Формула полезной работы: Формула КПД (коэффициента полезного действия) в физике

Содержание

Работа равнодействующей силы, тяжести, трения, упругости. Мощность, коэффициент полезного действия. Примеры, формулы

Тестирование онлайн

Работа

Работа — это скалярная величина, которая определяется по формуле

Работу выполняет не тело, а сила! Под действием этой силы тело совершает перемещение.

Обратите внимание, что у работы и энергии одинаковые единицы измерения. Это означает, что работа может переходить в энергию. Например, для того, чтобы тело поднять на некоторую высоту, тогда оно будет обладать потенциальной энергией, необходима сила, которая совершит эту работу. Работа силы по поднятию перейдет в потенциальную энергию.

Правило определения работы по графику зависимости F(r): работа численно равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения.

Угол между вектором силы и перемещением

1) Верно определяем направление силы, которая выполняет работу; 2) Изображаем вектор перемещения; 3) Переносим вектора в одну точку, получаем искомый угол.

На рисунке на тело действуют сила тяжести (mg), реакция опоры (N), сила трения (Fтр) и сила натяжения веревки F, под воздействием которой тело совершает перемещение r.

Работа силы тяжести

Работа реакции опоры

Работа силы трения

Работа силы натяжения веревки

Работа равнодействующей силы

Работу равнодействующей силы можно найти двумя способами: 1 способ — как сумму работ (с учетом знаков «+» или «-«) всех действующих на тело сил, в нашем примере
2 способ — в первую очередь найти равнодействующую силу, затем непосредственно ее работу, см. рисунок

Работа силы упругости

Для нахождения работы, совершенной силой упругости, необходимо учесть, что эта сила изменяется, так как зависит от удлинения пружины. Из закона Гука следует, что при увеличении абсолютного удлинения, сила увеличивается.

Для расчета работы силы упругости при переходе пружины (тела) из недеформированного состояния в деформированное используют формулу

Мощность

Скалярная величина, которая характеризует быстроту выполнения работы (можно провести аналогию с ускорением, которое характеризует быстроту изменения скорости). Определяется по формуле

Коэффициент полезного действия

КПД — это отношение полезной работы, совершенной машиной, ко всей затраченной работе (подведенной энергии) за то же время

Коэффициент полезного действия выражается в процентах. Чем ближе это число к 100%, тем выше производительность машины. Не может быть КПД больше 100, так как невозможно выполнить больше работы, затратив меньше энергии.

КПД наклонной плоскости — это отношение работы силы тяжести, к затраченной работе по перемещению вдоль наклонной плоскости.

Главное запомнить

1) Формулы и единицы измерения;
2) Работу выполняет сила;
3) Уметь определять угол между векторами силы и перемещения

Если работа силы при перемещении тела по замкнутому пути равна нулю, то такие силы называют консервативными или потенциальными. Работа силы трения при перемещении тела по замкнутому пути никогда не равна нулю. Сила трения в отличие от силы тяжести или силы упругости является

неконсервативной или непотенциальной.

Есть условия, при которых нельзя использовать формулу
Если сила является переменной, если траектория движения является кривой линией. В этом случае путь разбивается на малые участки, для которых эти условия выполняются, и подсчитать элементарные работы на каждом из этих участков. Полная работа в этом случае равна алгебраической сумме элементарных работ:

Значение работы некоторой силы зависит от выбора системы отсчета.

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

Код и классификация направлений подготовки	Код группы образовательной программы	Наименование групп образовательных программ	Количество мест
8D01 Педагогические науки
8D011 Педагогика и психология	D001	Педагогика и психология	45
8D012 Педагогика дошкольного воспитания и обучения	D002	Дошкольное обучение и воспитание	5
8D013 Подготовка педагогов без предметной специализации	D003	Подготовка педагогов без предметной специализации	22
8D014 Подготовка педагогов с предметной специализацией общего развития	D005	Подготовка педагогов физической культуры	7
8D015 Подготовка педагогов по естественнонаучным предметам	D010	Подготовка педагогов математики	30
	D011	Подготовка педагогов физики (казахский, русский, английский языки)	23
	D012	Подготовка педагогов информатики (казахский, русский, английский языки)	35
	D013	Подготовка педагогов химии (казахский, русский, английский языки)	22
	D014	Подготовка педагогов биологии (казахский, русский, английский языки)	18
	D015	Подготовка педагогов географии	18
8D016 Подготовка педагогов по гуманитарным предметам	D016	Подготовка педагогов истории	17
8D017 Подготовка педагогов по языкам и литературе	D017	Подготовка педагогов казахского языка и литературы	37
	D018	Подготовка педагогов русского языка и литературы	24
	D019	Подготовка педагогов иностранного языка	37
8D018 Подготовка специалистов по социальной педагогике и самопознанию	D020	Подготовка кадров по социальной педагогике и самопознанию	10
8D019 Cпециальная педагогика	D021	Cпециальная педагогика	20
		Всего	370
8D02 Искусство и гуманитарные науки
8D022 Гуманитарные науки	D050	Философия и этика	20
	D051	Религия и теология	11
	D052	Исламоведение	6
	D053	История и археология	33
	D054	Тюркология	7
	D055	Востоковедение	10
8D023 Языки и литература	D056	Переводческое дело, синхронный перевод	16
	D057	Лингвистика	15
	D058	Литература	26
	D059	Иностранная филология	19
	D060	Филология	42
		Всего	205
8D03 Социальные науки, журналистика и информация
8D031 Социальные науки	D061	Социология	20
	D062	Культурология	12
	D063	Политология и конфликтология	25
	D064	Международные отношения	13
	D065	Регионоведение	16
	D066	Психология	17
8D032 Журналистика и информация	D067	Журналистика и репортерское дело	12
8D032 Журналистика и информация	D069	Библиотечное дело, обработка информации и архивное дело	3
		Всего	118
8D04 Бизнес, управление и право
8D041 Бизнес и управление	D070	Экономика	39
	D071	Государственное и местное управление	28
	D072	Менеджмент и управление	12
	D073	Аудит и налогообложение	8
	D074	Финансы, банковское и страховое дело	21
	D075	Маркетинг и реклама	7
8D042 Право	D078	Право	30
		Всего	145
8D05 Естественные науки, математика и статистика
8D051 Биологические и смежные науки	D080	Биология	40
	D081	Генетика	4
	D082	Биотехнология	19
	D083	Геоботаника	10
8D052 Окружающая среда	D084	География	10
	D085	Гидрология	8
	D086	Метеорология	5
	D087	Технология охраны окружающей среды	15
	D088	Гидрогеология и инженерная геология	7
8D053 Физические и химические науки	D089	Химия	50
8D053 Физические и химические науки	D090	Физика	70
8D054 Математика и статистика	D092	Математика и статистика	50
8D054 Математика и статистика	D093	Механика	4
		Всего	292
8D06 Информационно-коммуникационные технологии
8D061 Информационно-коммуникационные технологии	D094	Информационные технологии	80
8D062 Телекоммуникации	D096	Коммуникации и коммуникационные технологии	14
8D063 Информационная безопасность	D095	Информационная безопасность	26
		Всего	120
8D07 Инженерные, обрабатывающие и строительные отрасли
8D071 Инженерия и инженерное дело	D097	Химическая инженерия и процессы	46
	D098	Теплоэнергетика	22
	D099	Энергетика и электротехника	28
	D100	Автоматизация и управление	32
	D101	Материаловедение и технология новых материалов	10
	D102	Робототехника и мехатроника	13
	D103	Механика и металлообработка	35
	D104	Транспорт, транспортная техника и технологии	18
	D105	Авиационная техника и технологии	3
	D107	Космическая инженерия	6
	D108	Наноматериалы и нанотехнологии	21
	D109	Нефтяная и рудная геофизика	6
8D072 Производственные и обрабатывающие отрасли	D111	Производство продуктов питания	20
	D114	Текстиль: одежда, обувь и кожаные изделия	9
	D115	Нефтяная инженерия	15
	D116	Горная инженерия	19
	D117	Металлургическая инженерия	20
	D119	Технология фармацевтического производства	13
	D121	Геология	24
8D073 Архитектура и строительство	D122	Архитектура	15
	D123	Геодезия	16
	D124	Строительство	12
	D125	Производство строительных материалов, изделий и конструкций	13
	D128	Землеустройство	14
8D074 Водное хозяйство	D129	Гидротехническое строительство	5
8D075 Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	D130	Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	11
		Всего	446
8D08 Сельское хозяйство и биоресурсы
8D081 Агрономия	D131	Растениеводство	22
8D082 Животноводство	D132	Животноводство	12
8D083 Лесное хозяйство	D133	Лесное хозяйство	6
8D084 Рыбное хозяйство	D134	Рыбное хозяйство	4
8D087 Агроинженерия	D135	Энергообеспечение сельского хозяйства	5
8D087 Агроинженерия	D136	Автотранспортные средства	3
8D086 Водные ресурсы и водопользование	D137	Водные ресурсы и водопользования	11
		Всего	63
8D09 Ветеринария
8D091 Ветеринария	D138	Ветеринария	21
		Всего	21
8D11 Услуги
8D111 Сфера обслуживания	D143	Туризм	11
8D112 Гигиена и охрана труда на производстве	D146	Санитарно-профилактические мероприятия	5
8D113 Транспортные услуги	D147	Транспортные услуги	5
8D113 Транспортные услуги	D148	Логистика (по отраслям)	4
8D114 Социальное обеспечение	D142	Социальная работа	10
		Всего	35
		Итого	1815
		АОО «Назарбаев Университет»	65
		Стипендиальная программа на обучение иностранных граждан, в том числе лиц казахской национальности, не являющихся гражданами Республики Казахстан	10
		Всего	1890

Какая мощность определяет полезную работу совершаемую эц. Коэффициент полезного действия

На практике важно знать, как быстро машина или механизм совершают работу.

Быстрота совершения работы характеризуется мощностью.

Cредняя мощность численно равна отношению работы к промежутку времени, за который совершается работа.

= DA/Dt. (6)

Если Dt ® 0, то, перейдя к пределу, получим мгновенную мощность:

. (8)

, (9)

N = Fvcos.

В СИ мощность измеряется в ваттах (Bт).

На практике важно знать производительность механизмов и машин или другой промышленной и сельскохозяйственной техники.

Для этого используют коэффициент полезного действия (КПД) .

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы ко всей затраченной.

. (10)

1.5. Кинетическая энергия

Энергию, которой обладают движущиеся тела, называют кинетической энергией (W k).

Найдем полную работу силы при перемещении м. т. (тела) на участке пути 1– 2. Под действием силы м. т. может изменять свою скорость, например, увеличивает (уменьшает) от v 1 до v 2 .

Уравнение движения м. Т. Запишем в виде

Полная работа
или
.

После интегрирования
,

где
называют кинетической энергией. (11)

Cледовательно,

. (12)

Вывод: Работа силы при перемещении материальной точки равна изменению ее кинетической энергии .

Полученный результат можно обобщить на случай произвольной системы м. т.:
.

Следовательно, суммарная кинетическая энергия – величина аддитивная. Широкое применение имеет другая форма записи формулы кинетической энергии:
. (13)

Замечание: кинетическая энергия – функция состояния системы, зависит от выбора системы отсчета и является величиной относительной.

В формуле А 12 = W k под А 12 надо понимать работу всех внешних и внутренних сил. Но сумма всех внутренних сил равна нулю (на основании третьего закона Ньютона) и суммарный импульс равен нулю.

Но не так обстоит дело в случае кинетической энергии изолированной системы м. т. или тел. Оказывается, что работа всех внутренних сил не равна нулю.

Достаточно привести простой пример (рис. 6).

Как видно из рис. 6, работа силы f 12 по перемещению м. т. массой m 1 положительна

A 12 = (– f 12) (– r 12) > 0

и работа силы f 21 по перемещению м.т. (тела) массой m 2 также положительна:

A 21 = (+ f 21) (+ r 21) > 0.

Следовательно, полная работа внутренних сил изолированной системы м. т. не равна нулю:

А = А 12 + А 21  0.

Таким образом, суммарная работа всех внутренних и внешних сил идет на изменение кинетической энергии.

В реальной действительности работа, совершаемая при помощи какого — либо устройства, всегда больше полезной работы, так как часть работы выполняется против сил трения, которые действуют внутри механизма и при перемещении его отдельных частей. Так, применяя подвижный блок, совершают дополнительную работу, поднимая сам блок и веревку и, преодолевая силы трения в блоке.

Введем следующие обозначения: полезную работу обозначим $A_p$, полную работу — $A_{poln}$. При этом имеем:

Определение

Коэффициентом полезного действия (КПД) называют отношение полезной работы к полной. Обозначим КПД буквой $\eta $, тогда:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\ \left(2\right).\]

Чаще всего коэффициент полезного действия выражают в процентах, тогда его определением является формула:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\ \left(2\right).\]

При создании механизмов пытаются увеличить их КПД, но механизмов с коэффициентом полезного действия равным единице (а тем более больше единицы) не существует.

И так, коэффициент полезного действия — это физическая величина, которая показывает долю, которую полезная работа составляет от всей произведенной работы. При помощи КПД оценивают эффективность устройства (механизма, системы), преобразующей или передающей энергию, совершающего работу.

