodynamicznych (odpowiednio energii swobodnej, energii wewnętrznej)^[3].

Co wyraża wzór:

[edytuj] Praca prądu elektrycznego

Praca prądu elektrycznego jest sumą prac sił opisujących oddziaływanie poruszających się ładunków elektrycznych z siecią krystaliczną przewodnika (grzałki, żarówki, itp.) lub z innymi poruszającymi się ładunkami wytwarzającymi pole magnetyczne (silniki prądu stałego).

Praca prądu elektrycznego w obwodzie prądu stałego jest równa iloczynowi napięcia źródła energii elektrycznej, natężenia prądu przepływającego przez odbiornik oraz czasu przepływu prądu. W przypadku zmian natężenia prądu lub napięcia praca jest sumą prac elementarnych podobnie jak w przypadku zmian siły.

Jednostką pracy w tym przypadku jest wolt·amper·sekunda równy dżulowi (J)

W skali makroskopowej, przy przepływie prądu elektrycznego przez rezystor, praca prądu zamieniana jest na ciepło. Przy przepływie prądu przez silnik elektryczny praca prądu zamieniana jest na pracę mechaniczną.

[edytuj] Przypisy

1. ↑ http://encyklopedia.pwn.pl/haslo.php?id=3961599
2. ↑ Słownik Fizyczny Wiedza Powszechna W-wa 1984 ISBN 83-214-0053-1, s.55
3. ↑ ^{3,0 3,1 3,2} "Encyklopedia fizyki" praca zbiorowa PWN 1973 t. 2 s.842
4. ↑ "Słownik fizyczny" praca zbiorowa Wiedza Powszechna 1984 s.307 ISBN 83-214-0053-1
5. ↑ ^{5,0 5,1 5,2} P W Atkins, Chemia fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN 2001, ISBN 83-01-13502-b

[edytuj] Zobacz też

• wymiana cieplna, moc.