Для увеличения КПД механизмов можно пытаться уменьшать трение в их осях, их массу. Если трением можно пренебречь, масса механизма существенно меньше, чем масса, например, груза, который поднимает механизм, то КПД получается немного меньше единицы. Тогда произведенная работа примерно равна полезной работе:

Золотое правило механики

Необходимо помнить, что выигрыша в работе, используя простой механизм добиться нельзя.

Выразим каждую из работ в формуле (3) как произведение соответствующей силы на путь, пройденный под воздействием этой силы, тогда формулу (3) преобразуем к виду:

Выражение (4) показывает, что используя простой механизм, мы выигрываем в силе столько же, сколько проигрываем в пути. Данный закон называют «золотым правилом» механики. Это правило сформулировал в древней Греции Герон Александрийский.

Это правило не учитывает работу по преодолению сил трения, поэтому является приближенным.

КПД при передаче энергии

Коэффициент полезного действия можно определить как отношение полезной работы к затраченной на ее выполнение энергии ($Q$):

\[\eta =\frac{A_p}{Q}\cdot 100\%\ \left(5\right).\]

Для вычисления коэффициента полезного действия теплового двигателя применяют следующую формулу:

\[\eta =\frac{Q_n-Q_{ch}}{Q_n}\left(6\right),\]

где $Q_n$ — количество теплоты, полученное от нагревателя; $Q_{ch}$ — количество теплоты переданное холодильнику.

КПД идеальной тепловой машины, которая работает по циклу Карно равно:

\[\eta =\frac{T_n-T_{ch}}{T_n}\left(7\right),\]

где $T_n$ — температура нагревателя; $T_{ch}$ — температура холодильника.

Примеры задач на коэффициент полезного действия

Пример 1

Задание. Двигатель подъемного крана имеет мощность $N$. За отрезок времени равный $\Delta t$ он поднял груз массой $m$ на высоту $h$. Каким является КПД крана?\textit{}

Решение. Полезная работа в рассматриваемой задаче равна работе по подъему тела на высоту $h$ груза массы $m$, это работа по преодолению силы тяжести. Она равна:

Полную работу, которая выполняется при поднятии груза, найдем, используя определение мощности:

Воспользуемся определением коэффициента полезного действия для его нахождения:

\[\eta =\frac{A_p}{A_{poln}}\cdot 100\%\left(1.3\right).\]

Формулу (1.3) преобразуем, используя выражения (1.1) и (1.2):

\[\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%.\]

Ответ. $\eta =\frac{mgh}{N\Delta t}\cdot 100\%$

Пример 2

Задание. Идеальный газ выполняет цикл Карно, при этом КПД цикла равно $\eta $. Какова работа в цикле сжатия газа при постоянной температуре? Работа газа при расширении равна $A_0$

Решение. Коэффициент полезного действия цикла определим как:

\[\eta =\frac{A_p}{Q}\left(2.1\right).\]

Рассмотрим цикл Карно, определим, в каких процессах тепло подводят (это будет $Q$).

Так как цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, можно сразу сказать, что в адиабатных процессах (процессы 2-3 и 4-1) теплообмена нет. В изотермическом процессе 1-2 тепло подводят (рис.1 $Q_1$), в изотермическом процессе 3-4 тепло отводят ($Q_2$). Получается, что в выражении (2.1) $Q=Q_1$. Мы знаем, что количество теплоты (первое начало термодинамики), подводимое системе при изотермическом процессе идет полностью на выполнение газом работы, значит:

Газ совершает полезную работу, которую равна:

Количество теплоты, которое отводят в изотермическом процессе 3-4 равно работе сжатия (работа отрицательна) (так как T=const, то $Q_2=-A_{34}$). В результате имеем:

Преобразуем формулу (2.1) учитывая результаты (2.2) — (2.4):

\[\eta =\frac{A_{12}+A_{34}}{A_{12}}\to A_{12}\eta =A_{12}+A_{34}\to A_{34}=(\eta -1)A_{12}\left(2.4\right).\]

Так как по условию $A_{12}=A_0,\ $окончательно получаем:

Ответ. $A_{34}=\left(\eta -1\right)A_0$

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.

Формула 1 — коэффициент полезного действия

Где—A полезная работа

—Q суммарная работа, которая была затрачена

Любая система, совершающая какую либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа. Возьмем, к примеру, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.

Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери. Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.

Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любом системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.

КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.

В заключение можно сказать, что КПД определяет уровень совершенства, какого либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.6∙7)∙100%=30%.

В общем случае чтобы найти КПД, любой тепловой машины (двигателя внутреннего сгорания, парового двигателя, турбины и т.д.), где работа выполняется газом, имеет коэффициент полезного действия равный разности теплоты отданной нагревателем Q1 и полученной холодильником Q2, найдите разность теплоты нагревателя и холодильника, и поделите на теплоту нагревателя КПД= (Q1-Q2)/Q1. Здесь КПД измеряется в дольных единицах от 0 до 1, чтобы перевести результат в проценты, умножьте его на 100.

Чтобы получить КПД идеальной тепловой машины (машины Карно), найдите отношение разности температур нагревателя Т1 и холодильника Т2 к температуре нагревателя КПД=(Т1-Т2)/Т1. Это предельно возможный КПД для конкретного типа тепловой машины с заданными температурами нагревателя и холодильника.

Для электродвигателя найдите затраченную работу как произведение мощности на время ее выполнения. Например, если электродвигатель крана мощностью 3,2 кВт поднимает груз массой 800 кг на высоту 3,6 м за 10 с, то его КПД равен отношению полезной работы Ап=m∙g∙h, где m – масса груза, g≈10 м/с² ускорение свободного падения, h – высота на которую подняли груз, и затраченной работы Аз=Р∙t, где Р – мощность двигателя, t – время его работы. Получите формулу для определения КПД=Ап/Аз∙100%=(m∙g∙h)/(Р∙t) ∙100%=%=(800∙10∙3,6)/(3200∙10) ∙100%=90%.

Видео по теме

Источники:

как определить кпд

КПД (коэффициент полезного действия) – безразмерная величина, характеризующая эффективность работы. Работа есть сила, влияющая на процесс в течение некоторого времени. На действие силы затрачивается энергия. Энергия вкладывается в силу, сила вкладывается в работу, работа характеризуется результативностью.

Инструкция

Расчет КПД с определения энергии, потраченной непосредственно для достижения результата. Она может быть выражена в единицах, необходимых для достижения результата энергии, силы, мощности.
Чтобы не ошибиться, полезно держать в уме следующую схему. Простейшая включает в себя элемента: «рабочий », источник энергии, органы управления, пути и элементы проведения и преобразования энергии. Энергия, потраченная на достижение результата – это энергия, затраченная только «рабочим инструментом».

Далее вы определяете энергию, реально потраченную всей системой в процессе достижения результата. То есть не только «рабочим инструментом», но и органами управления, преобразователями энергии, а также к затратам следует отнести энергию, рассеянную в путях проведения энергии.

И далее вы подсчитываете коэффициент полезного действия по формуле:
К.П.Д. = (А / В)*100%, где
А – энергия, необходимая на достижение результата
В – энергия, реально затраченная системой на достижение результатов.Например: на проведение электроинструментальных работ было потрачено 100 кВт, при этом вся энергосистема цеха за это время потребила 120 кВт. КПД системы (энергосистемы цеха) в этом случае будет равен 100 кВт / 120 кВт = 0.83*100% = 83%.

Видео по теме

Обратите внимание

Часто понятие КПД применяют, оценивая отношение запланированных расходов энергии и реально потраченных. Например, соотношение запланированных объемов работ (или времени, необходимого для выполнения работы) к реально произведенным работам и потраченному времени. Здесь следует быть предельно внимательным. Например, запланировали затратить на работы 200 кВт, а затратили 100 кВт. Или запланировали произвести работы за 1 час, а затратили 0.5 часа; в обоих случаях КПД получается 200%, что невозможно. На самом деле в таких случаях имеет место, как говорят экономисты, «стахановский синдром», то есть сознательное занижение плана по отношению к реально необходимым затратам.

Полезный совет

1. Затраты энергии вы должны оценивать в одних и тех же единицах.

2. Затраченная всей системой энергия не может быть меньше потраченной непосредственно на достижение результата, то есть КПД не может быть больше 100%.

Источники:

как посчитать энергии

Рейтинг эффективности танка или его КПД – один из комплексных показателей игрового мастерства. Его учитывают при приеме в топовые кланы, в киберспортивные команды, в роты. Формула расчета довольно сложна, поэтому игроки пользуются различными онлайн-калькуляторами.

Формула расчета

Одна из первых формул расчета выглядела так:
R=K x (350 – 20 x L) + Ddmg x (0,2 + 1,5 / L) + S x 200 + Ddef x 150 + C x 150

Сама формула приведена на картинке. ((WINRATE — 35) x 0.134))) — 500) x 0.45 + (6-MIN(TIER,6)) x 60

В этой формуле:
MIN (TIER,6) – средний уровень танка игрока, если он больше 6, используется значение 6
FRAGS – среднее количество уничтоженных танков
TIER – средний уровень танков игрока
DAMAGE – средний урон в бою
MIN (DEF,2,2) – среднее количество сбитых очков захвата базы, если значение больше 2,2 используется 2,2
WINRATE – общий процент побед

Как видно, в этой формуле не учитываются очки захвата базы, количество фрагов на низкоуровневой технике, процент побед и влияние начального засвета на рейтинге сказываются не очень сильно.

Компания Wargeiming ввела в обновлении показатель личного рейтинга эффективности игрока, который рассчитывается по более сложной формуле, учитывающей все возможные статистические показатели.

Как повысить эффективность

Из формулы Кх(350-20хL) видно, что чем выше уровень танка, тем меньшее количество очков эффективности получается за уничтожение танков, зато большее за нанесение урона. Поэтому, играя на низкоуровневой технике, старайтесь брать больше фрагов. На высокоуровневой – наносить больше урона (дамага). Количество очков полученных или сбитых очков захвата базы на рейтинг влияют несильно, причем за сбитые очки захвата очков КПД начисляется больше, чем за полученные очки захвата базы.

Поэтому большинство игроков улучшают свою статистику, играя на низших уровней, в так называемой песочнице. Во-первых, большинство игроков на низших уровнях – новички, не имеющие навыков, не использующие прокачанный экипаж с умениями и навыками, не использующие дополнительное оборудование, не знающие преимуществ и недостатков того или иного танка.

Независимо от того, на какой технике играете, старайтесь сбивать как можно большее количество очков захвата базы. Взводные бои сильно повышают рейтинг эффективности, так как игроки во взводе действуют скоординировано и чаще добиваются победы.

Термин «КПД» — это аббревиатура, образованная от словосочетания «коэффициент полезного действия». В самом общем виде он представляет собой соотношение затраченных ресурсов и результата выполненной с их использованием работы.

КПД

Понятие коэффициента полезного действия (КПД) может быть применено к самым различным типам устройств и механизмов, работа которых основана на использовании каких-либо ресурсов. Так, если в качестве такого ресурса рассматривать энергию, используемую для работы системы, то результатом этого следует считать объем полезной работы, выполненной на этой энергии.

В общем виде формулу КПД можно записать следующим образом: n = A*100%/Q. В данной формуле символ n применяется в качестве обозначения КПД, символ A представляет собой объем выполненной работы, а Q — объем затраченной энергии. При этом стоит подчеркнуть, что единицей измерения КПД являются проценты. Теоретически максимальная величина этого коэффициента составляет 100%, однако на практике достигнуть такого показателя практически невозможно, так как в работе каждого механизма присутствуют те или иные потери энергии.

КПД двигателя

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), представляющий собой один из ключевых компонентов механизма современного автомобиля, также представляет собой вариант системы, основанной на использовании ресурса — бензина или дизельного топлива. Поэтому для нее можно рассчитать величину КПД.

Несмотря на все технические достижения автомобильной промышленности, стандартный КПД ДВС остается достаточно низким: в зависимости от использованных при конструировании двигателя технологий он может составлять от 25% до 60%. Это связано с тем, что работа такого двигателя сопряжена со значительными потерями энергии.

Так, наибольшие потери эффективности работы ДВС приходятся на работу системы охлаждения, которая забирает до 40% энергии, выработанной двигателем. Значительная часть энергии — до 25% — теряется в процессе отведения отработанных газов, то есть попросту уносится в атмосферу. Наконец, примерно 10% энергии, вырабатываемой двигателем, уходит на преодоление трения между различными деталями ДВС.

Поэтому технологи и инженеры, занятые в автомобильной промышленности, прилагают значительные усилия для повышения КПД двигателей путем сокращения потерь по всем перечисленным статьям. Так, основное направление конструкторских разработок, направленное на уменьшение потерь, касающихся работы системы охлаждения, связано с попытками уменьшить размер поверхностей, через которые происходит теплоотдача. Уменьшение потерь в процессе газообмена производится преимущественно с использованием системы турбонаддува, а снижение потерь, связанных с трением, — посредством применения более технологичных и современных материалов при конструировании двигателя. Как утверждают специалисты, применение этих и других технологий способно поднять КПД ДВС до уровня 80% и выше.

Видео по теме

Источники:

О ДВС, его резервах и перспективах развития глазами специалиста

Расчёт КПД наклонной плоскости — Физика дома

Задача на расчёт КПД наклонной плоскости. Вопросы подобного типа вполне могут встретиться и на ЕГЭ, и на ГИА. Задачи этого типа — не самые сложные. Но, как и при решении любой задачи, есть некоторые нюансы, которые надо знать.

По наклонному помосту длиной 8 м и высотой 1,6 м втаскивают груз массой 225 кг. Найдите КПД наклонной плоскости, если коэффициент трения равен 0,1.

Как и любую другую задачу на расчёт КПД, эту задачу необходимо начинать решать с записи формулы для определения КПД (коэффициента полезного действия).

Конкретно для решения этой, ещё нужно нарисовать рисунок.

Далее требуется определить, какая работа является полезной, а какая работа затраченная.

Полезная работа — это то, что необходимо выполнить в задаче (здесь — поднять тело на высоту h). Затраченная работа — это работа, при совершении которой часть энергии идёт на работу по преодолению силы трения.

Записываем формулы для определения работы полезной и работы затраченной. И, используя алгоритм для решения задач на законы динамики, вычисляем силы, которые надо приложить для выполнения работы.

Важно! При определении работы полезной и работы затраченной задайте вопрос: что необходимо сделать в задаче и за счёт чего эта задача может быть выполнена. Таким образом можно очень быстро понять, где какую работу (энергию) подставлять в формулу для расчёта КПД.

И не только наклонной плоскости.

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

Составление формулы изобретения и полезной модели

Формула изобретения или полезной модели является наиболее важной частью заявки на патент, поскольку именно она определяет объект, на который будет действовать правовая охрана.

1. Состав патентной формулы

Формула описывается с помощью признаков — характеристик патентуемого объекта.

Для описания разных видов объектов (способ, устройство, вещество и т.д.) предусмотрены различные признаки.

Для способа это может быть:

— наличие какого-либо действия (операции) или нескольких действий,

— последовательность выполнения действий,

— условия проведения действий (температура, давление, используемые устройства и вещества и т.д.).

Для устройства:

— наличие элементов конструкции,

— наличие связи между элементами,

— характеристики элементов (форма, материал и т.д.)

-возможность выполнения элементами определенной функции (возможность перемещения, взаимодействия с другими элементами и т.д.)

Для вещества:

— качественный состав (композиции),

— количественный состав (массовые, объемные атомные %, части и т.д.)

— физические и химические характеристики вещества в целом (структура, вязкость, прочность и т.д.)

— характеристики компонентов вещества,

2. Пункты формулы.

Формула, как правило, состоит из независимых и зависимых пунктов. В случае, когда формула описывает один объект, пункт 1 является независимым, а все остальные пункты – подчиненные ему зависимые.

Пункт формулы начинается с родового понятия — характеристики, отражающей назначение заявляемого изобретения (полезной модели), например : «Способ бурения грунта», «Устройство для сварки листового материала», «Композиция для лечения сердечно-сосудистых заболеваний» и т.д.

К изложению текста пунктов формулы предъявляется ряд общих требований:

1) Пункт формулы составляется в одно предложение.

Допускается разделение частей пункта формулы точкой с запятой или новым абзацем,

2) Один пункт формулы должен описывать один объект.

Например, нельзя описывать в одном пункте способ и устройство.

3) Формула, как правило, должна состоять из ограничительной части, в которой описываются общие для заявляемого объекта и наиболее близкого аналога (прототипа) признаки , и отличительной части, в которой указываются отличия патентуемого объекта от данного аналога. Между данными частями указывается фраза «отличающийся тем, что». Для изобретения допускается составление формулы без разделения на ограничительную и отличительные части (во многих случаях это удобно для логического изложения текста). Для полезной модели формула может быть составлена без разделения только, если патентуемый объект не имеет аналогов.

4) Формула составляется с учетом требования единства.

5) Все признаки формулы должны быть ясными, нельзя использовать неопределенные термины, а также понятия, не являющиеся общепринятыми для конкретной области техники.

6) В формуле должно соблюдаться единство терминологии, т.е. признак по всему тексту должен называться одинаково. Например, недопустимо в одном части текста формулы называть деталь «стержнем», а в другой части — «штырем».

7) Нельзя заменять словесную характеристику объекта отсылкой на чертеж (рисунок). Это допускается только в крайних случаях, когда объект невозможно описать словами без привлечения рисунка.

8) Не стоит указывать в формуле технический результат, в формуле описываются только средства для его достижения, а сам результат приводится в описании.

3. Независимый пункт формулы

Независимый пункт формулы определяет объем правовой охраны изобретения (полезной модели), т.е. является основой заявки.

При написании независимого пункта следует учитывать следующие основные принципы:

№1: Чем меньше признаков в независимом пункте, тем шире правовая охрана, что лучше для будущего патента.

Следовательно, нужно стараться описать объект как можно более общими признаками (понятиями), чтобы заявитель имел максимальный объем прав на изобретение (полезную модель).

№2: В независимом пункте формулы обязательно должны присутствовать признаки необходимые:

— для реализации назначения изобретения (полезной модели),

— для достижения указываемого в описании технического результата;

№3: Совокупность признаков независимого пункта формулы должна обеспечивать объекту изобретения или полезной модели патентоспособность, т.е. охарактеризовать его таким образом, чтобы

— разработка была новой (совокупность признаков формулы не известна из уровня техники),

— разработка имела изобретательский уровень (совокупность признаков не очевидна для специалиста из уровня техники) (применяется для изобретений),

— разработка имела промышленную применимость (изобретение или полезную модель возможно практически реализовать, так как оно описано в независимом пункте).
С учетом этих принципов при составлении независимого пункта формулы желательно найти баланс между условием №1 и условиями №2 и №3: стараться описать объект как можно меньшим количеством признаков, выраженных наиболее общим образом (для обеспечения широкой степени защиты), но при этом обязательно указать минимум признаков, необходимых для реализации основного назначения и достижения технического результата, а также признаки, обеспечивающие патентоспособность решения.

4. Зависимый пункт формулы

Зависимые пункты являются дополнением (развитием) независимого пункта и автоматические включают все его характеристики. Зависимые пункты раскрывают частные (необязательные) варианты реализации изобретения или полезной модели. В частности, в указанных пунктах приводятся сведения, описывающие конкретную реализацию узлов устройства, конструкцию элементов, используемые материалы, конкретные режимы способов и т.д.

Сведения в данных пунктов не влияют на объем охраны изобретения (полезной модели). Однако целесообразно указывать как можно больше информации в зависимых пунктах по ряду причин:

— признаки из зависимых пунктов могут быть включены в независимый пункт, что бывает необходимо на этапе экспертизы заявки или при оспаривании выдачи патента,

— сведения, раскрытые в заявке, в том числе в зависимых пунктах формулы, после выдачи патента становятся общемировым уровнем техники. Подробное раскрытие аспектов технического решения перекрывает конкурентам возможность последующего патентования подобных технических решений.

Однако не следует включать в заявку (в том числе в формулу), подробности разработки, которые не следует знать конкурентам, поскольку тексты описания и формулы открыто публикуются. Грамотные заявители всегда оставляют в секрете некоторые особенности своей идеи (элемент конструкции, операция технологии, компонент вещества и т.д.), без которых реализация изобретения или полезной модели сильно затруднена. Это значительно усложняет копирование разработки.

При изложении зависимых пунктов приводится отсылка на соответствующий независимый пункт формулы, например в виде «Способ по п.1, отличающийся тем, что…». Также зависимый пункт может ссылаться на другой зависимый пункт.

5. Примеры и типичные ошибки

Неправильно составленная формула:

Ошибки:

— термин «специальная конструкция» не является понятным, необходимо раскрывать эту конструкцию в формуле,

— термин «наносят» подразумевает действие, т.е. характеризует объект «способ», поскольку заявлен объект «устройство» это является недопустимым. Следует указать, что покрытие нанесено.

— один и тот же элемент в формуле назван разными терминами: пластина и плита, что недопустимо, следует указать единый термин.

— ограничение формы и материала пластины очевидно сужает объем правовой охраны изобретении, что даст возможность конкурентам «обойти» такой патент; такие признаки следует включать в зависимые пункты формулы,

— антиадгезионный слой является необязательным элементом, поэтому его также следует указать в зависимом пункте.

С учетом устранения данных ошибок, правильный вариант формулы может быть составлен так:

Определение коэффициента полезного действия электрического нагревательного прибора

Учитель физики поставил перед нами проблему под названием: «Определение коэффициента полезного действия бытового электрического нагревательного прибора». После продолжительных поисков бытового электрического нагревательного прибора (электрическая плитка, электрический утюг, кондиционер, электрическая сушилка, тепловентилятор, электрокалорифер и так далее), мы решили вычислить коэффициент полезного действия электрического чайника типа TEFAL и получили одобрение учителя. Мы вспомнили формулу коэффициента полезного действия

ŋ = ―― ,

A З где ŋ — коэффициент полезного действия,

А п — полезная работа,

А з — затраченная работа.

Повторили темы по физике темы: «Электричество», «Теплота» и пришли к выводу, что в качестве полезной работы можно использовать количество теплоты, а в качестве затраченной работы следует использовать работу электрического тока.

Расчетная формула представлена в следующем виде:

ŋ = ―― ,

A где ŋ — коэффициент полезного действия,

Q – количество теплоты, полученное водой,

А – работа электрического тока.

Количество теплоты вычисляется по формуле:

Q = cm(t2°-t1°), где с – удельная теплоёмкость воды, m – масса воды, t2° = 100 °C – температура кипения воды, t1° – начальная температура воды (измеряется термометром ).

Работа электрического тока вычисляется по формуле:

А = Р t, где А – работа электрического тока.

Р – электрическая мощность нагревательного прибора, t – промежуток времени, в течение которого нагревается вода.

В школе под руководством учителя мы познакомились с устройством и принципом действия электрического чайника, изучили правила техники безопасности. Возвратившись из школы домой, мы приступили к выполнению лабораторной работы в домашних условиях, предварительно получив разрешение родителей на проведение эксперимента на кухне.

Домашняя лабораторная работа.

Определение коэффициента полезного действия электрического чайника

Приборы и материалы:

1) электрический чайник типа TEFAL,

2) источник электрического тока (розетка квартирной электропроводки),

3) водопроводная вода,

4) термометр,

5) часы с секундной стрелкой (секундомер),

6) калькулятор.

Порядок выполнения работы.

Электрический чайник отключен от электрической сети. Берем в руки пустой чайник, переворачиваем его, изучаем паспорт чайника, записываем значение мощности нагревательного элемента

Опыт № 1.

1) Открываем крышку чайника, наливаем в него воду из крана объемом 1 литр ( 1 килограмм ).

2) Термометр помещаем в чайник с водой.

3) Измеряем температуру воды в чайнике

4) Вынимаем термометр из воды и помещаем его в футляр.

5) Плотно закрываем крышку чайника.

6) Ставим чайник на платформу.

7) Включаем чайник и засекаем время по часам. Вода в чайнике нагревается. Следим за показаниями часов.

8) Отмечаем момент автоматического отключения чайника (момент закипания воды).

9). Вычисляем промежуток времени, в течение которого нагревалась вода от начальной температуры до кипения

10) Осторожно снимаем с платформы чайник с горячей водой. Выливаем воду из чайника в раковину.

11). Рассчитываем работу электрического тока по формуле .

12). Вычисляем количество теплоты по формуле .

13) Рассчитываем коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника по формуле .

14) Полученный результат выражаем в процентах и делаем вывод: а) коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника равен 78,6 % ( Клементьев Александр ).

б) коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника равен 72,3 % ( Щукин Иван ).

Примечание: в этой работе представлена для того, чтобы любой преподаватель, снявший копию с описания лабораторной работы, без особых затруднений предложил своим ученикам определить коэффициент полезного действия чайника, используемого в домашних условиях.

Формула полезной работы в физике. Определение механической работы

В нашем повседневном опыте слово «работа» встречается очень часто. Но следует различать работу физиологическую и работу с точки зрения науки физики. Когда вы приходите с уроков, вы говорите: «Ой, как я устал!». Это работа физиологическая. Или, к примеру, работа коллектива в народной сказке «Репка».

Рис 1. Работа в повседневном смысле слова

Мы же будем говорить здесь о работе с точки зрения физики.

Механическая работа совершается, если под действием силы происходит перемещение тела. Работа обозначается латинской буквой А. Более строго определение работы звучит так.

Работой силы называется физическая величина, равная произведению величины силы на расстояние, пройденное телом в направлении действия силы.

Рис 2. Работа — это физическая величина

Формула справедлива, когда на тело действует постоянная сила.

В международной системе единиц СИ работа измеряется в джоулях.

Это означает, что если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа 1 джоуль.

Единица работы названа в честь английского ученого Джеймса Прескотта Джоуля.

Рис 3. Джеймс Прескотт Джоуль (1818 — 1889)

Из формулы для вычисления работы следует, что возможны три случая, когда работа равна нулю.

Первый случай — когда на тело действует сила, но тело не перемещается. Например, на дом действует огромная сила тяжести. Но она не совершает работы, поскольку дом неподвижен.

Второй случай — когда тело перемещается по инерции, то есть на него не действуют никакие силы. Например, космический корабль движется в межгалактическом пространстве.

Третий случай — когда на тело действует сила, перпендикулярная направлению движения тела. В этом случае, хотя и тело перемещается, и сила на него действует, но нет перемещения тела в направлении действия силы .

Рис 4. Три случая, когда работа равна нулю

Следует также сказать, что работа силы может быть отрицательной. Так будет, если перемещение тела происходит против направления действия силы . Например, когда подъемный кран с помощью троса поднимает груз над землей, работа силы тяжести отрицательна (а работа силы упругости троса, направленная вверх, наоборот, положительна).

Предположим, при выполнении строительных работ котлован необходимо засыпать песком. Экскаватору для этого понадобится несколько минут, а рабочему с помощью лопаты пришлось бы трудиться несколько часов. Но и экскаватор, и рабочий при этом выполнили бы одну и ту же работу .

Рис 5. Одну и ту же работу можно выполнить за разное время

Чтобы охарактеризовать быстроту выполнения работы в физике используется величина, называемая мощностью.

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

Мощность обозначается латинской буквой N .

Единицей измерения мощности я системе СИ является ватт.

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

Единица мощности названа в честь английского ученого, изобретателя паровой машины Джеймса Уатта.

Рис 6. Джеймс Уатт (1736 — 1819)

Объединим формулу для вычисления работы с формулой для вычисления мощности.

Вспомним теперь, что отношение пути, пройденного телом, S , ко времени движения t представляет собой скорость движения тела v .

Таким образом, мощность равна произведению численного значения силы на скорость движения тела в направлении действия силы .

Этой формулой удобно пользоваться при решении задач, в которых сила действует на тело, движущееся с известной скоростью.

Список литературы

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. — 17-е изд. — М.: Просвещение, 2004.
Перышкин А.В. Физика. 7 кл. — 14-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2010.
Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. — М: Издательство «Экзамен», 2010.

Интернет-портал Physics.ru ().
Интернет-портал Festival.1september.ru ().
Интернет-портал Fizportal.ru ().
Интернет-портал Elkin52.narod.ru ().

Домашнее задание

В каких случаях работа равна нулю?
Как находится работа на пути, пройденном в направлении действия силы? В противоположном направлении?
Какую работу совершает сила трения, действующая на кирпич, при его перемещении на 0,4 м? Сила трения равна 5 Н.

В повседневной жизни часто приходится встречаться с таким понятием как работа. Что это слово означает в физике и как определить работу силы упругости? Ответы на эти вопросы вы узнаете в статье.

Механическая работа

Работа — это скалярная алгебраическая величина, которая характеризует связь между силой и перемещением. При совпадении направления этих двух переменных она вычисляется по следующей формуле:

F — модуль вектора силы, которая совершает работу;
S — модуль вектора перемещения.

Не всегда сила, которая действует на тело, совершает работу. Например, работа силы тяжести равна нулю, если ее направление перпендикулярно перемещению тела.

Если вектор силы образует отличный от нуля угол с вектором перемещения, то для определения работы следует воспользоваться другой формулой:

A=FScosα

α — угол между векторами силы и перемещения.

Значит, механическая работа — это произведение проекции силы на направление перемещения и модуля перемещения, или произведение проекции перемещения на направление силы и модуля этой силы.

Знак механической работы

В зависимости от направления силы относительно перемещения тела работа A может быть:

положительной (0°≤ α
отрицательной (90°
равной нулю (α=90°).

Если A>0, то скорость тела увеличивается. Пример — падение яблока с дерева на землю. При A

Единица измерения работы в СИ (Международной системе единиц) — Джоуль (1Н*1м=Дж). Джоуль — это работа силы, значение которой равно 1 Ньютону, при перемещении тела на 1 метр в направлении действия силы.

Работа силы упругости

Работу силы можно определить и графическим способом. Для этого вычисляется площадь криволинейной фигуры под графиком F s (x).

Так, по графику зависимости силы упругости от удлинения пружины, можно вывести формулу работы силы упругости.

Она равна:

A=kx 2 /2

k — жесткость;
x — абсолютное удлинение.

Что мы узнали?

Механическая работа совершается при действии на тело силы, которая приводит к перемещению тела. В зависимости от угла, который возникает между силой и перемещением, работа может быть равна нулю или иметь отрицательный или положительный знак. На примере силы упругости вы узнали о графическом способе определения работы.

«Физика — 10 класс»

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, позволяющий описывать большинство происходящих явлений.

Описание движения тел также возможно с помощью таких понятий динамики, как работа и энергия.

Вспомните, что такое работа и мощность в физике.

Совпадают ли эти понятия с бытовыми представлениями о них?

Все наши ежедневные действия сводятся к тому, что мы с помощью мышц либо приводим в движение окружающие тела и поддерживаем это движение, либо же останавливаем движущиеся тела.

Этими телами являются орудия труда (молоток, ручка, пила), в играх — мячи, шайбы, шахматные фигуры. На производстве и в сельском хозяйстве люди также приводят в движение орудия труда.

Применение машин во много раз увеличивает производительность труда благодаря использованию в них двигателей.

Назначение любого двигателя в том, чтобы приводить тела в движение и поддерживать это движение, несмотря на торможение как обычным трением, так и «рабочим» сопротивлением (резец должен не просто скользить по металлу, а, врезаясь в него, снимать стружку; плуг должен взрыхлять землю и т. д.). При этом на движущееся тело должна действовать со стороны двигателя сила.

Работа совершается в природе всегда, когда на какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел).

Сила тяготения совершает работу при падении капель дождя или камня с обрыва. Одновременно совершает работу и сила сопротивления, действующая на падающие капли или на камень со стороны воздуха. Совершает работу и сила упругости, когда распрямляется согнутое ветром дерево.

Определение работы.

Второй закон Ньютона в импульсной форме Δ = Δt позволяет определить, как меняется скорость тела по модулю и направлению, если на него в течение времени Δt действует сила .

Воздействия на тела сил, приводящих к изменению модуля их скорости, характеризуются величиной, зависящей как от сил, так и от перемещений тел. Эту величину в механике и называют работой силы .

Изменение скорости по модулю возможно лишь в том случае, когда проекция силы F r на направление перемещения тела отлична от нуля. Именно эта проекция определяет действие силы, изменяющей скорость тела по модулю. Она совершает работу. Поэтому работу можно рассматривать как произведение проекции силы F r на модуль перемещения |Δ| (рис. 5.1):

А = F r |Δ| . (5.1)

Если угол между силой и перемещением обозначить через α, то F r = Fcosα .

Следовательно, работа равна:

А = |Δ|cosα . (5.2)

Наше бытовое представление о работе отличается от определения работы в физике. Вы держите тяжёлый чемодан, и вам кажется, что вы совершаете работу. Однако с точки зрения изики ваша работа равна нулю.

Работа постоянной силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и косинуса угла между ними.

В общем случае при движении твёрдого тела перемещения его разных точек различны, но при определении работы силы мы под Δ понимаем перемещение её точки приложения. При поступательном движении твёрдого тела перемещение всех его точек совпадает с перемещением точки приложения силы.

Работа, в отличие от силы и перемещения, является не векторной, а скалярной величиной. Она может быть положительной, отрицательной или равной нулю.

Знак работы определяется знаком косинуса угла между силой и перемещением. Если α 0, так как косинус острых углов положителен. При α > 90° работа отрицательна, так как косинус тупых углов отрицателен. При α = 90° (сила перпендикулярна перемещению) работа не совершается.

Если на тело действует несколько сил, то проекция равнодействующей силы на перемещение равна сумме проекций отдельных сил:

F r = F 1r + F 2r + … .

Поэтому для работы равнодействующей силы получаем

А = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + … = А 1 + А 2 + … . (5.3)

Если на тело действует несколько сил, то полная работа (алгебраическая сумма работ всех сил) равна работе равнодействующей силы.

Совершённую силой работу можно представить графически. Поясним это, изобразив на рисунке зависимость проекции силы от координаты тела при его движении по прямой.

Пусть тело движется вдоль оси ОХ (рис. 5.2), тогда

Fcosα = F x , |Δ| = Δ х .

Для работы силы получаем

А = F|Δ|cosα = F x Δx .

Очевидно, что площадь прямоугольника, заштрихованного на рисунке (5.3, а), численно равна работе при перемещении тела из точки с координатой х1 в точку с координатой х2.

Формула (5.1) справедлива в том случае, когда проекция силы на перемещение постоянна. В случае криволинейной траектории, постоянной или переменной силы мы разделяем траекторию на малые отрезки, которые можно считать прямолинейными, а проекцию силы на малом перемещении Δ — постоянной.

Тогда, вычисляя работу на каждом перемещении Δ а затем суммируя эти работы, мы определяем работу силы на конечном перемещении (рис. 5.3, б).

Единица работы.

Единицу работы можно установить с помощью основной формулы (5.2). Если при перемещении тела на единицу длины на него действует сила, модуль которой равен единице, и направление силы совпадает с направлением перемещения её точки приложения (α = 0), то и работа будет равна единице. В Международной системе (СИ) единицей работы является джоуль (обозначается Дж):

1 Дж = 1 Н 1 м = 1 Н м .

Джоуль — это работа, совершаемая силой 1 Н на перемещении 1 если направления силы и перемещения совпадают.

Часто используют кратные единицы работы — килоджоуль и мега джоуль:

1 кДж = 1000 Дж ,
1 МДж = 1000000 Дж .

Работа может быть совершена как за большой промежуток времени, так и за очень малый. На практике, однако, далеко не безразлично, быстро или медленно может быть совершена работа. Временем, в течение которого совершается работа, определяют производительность любого двигателя. Очень большую работу может совершить и крошечный электромоторчик, но для этого понадобится много времени. Потому наряду с работой вводят величину, характеризующую быстроту, с которой она производится, — мощность.

Мощность — это отношение работы А к интервалу времени Δt, за который эта работа совершена, т. е. мощность — это скорость совершения работы:

Подставляя в формулу (5.4) вместо работы А её выражение (5.2), получаем

Таким образом, если сила и скорость тела постоянны, то мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов. Если же эти величины переменные, то по формуле (5.4) можно определить среднюю мощность подобно определению средней скорости движения тела.

Понятие мощности вводится для оценки работы за единицу времени, совершаемой каким-либо механизмом (насосом, подъёмным краном, мотором машины и т. д.). Поэтому в формулах (5.4) и (5.5) под всегда подразумевается сила тяги.

В СИ мощность выражается в ваттах (Вт) .

Мощность равна 1 Вт, если работа, равная 1 Дж, совершается за 1 с.

Наряду с ваттом используются более крупные (кратные) единицы мощности:

1 кВт (киловатт) = 1000 Вт ,
1 МВт (мегаватт) = 1 000 000 Вт .

С механической работой (работой силы) вы уже знакомы из курса физики основной школы. Напомним приведенное там определение механической работы для следующих случаев.

Если сила направлена так же, как перемещение тела, то работа силы

В этом случае работа силы положительна.

Если сила направлена противоположно перемещению тела, то работа силы

В этом случае работа силы отрицательна.

Если сила f_vec направлена перпендикулярно перемещению s_vec тела, то работа силы равна нулю:

Работа – скалярная величина. Единицу работы называют джоуль (обозначают: Дж) в честь английского ученого Джеймса Джоуля, сыгравшего важную роль в открытии закона сохранения энергии. Из формулы (1) следует:

1 Дж = 1 Н * м.

1. Брусок массой 0,5 кг переместили по столу на 2 м, прикладывая к нему силу упругости, равную 4 Н (рис. 28.1). Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,2. Чему равна работа действующей на брусок:
а) силы тяжести m?
б) силы нормальной реакции ?
в) силы упругости ?
г) силы трения скольжения тр?

Суммарную работу нескольких сил, действующих на тело, можно найти двумя способами:
1. Найти работу каждой силы и сложить эти работы с учетом знаков.
2. Найти равнодействующую всех приложенных к телу сил и вычислить работу равнодействующей.

Оба способа приводят к одному и тому же результату. Чтобы убедиться в этом, вернитесь к предыдущему заданию и ответьте на вопросы задания 2.

2. Чему равна:
а) сумма работ всех действующих на брусок сил?
б) равнодействующая всех действующих на брусок сил?
в) работа равнодействующей? В общем случае (когда сила f_vec направлена под произвольным углом к перемещению s_vec) определение работы силы таково.

Работа A постоянной силы равна произведению модуля силы F на модуль перемещения s и на косинус угла α между направлением силы и направлением перемещения:

A = Fs cos α (4)

3. Покажите, что из общего определения работы следуют к выводы, показанные на следующей схеме. Сформулируйте их словесно и запишите в тетрадь.

4. К находящемуся на столе бруску приложена сила, модуль которой 10 Н. Чему равен угол между этой силой и перемещением бруска, если при перемещении бруска по столу на 60 см эта сила совершила работу: а) 3 Дж; б) –3 Дж; в) –3 Дж; г) –6 Дж? Сделайте пояснительные чертежи.

2. Работа силы тяжести

Пусть тело массой m движется вертикально от начальной высоты h н до конечной высоты h к.

Если тело движется вниз (h н > h к, рис. 28.2, а), направление перемещения совпадает с направлением силы тяжести, поэтому работа силы тяжести положительна. Если же тело движется вверх (h н
В обоих случаях работа силы тяжести

A = mg(h н – h к). (5)

Найдем теперь работу силы тяжести при движении под углом к вертикали.

5. Небольшой брусок массой m соскользнул вдоль наклонной плоскости длиной s и высотой h (рис. 28.3). Наклонная плоскость составляет угол α с вертикалью.

а) Чему равен угол между направлением силы тяжести и направлением перемещения бруска? Сделайте пояснительный чертеж.
б) Выразите работу силы тяжести через m, g, s, α.
в) Выразите s через h и α.
г) Выразите работу силы тяжести через m, g, h.
д) Чему равна работа силы тяжести при движении бруска вдоль всей этой же плоскости вверх?

Выполнив это задание, вы убедились, что работа силы тяжести выражается формулой (5) и тогда, когда тело движется под углом к вертикали – как вниз, так и вверх.

Но тогда формула (5) для работы силы тяжести справедлива при движении тела по любой траектории, потому что любую траекторию (рис. 28.4, а) можно представить как совокупность малых «наклонных плоскостей» (рис. 28.4, б).

Таким образом,
работа силы тяжести при движении но любой траектории выражается формулой

A т = mg(h н – h к),

где h н – начальная высота тела, h к – его конечная высота.
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории.

Например, работа силы тяжести при перемещении тела из точки A в точку B (рис. 28.5) по траектории 1, 2 или 3 одинакова. Отсюда, в частности, следует, что рибота силы тяжести при перемещении по замкнутой траектории (когда тело возвращается в исходную точку) равна нулю.

6. Шар массой m, висящий на нити длиной l, отклонили на 90º, держа нить натянутой, и отпустили без толчка.
а) Чему равна работа силы тяжести за время, в течение которого шар движется к положению равновесия (рис. 28.6)?
б) Чему равна работа силы упругости нити за то же время?
в) Чему равна работа равнодействующей сил, приложенных к шару, за то же время?

3. Работа силы упругости

Когда пружина возвращается в недеформированное состояние, сила упругости совершает всегда положительную работу: ее направление совпадает с направлением перемещения (рис. 28.7).

Найдем работу силы упругости .
Модуль этой силы связан с модулем деформации x соотношением (см. § 15)

Работу такой силы можно найти графически.

Заметим сначала, что работа постоянной силы численно равна площади прямоугольника под графиком зависимости силы от перемещения (рис. 28.8).

На рисунке 28.9 изображен график зависимости F(x) для силы упругости. Разобьем мысленно все перемещение тела на столь малые промежутки, чтобы на каждом из них силу можно было считать постоянной.

Тогда работа на каждом из этих промежутков численно равна площади фигуры под соответствующим участком графика. Вся же работа равна сумме работ на этих участках.

Следовательно, и в этом случае работа численно равна площади фигуры под графиком зависимости F(x).

7. Используя рисунок 28.10, докажите, что

работа силы упругости при возвращении пружины в недеформированное состояние выражается формулой

A = (kx 2)/2. (7)

8. Используя график на рисунке 28.11, докажите, что при изменении деформации пружины от x н до x к работа силы упругости выражается формулой

Из формулы (8) мы видим, что работа силы упругости зависит только от начальной и конечной деформации пружины, Поэтому если тело сначала деформируют, а потом оно возвращается в начальное состояние, то работа силы упругости равна нулю. Напомним, что таким же свойством обладает и работа силы тяжести.

9. В начальный момент растяжение пружины жесткостью 400 Н/м равно 3 см. Пружину растянули еще на 2 см.
а) Чему равна конечная деформация пружины?
б) Чему равна работа силы упругости пружины?

10. В начальный момент пружина жесткостью 200 Н/м растянута на 2 см, а в конечный момент она сжата на 1 см. Чему равна работа силы упругости пружины?

4. Работа силы трения

Пусть тело скользит по неподвижной опоре. Действующая на тело сила трения скольжения направлена всегда противоположно перемещению и, следовательно, работа силы трения скольжения отрицательно при любом направлении перемещения (рис. 28.12).

Поэтому если сдвинуть брусок вправо, а пегом на такое же расстояние влево, то, хотя он и вернется в начальное положение, суммарная работа силы трения скольжения не будет равна нулю. В этом состоит важнейшее отличие работы силы трения скольжения от работы силы тяжести и силы упругости. Напомним, что работа этих сил при перемещении тела по замкнутой траектории равна нулю.

11. Брусок массой 1 кг передвигали по столу так, что его траекторией оказался квадрат со стороной 50 см.
а) Вернулся ли брусок в начальную точку?
б) Чему равна суммарная работа действовавшей на брусок силы трения? Коэффициент трения между бруском и столом равен 0,3.

5. Мощность

Часто важна не только совершаемая работа, но и скорость совершения работы. Она характеризуется мощностью.

Мощностью P называют отношение совершенной работы A к промежутку времени t, за который эта работа совершена:

(Иногда мощность в механике обозначают буквой N, а в электродинамике – буквой P. Мы считаем более удобным одинаковое обозначение мощности.)

Единица мощности – ватт (обозначают: Вт), названная в честь английского изобретателя Джеймса Уатта. Из формулы (9) следует, что

1 Вт = 1 Дж/c.

12. Какую мощность развивает человек, равномерно поднимая ведро воды массой 10 кг на высоту 1 м в течение 2 с?

Часто мощность удобно выражать не через работу и время, а через силу и скорость.

Рассмотрим случай, когда сила направлена вдоль перемещения. Тогда работа силы A = Fs. Подставляя это выражение в формулу (9) для мощности, получаем:

P = (Fs)/t = F(s/t) = Fv. (10)

13. Автомобиль едет по горизонтальной дороге со скоростью 72 км/ч. При этом его двигатель развивает мощность 20 кВт. Чему равна сила сопротивления движению автомобиля?

Подсказка. Когда автомобиль движется по горизонтальной дороге с постоянной скоростью, сила тяги равна по модулю силе сопротивления движению автомобиля.

14. Сколько времени потребуется для равномерного подъема бетонного блока массой 4 т на высоту 30 м, если мощность двигателя подъемного крана 20 кВт, а КПД электродвигателя подъемного крана равен 75%?

Подсказка. КПД электродвигателя равен отношению работы по подъему груза к работе двигателя.

Дополнительные вопросы и задания

15. Мяч массой 200 г бросили с балкона высотой 10 и под углом 45º к горизонту. Достигнув в полете максимальной высоты 15 м, мяч упал на землю.
а) Чему равна работа силы тяжести при подъеме мяча?
б) Чему равна работа силы тяжести при спуске мяча?
в) Чему равна работа силы тяжести за все время полета мяча?
г) Есть ли в условии лишние данные?

16. Шар массой 0,5 кг подвешен к пружине жесткостью 250 Н/м и находится в равновесии. Шар поднимают так, чтобы пружина стала недеформированной, и отпускают без толчка.
а) На какую высоту подняли шар?
б) Чему равна работа силы тяжести за время, в течение которого шар движется к положению равновесия?
в) Чему равна работа силы упругости за время, в течение которого шар движется к положению равновесия?
г) Чему равна работа равнодействующей всех приложенных к шару сил за время, в течение которого шар движется к положению равновесия?

17. Санки массой 10 кг съезжают без начальной скорости со снежной горы с углом наклона α = 30º и проезжают некоторое расстояние по горизонтальной поверхности (рис. 28.13). Коэффициент трения между санками и снегом 0,1. Длина основания горы l = 15 м.

а) Чему равен модуль силы трения при движении санок по горизонтальной поверхности?
б) Чему равна работа силы трения при движении санок по горизонтальной поверхности на пути 20 м?
в) Чему равен модуль силы трения при движении санок по горе?
г) Чему равна работа силы трения при спуске санок?
д) Чему равна работа силы тяжести при спуске санок?
е) Чему равна работа равнодействующей сил, действующих на санки, при их спуске с горы?

18. Автомобиль массой 1 т движется со скоростью 50 км/ч. Двигатель развивает мощность 10 кВт. Расход бензина составляет 8 л на 100 км. Плотность бензина 750 кг/м 3 , а его удельная теплота сгорания 45 МДж/кг. Чему равен КПД двигателя? Есть ли в условии лишние данные?
Подсказка. КПД теплового двигателя равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, которое выделилось при сгорании топлива.

Одно из важнейших понятий механики – работа силы .

Работа силы

Все физические тела в окружающем нас мире приводятся в движение с помощью силы. Если на движущееся тело в попутном или противоположном направлении действует сила или несколько сил со стороны одного или нескольких тел, то говорят, что совершается работа .

То есть, механическая работу совершает действующая на тело сила. Так, сила тяги электровоза приводит в движение весь поезд, тем самым совершая механическую работу. Велосипед приводится в движение мускульной силой ног велосипедиста. Следовательно, эта сила также совершает механическую работу.

В физике работой силы называют физическую величину, равную произведению модуля силы, модуля перемещения точки приложения силы и косинуса угла между векторами силы и перемещения.

A = F · s · cos (F, s) ,

где F модульсилы,

s – модуль перемещения.

Работа совершается всегда, если угол между ветрами силы и перемещения не равен нулю. Если сила действует в направлении, противоположном направлению движения, величина работы имеет отрицательное значение.

Работа не совершается, если на тело не действуют силы, или если угол между приложенной силой и направлением движения равен 90 о (cos 90 o = 0).

Если лошадь тянет телегу, то мускульная сила лошади, или сила тяги, направленная по ходу движения телеги, совершает работу. А сила тяжести, с которой извозчик давит на телегу, работы не совершает, так как она направлена вниз, перпендикулярно направлению перемещения.

Работа силы – величина скалярная.

Единица работы в системе измерений СИ — джоуль. 1 джоуль – это работа, которую совершает сила величиной в 1 ньютон на расстоянии 1 м, если направления силы и перемещения совпадают.

Если на тело или материальную точку действуют несколько сил, то говорят о работе, совершаемой их равнодействующей силой.

В случае, если приложенная сила непостоянна, то её работа вычисляется как интеграл:

Мощность

Сила, приводящая в движение тело, совершает механическую работу. Но как совершается эта работа, быстро или медленно, иногда очень важно знать на практике. Ведь одна и та же работа может быть совершена за разное время. Работу, которую выполняет большой электромотор, может выполнить и маленький моторчик. Но ему для этого понадобится гораздо больше времени.

В механике существует величина, характеризующая быстроту выполнения работы. Эта величина называется мощностью .

Мощность – это отношение работы, выполненной за определённый промежуток времени, к величине этого промежутка.

N = A /∆ t

По определению А = F · s · cos α , а s/∆ t = v , следовательно

N = F · v · cos α = F · v ,

где F – сила, v скорость, α – угол между направлением силы и направление скорости.

То есть мощность – это скалярное произведение вектора силы на вектор скорости движения тела .

В международной системе СИ мощность измеряется в ваттах (Вт).

Мощность в 1 ватт – это работа в 1 джоуль (Дж), совершаемая за 1 секунду (с).

Мощность можно увеличить, если увеличить силу, совершающую работу, или скорость, с которой эта работа совершается.

Гиббса свободной энергии | Безграничная химия

Стандартные изменения бесплатной энергии

Стандартная свободная энергия Гиббса рассчитывается с использованием свободной энергии образования каждого компонента реакции при стандартном давлении.

Цели обучения

Рассчитайте изменение стандартной свободной энергии для конкретной реакции.

Основные выводы

Ключевые моменты

Стандартная свободная энергия вещества представляет собой изменение свободной энергии, связанное с образованием вещества из элементов в их наиболее стабильных формах, существующих в стандартных условиях.\ circ (\ text {reactants}) [/ latex] может использоваться для определения стандартного изменения свободной энергии реакции.

Ключевые термины

энтальпия : В термодинамике показатель теплосодержания химической или физической системы.
энтропия : термодинамическое свойство, которое является мерой тепловой энергии системы на единицу температуры, которая недоступна для выполнения полезной работы.
свободная энергия образования : изменение свободной энергии, которое сопровождает образование 1 моля вещества в его стандартном состоянии из составляющих его элементов в их стандартных состояниях.

Обзор стандартных состояний

Концепция стандартных состояний особенно важна в случае свободной энергии, поэтому уделите время ее рассмотрению. Для большинства практических целей приемлемы следующие определения стандартных состояний:

Газы: парциальное давление 1 атм.
Чистые жидкости: жидкость под общим давлением 1 атм.
Растворенные вещества: эффективная концентрация 1 моль.
Твердые вещества: чистое твердое вещество под давлением 1 атм.

Обратите внимание, что на самом деле нет «стандартной температуры», но поскольку в большинстве термодинамических таблиц указаны значения для 298,15 K (25 ° C), эта температура обычно подразумевается. Эти же определения применимы к стандартным энтальпиям и внутренней энергии. Не путайте эти стандартные термодинамические состояния со «стандартной температурой и давлением» (STP), широко применяемой в расчетах газового закона.

Расчет свободной энергии Гиббса

Чтобы использовать энергии Гиббса для предсказания химических изменений, необходимо знать свободные энергии отдельных компонентов реакции.\ circ [/ латекс]

Напомним, что символ ° относится к стандартному состоянию вещества, измеренному в условиях давления 1 атм или эффективной концентрации 1 моль и температуры 298K. Другой фактор, который следует иметь в виду, это то, что значения энтальпии обычно даются в [latex] \ frac {\ text {kJ}} {\ text {мол}} [/ latex], а значения энтропии даются в [latex] \ frac { \ text {J}} {\ text {K} \ times \ text {мол}} [/ латекс]. Единицы измерения энергии должны быть одинаковыми, чтобы правильно решить уравнение.\ circ (\ text {реагенты}) [/ latex]

Как и в случае со стандартной теплотой образования, стандартная свободная энергия вещества представляет собой изменение свободной энергии, связанное с образованием вещества из элементов в их наиболее стабильных формах, поскольку они существуют при стандартных условиях давления 1 атм и 298 К. Стандартные свободные энергии Гиббса образования обычно находятся непосредственно из таблиц. Как только значения для всех реагентов и продуктов известны, можно найти стандартное изменение свободной энергии Гиббса для реакции.\ circ (\ text {rxn}) = -257,2 \ \ text {кДж} [/ латекс]

Изменения свободной энергии в химических реакциях

ΔG определяет направление и степень химического изменения.

Цели обучения

Вспомните возможные изменения свободной энергии для химических реакций.

Основные выводы

Ключевые моменты

Если свободная энергия реагентов больше, чем у продуктов, энтропия мира будет увеличиваться, когда реакция происходит, как написано, и поэтому реакция будет иметь тенденцию происходить спонтанно.
Если свободная энергия продуктов превышает свободную энергию реагентов, то реакция не состоится.
Важным следствием одностороннего нисходящего пути свободной энергии является то, что как только она достигает минимально возможного значения, чистое изменение прекращается.
При спонтанном изменении энергия Гиббса всегда уменьшается и никогда не увеличивается.

Ключевые термины

спонтанное изменение : Спонтанный процесс — это эволюция системы во времени, в которой она высвобождает свободную энергию (обычно в виде тепла) и переходит в более низкое, более термодинамически стабильное энергетическое состояние.

Направление и масштабы химических изменений

ΔG определяет направление и степень химического изменения. Помните, что ΔG имеет значение только для изменений, при которых температура и давление остаются постоянными. Это условия, при которых большинство реакций проводится в лаборатории. Система обычно открыта для атмосферы (постоянное давление), и процесс начинается и заканчивается при комнатной температуре (после того, как все тепло, которое было добавлено или высвободилось в результате реакции, рассеивается.)

Важность функции Гиббса трудно переоценить: она определяет, возможно ли данное химическое изменение термодинамически. Таким образом, если свободная энергия реагентов больше, чем у продуктов, энтропия мира будет увеличиваться, и реакция протекает самопроизвольно. И наоборот, если свободная энергия продуктов превышает свободную энергию реагентов, реакция не состоится.

При спонтанном изменении энергия Гиббса всегда уменьшается и никогда не увеличивается.Это, конечно, отражает тот факт, что энтропия мира ведет себя прямо противоположным образом (из-за отрицательного знака в члене TΔS). Вот пример:

[латекс] {\ text {H}} _ {2} \ text {O} (\ text {liquid}) \ rightarrow {\ text {H}} _ {2} \ text {O} (\ text {ice }) [/ латекс]

Вода при температуре ниже нуля градусов Цельсия испытывает снижение своей энтропии, но тепло, выделяемое в окружающую среду, более чем компенсирует это, поэтому энтропия мира увеличивается, свободная энергия H ₂ O уменьшается, и процесс происходит самопроизвольно. .

Важным следствием одностороннего нисходящего пути свободной энергии является то, что как только она достигает минимально возможного значения, чистое изменение прекращается. Это, конечно, представляет собой состояние химического равновесия. Эти отношения резюмируются следующим образом:

[латекс] \ Delta \ text {G} <0 [/ latex]: реакция будет происходить спонтанно справа.
[latex] \ Delta \ text {G}> 0 [/ latex]: реакция будет происходить спонтанно слева.
[латекс] \ Delta \ text {G} = 0 [/ latex]: реакция находится в равновесии и не будет происходить ни в одном направлении.

Условия самопроизвольного изменения

Напомним условие самопроизвольного изменения:

ΔG = ΔH — TΔS <0

, где ΔG = изменение свободной энергии Гиббса, ΔH = изменение энтальпии, T = абсолютная температура и ΔS = изменение энтропии

Очевидно, что температурная зависимость ΔG почти полностью зависит от изменения энтропии, связанного с процессом. (уместно сказать «почти», потому что значения ΔH и ΔS сами по себе немного зависят от температуры; оба постепенно увеличиваются с температурой).В частности, обратите внимание, что в приведенном выше уравнении знак изменения энтропии определяет, станет ли реакция более или менее спонтанной при повышении температуры.

Для любой данной реакции знак ΔH также может быть положительным или отрицательным. Это означает, что существует четыре возможности влияния температуры на спонтанность процесса:

Случай 1: ΔH

<0 и ΔS> 0

В этих условиях оба члена ΔH и TΔS будут отрицательными, поэтому ΔG будет отрицательным независимо от температуры.Экзотермическая реакция, энтропия которой возрастает, будет спонтанной при всех температурах.

Случай 2: ΔH

<0 и ΔS <0

Если реакция является достаточно экзотермической, она может привести к отрицательному значению ΔG только при температурах, ниже которых | TΔS | <| ΔH |. Это означает, что существует температура, определяемая [латексом] \ text {T} = \ frac {\ Delta \ text {H}} {\ Delta \ text {S}} [/ latex], при которой реакция находится в равновесии; реакция будет происходить самопроизвольно только ниже этой температуры. Замерзание жидкости или конденсация газа - наиболее распространенные примеры этого состояния.

Случай 3: ΔH> 0 и ΔS> 0

Это обратное предыдущему случаю; увеличение энтропии должно преодолеть недостаток эндотермического процесса, так что TΔS> ΔH. Поскольку влияние температуры должно «усилить» влияние положительного ΔS, процесс будет самопроизвольным при температурах выше [латекса] \ text {T} = \ frac {\ Delta \ text {H}} {\ Delta \ текст {S}} [/ latex]. (Подумайте о плавлении и кипении.)

Случай 4: ΔH> 0 и ΔS

Поскольку оба ΔH и ΔS работают против этого, этот вид процесса не будет происходить самопроизвольно при любой температуре.Вещество А всегда имеет большее количество доступных энергетических состояний и поэтому всегда является предпочтительной формой.

Изменения свободной энергии для нестандартных состояний

Одиночная реакция может иметь бесконечное количество значений ΔG, отражающих бесконечное количество возможных составов между реагентами и продуктами.

Цели обучения

Различия между бесплатными изменениями для стандартных и нестандартных состояний.

Основные выводы

Ключевые моменты

ΔG ° и ΔG _f ° относятся к единичным специфическим химическим изменениям, при которых все компоненты (реагенты и продукты) находятся в своих стандартных состояниях.
Физический смысл ΔG состоит в том, что он говорит нам, насколько изменилась свободная энергия системы от G ° чистых реагентов.
Когда ΔG достигает своего минимального значения, состав системы находится на своем равновесном значении.

Ключевые термины

свободная энергия : разница между внутренней энергией системы и произведением ее энтропии и абсолютной температуры.
равновесие : состояние реакции, в котором скорости прямой и обратной реакций одинаковы.{\ circ} [/ латекс]. На горизонтальной оси схематично показаны относительные концентрации реагентов и продуктов в любой точке процесса. {\ circ} [/ latex]> 0. .{\ circ} [/ latex], соответствующий составу, при котором [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] = 0 (точка 1).
На данный момент некоторые продукты образовались, но в составе все еще преобладают реагенты.

Если реакция начинается в композиции слева от точки 1 на диаграмме, [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] будет отрицательным, и композиция переместится вправо. Точно так же, если реакция начинается с композиции справа от точки 1 на диаграмме, [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] будет положительным, и композиция переместится влево.{\ circ} [/ latex] не означает, что никакие продукты не образуются вообще.

Возможные значения

Напротив, состав химической реакционной системы постоянно изменяется, пока не будет достигнуто состояние равновесия. Следовательно, одна реакция может иметь бесконечное количество значений [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex], отражающих бесконечное количество возможных составов между крайними значениями чистых реагентов и чистых продуктов.

В примере реакции [латекс] \ text {A} \ rightarrow \ text {B} [/ latex], изображенной на следующей диаграмме, стандартная свободная энергия продуктов (точка 2) меньше, чем у реагенты (точка 1), поэтому реакция будет происходить самопроизвольно.Это не означает, что каждый моль чистого A превратится в один моль чистого B.

Изменение свободной энергии нестандартного состояния : График [латекса] \ text {G} (\ text {T}, \ text {p}) = \ text {f} (\ xi) [/ latex]. Одна реакция может иметь бесконечное количество значений [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex].

Физический смысл [латекса] \ Delta \ text {G} [/ latex] заключается в том, что он сообщает нам, насколько сильно изменилась свободная энергия системы от G ° чистых реагентов (точка 1). По мере того, как реакция идет вправо, состав меняется, и [latex] \ Delta \ text {G} [/ latex] начинает падать.Когда композиция достигает точки 3, [латекс] \ Delta \ text {G} [/ latex] достигает минимального значения, и дальнейшая реакция может вызвать его подъем. Но поскольку свободная энергия может только уменьшаться, но никогда не увеличиваться, этого не происходит. Состав системы постоянно остается на своем равновесном значении.

Давление и свободная энергия

Свободная энергия Гиббса зависит от давления.

Цели обучения

Обсудите взаимосвязь между свободной энергией и давлением.

Основные выводы

Ключевые моменты

Энергия Гиббса (также называемая ∆G) — это также химический потенциал, который сводится к минимуму, когда система достигает равновесия при постоянном давлении и температуре.
Уравнение свободной энергии Гиббса зависит от давления.
Это удобный критерий спонтанности для процессов с постоянным давлением и температурой.

Ключевые термины

химический потенциал : В термодинамике химический потенциал, также известный как частичная молярная свободная энергия, представляет собой форму потенциальной энергии, которая может поглощаться или высвобождаться во время химической реакции.

Свободная энергия Гиббса измеряет полезную работу, получаемую от термодинамической системы при постоянной температуре и давлении. Как и в механике, где потенциальная энергия определяется как способность совершать работу, так и разные потенциалы имеют разное значение. Свободная энергия Гиббса — это максимальное количество работы без расширения, которое может быть извлечено из замкнутой системы.

Уравнение свободной энергии Гиббса : Уравнение свободной энергии Гиббса зависит от давления.

Когда система переходит из начального состояния в конечное, свободная энергия Гиббса (ΔG) равна работе, которой система обменивается с окружающей средой, за вычетом работы силы давления. Энергия Гиббса (также называемая ∆G) — это также химический потенциал, который сводится к минимуму, когда система достигает равновесия при постоянном давлении и температуре. По сути, это удобный критерий спонтанности для процессов с постоянным давлением и температурой. Следовательно, свободная энергия Гиббса наиболее полезна для термохимических процессов при постоянной температуре и давлении.

Свободная энергия и работа

Свободная энергия Гиббса — это максимальное количество работы без расширения, которое может быть извлечено из замкнутой системы.

Цели обучения

Определите взаимосвязь между свободной энергией Гиббса и работой.

Основные выводы

Ключевые моменты

Когда система переходит из четко определенного начального состояния в четко определенное конечное состояние, свободная энергия Гиббса, ΔG, равна работе, совершаемой / обмениваемой системой с ее окружением, за вычетом работы сил давления.
«Полезная» работа — это чаще всего электромонтажные работы (перемещение электрического заряда через разность потенциалов).

Ключевые термины

работа : В термодинамике работа, выполняемая замкнутой системой, — это энергия, передаваемая другой системе, которая измеряется внешними обобщенными механическими ограничениями на систему.

Свободная энергия и «полезная» работа Гибба

Энергия Гиббса — это максимальная полезная работа, которую система может выполнять со своим окружением, когда процесс, происходящий внутри системы, является обратимым при постоянной температуре и давлении.Как и в механике, где потенциальная энергия определяется как способность выполнять работу, разные потенциалы имеют разное значение. Свободная энергия Гиббса — это максимальное количество работы без расширения, которое может быть извлечено из замкнутой системы. Работа выполняется за счет внутренней энергии системы. Энергия, которая не извлекается в процессе работы, обменивается с окружающей средой в виде тепла.

Схема работы : Обратимое условие подразумевает wmax и qmin. Невозможность извлечения всей внутренней энергии в качестве работы, по сути, является утверждением Второго Закона.

Название «свободная энергия» для G привело к такой путанице, что многие ученые теперь называют его просто «энергией Гиббса». «Свободная» часть старого названия отражает истоки термодинамики, связанные с паровыми двигателями, с ее интересом к преобразованию тепла в работу. ΔG — это максимальное количество энергии, которое может быть «высвобождено» из системы для выполнения полезной работы. «Полезный» в данном случае относится к работе , а не к работе , связанной с расширением системы. Чаще всего это электрическая работа (перемещение электрического заряда через разность потенциалов), но возможны и другие виды работы.Например, примеры полезной работы без расширения у биологических организмов включают сокращение мышц и передачу нервных импульсов.

Physics4Kids.com: Движение: Работа

Работа Работа работа. Однажды вы можете отправиться на работу, сесть за компьютер и печатать на клавиатуре. Это все, что мы здесь делаем. Это работа? Для физика — только его части. Работа выполняется, когда сила, приложенная к объекту, перемещает этот объект. Работа рассчитывается путем умножения силы на величину движения объекта ( Вт = F * d ).Сила в 10 ньютонов , которая перемещает объект на 3 метра, выполняет 30 н-м работы. ньютон-метр — это то же самое, что джоулей , поэтому единицы для работы такие же, как и для энергии — джоули.

Сидеть и смотреть на экран компьютера не работает. Нажатие на клавиатуру и перемещение клавиш — это работа. Ваши пальцы прилагают силу и перемещают клавиши. Поездка на работу — это не работа, потому что вы просто сидите, но энергия, которую ваш автомобильный двигатель использует для движения, действительно работает.Вы должны приложить силу И что-то переместить, чтобы квалифицироваться как выполнение работы.

Представьте, что вы держите кирпич над землей. Ваша рука находится прямо перед вами, и ее довольно сложно удерживать. Постепенно ваша рука устает, кирпич становится все тяжелее и тяжелее, и вам, наконец, приходится останавливаться, чтобы дать руке отдохнуть. Несмотря на то, что вы приложили много усилий, чтобы удержать кирпич, вы работали с ним? Нет. Кирпич не двигался. Если не было движения, работа не выполнялась. Если вы снова поднимете кирпич после того, как ваша рука отдохнет, это будет работать.

Работа передает энергии от одного объекта к другому. Мы уже говорили о движущихся объектах. Что еще? Работа также связана с расширением и сжатием газов . Когда газ пытается расшириться, он оказывает возрастающее усилие на поверхности контейнера и может заставить эти поверхности двигаться. Тогда газ будет выполнять работу и передавать энергию контейнеру. Если нагреть шар (осторожно), молекулы воздуха в воздушном шаре набирают энергию и с большей силой ударяются о внутренние стенки шара.Поскольку внутренняя поверхность воздушного шара гибкая, эта поверхность движется наружу. Воздух работает и передает энергию воздушному шару. Если вы сжимаете воздушный шар, вы выполняете работу и передаете энергию воздуху внутри воздушного шара. Когда ученые измеряют работу, проделанную с газами, они смотрят на систему в начале и в конце проекта. Они смотрят на начальное и конечное состояния . Чтобы вычислить общую работу, проделанную в газовой системе, они используют формулу W = P (дельта) V .W означает работу, P — давление в системе (для газов), а дельта V — это изменение объема системы. Вариация будет W = V (дельта P), где V — объем, а дельта P — изменение давления. Значения дельты берутся в начале и в конце.
Иногда они могут снимать измерения во время чего-либо. Это измерения промежуточных состояний . Затем они могут использовать промежуточные измерения для расчета работы, а затем суммировать эти значения работы, чтобы вычислить общую выполненную работу.

Или выполните поиск на сайтах по определенной теме.
Доступная и недоступная энергия
Второй закон термодинамика говорит нам, что невозможно преобразовать все тепло поглощены системой в работу.
Предположим определенное количество энергии Q в виде тепла может быть получено от тела при температуре T.
Максимальная работа может быть полученный при работе двигателя Карно (реверсивный двигатель) с корпусом в точке T в качестве источника и окружающей атмосферы при T ₀ в качестве стока.
где Ds — энтропия тела. поставляя энергию в виде тепла.
Цикл Карно и доступная энергия показана на рисунке.
Область 1-2-3-4 представляет доступная энергия.
Заштрихованный участок 4-3-Б-А представляет собой энергию, которая выбрасывается в окружающую атмосферу, и это количество энергии не может быть преобразовано в работу и называется Недоступно энергия .
Предположим, что конечное тело используется в качестве источника. Пусть используется большое количество дифференциальных двигателей Карно. с данным телом в качестве источника.
Если начальный и конечный температуры источника составляют Т ₁ и Т ₂ соответственно, общая проделанная работа или доступная энергия даны как

Потеря доступной энергии
Предположим определенное количество энергии Q передается от тела при постоянной температуре T ₁ к другое тело при постоянной температуре T ₂ (T ₂ 1 ).
Начальная доступная энергия, с кузовом по Т ₁,

Конечная доступная энергия, с кузов у Т ₂,

Потеря доступной энергии

, где Ds _uni — номер изменение энтропии Вселенной.
Функция доступности
Наличие заданного система определяется как максимальной полезной работы, которая может быть получена в процесс, в котором система приходит в равновесие с окружающей средой или достигает мертвого состояния .
(a) Функция доступности для непроточного процесса: —
Пусть P ₀ будет атмосферное давление, V ₁ и V ₀ быть начальным и конечным объемы системы соответственно.
Если в процессе, система приходит в равновесие с окружающей средой, работа выполняется по отталкиванию окружающая атмосфера P ₀ (V ₀ -V ₁).
Доступность = W _{, полезная} = W _макс. -P ₀ (V ₀ -V ₁)
Рассмотрим систему, которая взаимодействует с окружающей средой по Т ₀. Затем
Вт _макс = (U ₁ -U ₀) -T ₀ (S ₁ -S ₀)
Доступность = W _{, полезная} = W _макс. -P ₀ (V ₀ -V ₁)
= (U ₁ -T ₀ S ₁) — (U ₀ -T ₀ S ₀) — P ₀ (V ₀ -V ₁)
= (U ₁ + P ₀ V ₁ -T ₀ S ₁) — (U ₀ + P ₀ V ₀ -T ₀ S ₀)
= f ₁ -f ₀
где f = U + P ₀ V-T ₀ S называется функцией доступности для непоточного процесса.Таким образом доступность: f ₁ -f ₀
Если система подвергается изменение состояния от начального состояния 1 (где доступность (f ₁ -f ₀) до конечного состояние 2 (где доступность (f ₂ -f ₀), изменение наличие или изменение максимальной полезной работы, связанной с процесс, это f ₁ -f ₂.
(b) Функция доступности для поточного процесса: —
Максимальная мощность, которая может быть полученным в процессе установившегося потока, в то время как контрольный объем обменивается энергией как тепло с окружающей средой при T ₀, определяется по формуле:

Иногда наличие для потокового процесса записывается как:

, который называется Darrieus Функция .
Эффективность второго закона
Второе начало эффективности (h ₂) процесса,
ч ₂ = Изменение доступная энергия системы
————————————————- ——
Изменение доступной энергии источника
(а) Компрессоры и насосы: —
Изменение доступности системы выдается:

, где T ₀ — температура окружающей среды
Второй закон эффективности компрессор или насос предоставляется по,

(б) Турбины и детандеры: —
Изменение доступного энергия системы =
Вт
Изменение доступного энергия источника = Вт _об. = B ₁ -B ₂
Второй закон эффективности турбина h _{2T / E} дается по,
Рабочий потенциал, связанный с внутренним Энергия

Всего полезного труда доставляется, когда система претерпевает обратимый процесс из заданного состояния в мертвое состояние (то есть когда система находится в термодинамическом равновесии с окружающей среды), что по определению составляет . Трудовой потенциал — .
Рабочий потенциал = Вт _{полезно} = W _макс. — P ₀ (V ₀ -V ₁)
= (U ₁ -T ₀ S ₁) — (U ₀ -T ₀ S ₀) — P ₀ (V ₀ -V ₁)
= (U ₁ + P ₀ V ₁ -T ₀ S ₁) — (U ₀ + P ₀ V ₀ -T ₀ S ₀)
= f ₁ -f ₀
Трудовой потенциал внутренняя энергия (или замкнутая система) либо положительна, либо равна нулю.Никогда не бывает отрицательный.
Рабочий потенциал, связанный с энтальпией, ч
Рабочий потенциал связанный с энтальпией — это просто сумма энергий его компонентов.

Полезный рабочий потенциал Энтальпию можно выразить в единицах массы как:

здесь h ₀ и s ₀ — энтальпия и энтропия жидкости в мертвом состоянии.Рабочий потенциал энтальпии может быть отрицательной при давлении ниже атмосферного.
Эффективность человеческого тела — Физика тела: движение к метаболизму
Это сканирование с помощью фМРТ показывает повышенный уровень потребления энергии в зрительном центре мозга. Здесь пациента просили узнавать лица. Изображение предоставлено NIH через Wikimedia Commons
Все функции организма, от мышления до подъема тяжестей, требуют энергии. Многие мелкие мышечные движения, сопровождающие любую спокойную деятельность, от сна до чесания головы, в конечном итоге превращаются в тепловую энергию, как и менее заметные мышечные действия сердца, легких и пищеварительного тракта.Уровень , с которым организм использует энергию пищи для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется скоростью метаболизма. Общий коэффициент преобразования энергии человека в состоянии покоя называется базальным уровнем метаболизма (BMR) и распределяется между различными системами в организме, как показано в следующей таблице:
Скорость основного обмена (BMR)
Орган Мощность, потребляемая в состоянии покоя (Вт) Потребление кислорода (мл / мин) Процент BMR
Печень и селезенка 23 67 27
Мозг 16 47 19
Скелетная мышца 15 45 18
Почка 9 26 10
Сердце 6 17 7
Другое 16 48 19
Итого 85 Вт 250 мл / мин 100%
Наибольшая доля энергии поступает в печень и селезенку, а затем в мозг.Около 75% калорий, сжигаемых за день, идет на эти основные функции. Полные 25% всей основной метаболической энергии, потребляемой организмом, используется для поддержания электрических потенциалов во всех живых клетках. (Нервные клетки используют этот электрический потенциал в нервных импульсах.) Эта биоэлектрическая энергия в конечном итоге становится в основном тепловой энергией, но некоторая часть используется для питания химических процессов, таких как в почках и печени, а также при производстве жира. BMR является функцией возраста, пола, общей массы тела и количества мышечной массы (которая сжигает больше калорий, чем жировые отложения).Благодаря этому последнему фактору у спортсменов больше BMR. Конечно, во время интенсивных упражнений потребление энергии скелетными мышцами и сердцем заметно возрастает. Следующая диаграмма суммирует основные энергетические функции человеческого тела.
Самые основные функции человеческого тела сопоставлены с основными концепциями, рассматриваемыми в этом учебнике (химическая потенциальная энергия на самом деле является формой электрической потенциальной энергии, но мы не будем специально обсуждать электрическую потенциальную энергию в этом учебнике, поэтому мы разделили их.)
Тепло
Тело способно накапливать химическую потенциальную энергию и тепловую энергию внутри. Помня, что тепловая энергия — это просто кинетическая энергия атомов и молекул, мы признаем, что эти два типа энергии хранятся микроскопически и внутри тела. Поэтому мы часто объединяем эти два типа микроскопической энергии во внутреннюю энергию (). Когда объект теплее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться от объекта к окружению, но если объект холоднее, чем его окружение, тогда тепловая энергия будет передаваться объекту из его окружения.Количество тепловой энергии, передаваемой из-за разницы температур, часто называют теплом (). Когда тепло передается из тела в окружающую среду, мы говорим, что это тепло выхлопных газов, как показано на предыдущем рисунке. Мы узнаем больше о том, как связаны температура и теплопередача, в следующем разделе.
Энергосбережение
Принцип сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Следовательно, если тело выполняет полезную работу по передаче механической энергии своему окружению () или передаче тепловой энергии в окружающую среду в виде тепла, тогда эта энергия должна исходить из внутренней энергии тела.Мы наблюдаем это повсюду в природе как Первый закон термодинамики:
.
(1)
Тепловые двигатели
Ваше тело использует химическую потенциальную энергию, хранящуюся внутри, для выполнения работы, и этот процесс также генерирует тепловую энергию, которую вы выделяете в виде тепла выхлопных газов. Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащено большинство автомобилей, работают аналогичным образом, преобразуя химическую потенциальную энергию топлива в тепловую энергию посредством сгорания, затем преобразуя часть тепловой энергии в полезную работу и сбрасывая часть в тепло выхлопных газов.Ваше тело способно выделять химическую потенциальную энергию из вашей пищи без возгорания, и это хорошо, потому что вы не можете использовать тепловую энергию вашей внутренней энергии для выполнения работы. Машины, которые могут использовать тепловую энергию для работы, например двигатель внутреннего сгорания, известны как тепловые двигатели. Тепловые двигатели по-прежнему подчиняются Первому закону термодинамики, поэтому любое тепло выхлопных газов должно быть тепловой энергией, которая не использовалась для работы. Тепловая энергия, которую можно использовать для работы, а не тратить впустую в виде тепла выхлопных газов, определяет эффективность теплового двигателя.
Эффективность человеческого тела в преобразовании химической потенциальной энергии в полезную работу известна как механическая эффективность тела. Мы часто вычисляем механический КПД тела в процентах:
(2)
Механическая эффективность тела ограничена, потому что энергия, используемая для метаболических процессов, не может использоваться для полезной работы. Дополнительная тепловая энергия, генерируемая в ходе химических реакций, приводящих в действие мышечные сокращения наряду с трением в суставах и других тканях, еще больше снижает эффективность людей..
«Увы, наши тела не могут 100 % эффективно преобразовывать энергию пищи в механическую продукцию. Но при КПД около 25 % и мы удивительно хороши, учитывая, что большинство автомобилей составляет около 20 % , и что кукурузное поле Айовы эффективно преобразовывает поступающий солнечный свет в химическое хранилище [потенциальной энергии] только около 1,5 % . ” Для превосходного обсуждения механической эффективности человека и сравнения с другими машинами и источниками топлива см. MPG of a Human Тома Мерфи, источника предыдущей цитаты.
Повседневный пример: энергия для подъема по лестнице
Предполагая, что механический КПД подъема по лестнице составляет 20%, насколько уменьшится ваша внутренняя энергия, когда человек массой 65 кг и поднимется по лестнице высотой 15 м и ? Сколько тепловой энергии человек передает в окружающую среду в виде тепла выхлопных газов?
Во-первых, давайте посчитаем изменение потенциальной энергии гравитации:
Человек действительно работал над преобразованием химической потенциальной энергии своего тела в механическую энергию, в частности, в потенциальную гравитационную энергию.Однако их эффективность составляет всего 20%, а это означает, что только 1/5 химической потенциальной энергии, которую они используют, идет на полезную работу. Следовательно, изменение химической потенциальной энергии должно быть в 5 раз больше, чем мощность механической работы
.
Используемая химическая потенциальная энергия возникла из внутренней энергии человека, поэтому:
Мы можем использовать Первый закон термодинамики, чтобы найти тепловую энергию, исчерпываемую человеком:
(3)
Перестановка на:
Мы находим, что тепло отрицательно, что имеет смысл, потому что человек истощает тепловую энергию из тела в окружающую среду, поднимаясь по лестнице.
В качестве альтернативы, мы могли бы сразу знать, что выхлопное тепло должно составлять 4/5 от общей потери внутренней энергии, потому что только 1/5 идет на выполнение полезной работы. Итак, тепло выхлопа должно быть:
По историческим причинам мы часто измеряем тепловую энергию и тепло в единицах калорий ( кал ) вместо джоулей. На калорию 4,184 джоулей. Мы измеряем химическую потенциальную энергию, запасенную в пище, в единицах 1000 калорий или килокалорий ( ккал, ), и иногда мы записываем килокалории как калории ( кал ) с заглавной буквы C вместо строчной c .Например, бублик с 350 кал содержит 350 ккал или 350 000 кал . Если перевести в Джоули, это будет бублик.
Примеры на каждый день
Какую долю бублика вам нужно съесть, чтобы восполнить потерю внутренней энергии (в виде химической потенциальной энергии) 47 775 Дж , которую мы вычислили в предыдущем повседневном примере с подъемом по лестнице?
Есть 1,464,400 J / бублик
Следовательно нам нужно съесть:
Пульсоксиметр — это прибор, который измеряет количество кислорода в крови.Оксиметры можно использовать для определения скорости метаболизма человека, то есть скорости преобразования пищевой энергии в другую форму. Такие измерения могут указывать на уровень спортивной подготовки, а также на наличие определенных медицинских проблем. (кредит: UusiAjaja, Wikimedia Commons)
Пищеварительный процесс — это в основном процесс окисления пищи, поэтому потребление энергии прямо пропорционально потреблению кислорода. Таким образом, мы можем определить реальную энергию, потребляемую во время различных видов деятельности, измеряя использование кислорода.В следующей таблице показаны уровни потребления кислорода и соответствующей энергии для различных видов деятельности.
Нормы потребления энергии и кислорода в среднем для мужчин 76 кг
Деятельность Энергопотребление в ваттах Расход кислорода в литрах O ₂ / мин
Спящий 83 0,24
Сидят в состоянии покоя 120 0.34
Стоя расслабленно 125 0,36
Сидят в классе 210 0.60
Ходьба (5 км / ч) 280 0,80
Езда на велосипеде (13–18 км / ч) 400 1,14
Дрожь 425 1,21
Игра в теннис 440 1,26
Плавание брассом 475 1.36
Каток (14,5 км / ч) 545 1,56
Подъем по лестнице (116 об / мин) 685 1,96
Велоспорт (21 км / ч) 700 2,00
Бег по пересеченной местности 740 2,12
Играющий в баскетбол 800 2,28
Велоспорт, профессиональный гонщик 1855 5.30
Спринт 2415 6,90
Примеры на каждый день: снова восхождение по лестнице
В предыдущих примерах мы предполагали, что наша механическая эффективность при подъеме по лестнице составляет 20%. Давайте воспользуемся данными из приведенной выше таблицы, чтобы проверить это предположение. Данные в таблице приведены для человека весом 76 кг и , который поднимается по 116 ступеням в минуту. Давайте посчитаем скорость, с которой этот человек выполнял механическую работу, поднимаясь по лестнице, и сравним скорость, с которой он израсходовал внутреннюю энергию (первоначально из пищи).
Минимальная стандартная высота ступеньки в США составляет 6,0 дюймов (0,15 м ), тогда потенциальная гравитационная энергия человека весом 76 кг будет увеличиваться на 130 Дж с каждым шагом, как рассчитано ниже:
При подъеме по 116 ступеням в минуту скорость использования энергии или мощности будет:
Согласно нашей таблице данных, тело использует 685 Вт для подъема по лестнице с такой скоростью. Подсчитаем КПД:
В процентном отношении этот человек имеет 32% механической эффективности при подъеме по лестнице.Возможно, мы недооценили в предыдущих примерах, когда предполагали, что эффективность подъема по лестнице составляет 20%.
Мы часто говорим о «сжигании» калорий, чтобы похудеть, но что это на самом деле означает с научной точки зрения ?. Во-первых, мы действительно имеем в виду потерю массы, потому что это мера того, сколько веществ находится в нашем теле, а вес зависит от того, где вы находитесь (на Луне все по-другому). Во-вторых, наши тела не могут просто обмениваться массой и энергией — это разные физические величины и даже не одинаковые единицы.Так как же нам похудеть, тренируясь? На самом деле мы не удаляем атомы и молекулы, из которых состоят такие ткани тела, как жир, «сжигая» их. Вместо этого мы расщепляем молекулы жира на более мелкие молекулы, а затем разрываем связи внутри этих молекул, чтобы высвободить химическую потенциальную энергию, которую мы в конечном итоге преобразуем в работу и отводим тепло. Атомы и более мелкие молекулы, образовавшиеся в результате разрыва связей, объединяются, образуя углекислый газ и водяной пар (CO ₂ и H ₂ O), и мы выдыхаем их.Мы также выделяем небольшое количество H ₂ O с потом и мочой. Процесс похож на сжигание дров в костре — в итоге у вас остается намного меньше массы золы, чем у оригинальной древесины. Куда делась остальная масса? В воздух как CO ₂ и H ₂ O. То же самое верно и для топлива, сжигаемого вашей машиной. Подробнее об этой концепции смотрите в первом видео ниже. Поистине удивительный факт заключается в том, что ваше тело завершает этот химический процесс без чрезмерных температур, связанных с сжиганием древесины или топлива, которые могут повредить ваши ткани.Уловка организма заключается в использовании ферментов, которые представляют собой узкоспециализированные молекулы, которые действуют как катализаторы для повышения скорости и эффективности химических реакций, как описано и анимировано в начале второго видео ниже.

Подобно эффективности тела, эффективность любого энергетического процесса может быть описана как количество энергии, преобразованной из входной формы в желаемую форму, деленное на исходное входное количество.Следующая диаграмма показывает эффективность различных систем при преобразовании энергии в различные формы. В диаграмме не учитываются стоимость, риск опасности или воздействие на окружающую среду, связанное с требуемым топливом, строительством, техническим обслуживанием и побочными продуктами каждой системы.
Эффективность человеческого тела по сравнению с другими системами
Система Форма ввода энергии Желаемая форма вывода Максимальная эффективность
Человеческое тело Химический потенциал Механический 25%
Автомобильный двигатель Химический потенциал Механический 25%
Турбинные электростанции, работающие на угле / нефти / газе Химический потенциал Электрооборудование 47%
Газовые электростанции комбинированного цикла Химический потенциал Электрооборудование 58%
Биомасса / Биогаз кинетическая Электрооборудование 40%
Ядерная кинетическая Электрооборудование 36%
Солнечно-фотоэлектрическая электростанция Солнечный свет (электромагнитный) Электрооборудование 15%
Солнечно-тепловая электростанция Солнечный свет (электромагнитный) Электрооборудование 23%
Гидроэлектростанции и приливные электростанции Гравитационный потенциал Электрооборудование 90% +
Проверьте вкладку энергетических систем в этом моделировании, чтобы визуализировать различные системы преобразования энергии
Энергия, работа и тепло
Энергия, работа и тепло ЭНЕРГИЯ, РАБОТА И ТЕПЛО
Когда в системе происходит изменение, изменение сопровождается изменением в энергоемкости системы.Это цель термодинамики уметь описать изменение содержания энергии и связать его с выполнение работы и передача тепла между системой и окрестности. При любом изменении в системе (для определенной системы) мы может определять начальное состояние и конечное состояние, и мы должны искать параметры которые определяют энергосодержание системы в виде значений, которые являются уникальной функцией состояния системы. Такие параметры называются переменные состояния.Например, работа двигателя на «идеальном газе». можно описать в терминах цикла состояний, каждое из которых имеет уникальный набор значений для P, V, T и, следовательно, содержания энергии E.
Поскольку значения переменных состояния являются уникальной функцией состоянии, они не зависят от пути, которым произошло изменение состояния. Следовательно, переменные состояния обладают тем свойством, что сумма изменений в стоимости, проходя через серию изменений состояния, которые образуют цикл, равно нулю.Это, очевидно, так, поскольку в цикле начальная и конечные состояния такие же.
ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Первый закон — это закон сохранения. Энергия не может быть создана. ни уничтожен. Это требует, чтобы мы уравновешивали энергетический бюджет при описании изменение состояния. Изменение энергосодержания (dE) сопровождается изменением выполнение работы (w) и / или передача тепла (q) между термодинамическими рассматриваемой системы и ее окружения.
Система . Набор сущностей, который претерпевает изменение и может быть формально отделен от окружения . Термодинамическая система может быть простой груз, химическая реакция, организм, двигатель, солнечная система и т. д. Чтобы описать изменение, мы должны уметь однозначно определить систему.
Термодинамическое состояние . Чтобы описать изменение в системе, мы должны уметь определять и измерять свойства системы, которая могут измениться, и которые характеризуют его с точки зрения энергии, работы и тепла содержание.Переменные состояния — это параметры, которые имеют определенные значения, которые определить состояние системы.
Первый закон требует, чтобы при любом изменении состояния системы:
dE = dE _{система} = — dE _{окружение}
dE = w + q
(w и q положительны для работы или передачи тепла в систему из окрестностей)
Опыт показывает, что w и q не имеют фиксированных значений для изменения системы между известными состояниями; — они будут варьироваться в зависимости от пути посредством которых происходит изменение состояния, и поэтому не являются переменными штат.Например, мы можем позволить 2 моль H ₂ реагировать с 1 моль O ₂ с образованием 2 моль воды при нормальной температуре и давлении, либо взрывом (w равно нулю, q = dE), либо в топливном элементе (w не равно нулю, q
Развитие термодинамики во многом обязано промышленной революции, и необходимость понять, как получить максимальную отдачу от паровых двигателей. Важным достижением классической термодинамики было показать, что изменение в состоянии, в принципе, можно охарактеризовать с точки зрения изменения энергии содержание, максимальная работоспособность (рабочий потенциал) и теплообмен в обратимых условиях, которые не зависят от пути.Это пришло примерно через рассмотрение максимальной работы, которую можно было бы получить от двигателя для заданного количества топлива. Из приведенного выше уравнения это Понятно, что максимальная работа может быть получена при минимальном теплообмене. Представляя концепцию «идеального» двигателя, работающего за счет расширения и сжатие идеальных газов по мере того, как тепло подводилось или отводилось от системы, работу двигателя можно рассматривать как серию частичные процессы, каждый из которых может быть точно определен в терминах законы идеального газа, чтобы можно было рассчитать работу.Путь между состояние, которое минимизирует теплообмен и максимизирует работу, называется «обратимым» путь.
Когда изменение состояния происходит по «обратимому» пути, работа выполненная (w _max) максимальная и передаваемое тепло (q _rev) минимально.
dE = w _max + q _rev
(для «обратимого» процесса)
Параметры w _max и q _rev, которые определяют обратимый процесс, имеют особое значение в термодинамике, потому что, в отличие от работы и теплообмена в необратимом (или «самопроизвольном») процесс, они имеют уникальные значения для определенного изменения состояния; они есть переменные состояния.Дальнейший анализ теплообмена привел к концепции энтропии.
Важно понимать, что в этих уравнениях, если не указано иное указано, что термины относятся к параметрам системы.
При постоянной Т,
dE = dA + TdS (dS = q _об. / T, изменение энтропии; TdS — обратимый высокая температура)
dA = dE — TdS (изменение свободной энергии Гельмгольца или максимальная работа)
dG = dE — (-PdV) — TdS (изменение свободной энергии Гиббса, или полезная работа)
dG = dH — TdS (dH = dE — (-PdV), изменение энтальпии)
dG = dA — (-PdV) (Полезная работа — это максимальная работа за вычетом работы, выполненной против атмосфера)
Свободная энергия Гиббса отличается от свободной энергии Гельмгольца на величину работа (-PdV), выполняемая против атмосферы, которая не считается «полезный».Свободную энергию Гиббса иногда называют «полезной» работой.
Как P, V и T для системы идеального газа, свободная энергия Гиббса, Гельмгольца свободная энергия, энтальпия и энтропия — переменные состояния; у них есть уникальные значения для определенных состояний и сумма изменений в циклическом процессе (циклический интеграл) равен нулю.
Все спонтанные процессы происходят при принесении в жертву трудового потенциала; работа может быть получена только в результате спонтанного процесса; все спонтанные процессы иметь отрицательную dG; процесс с положительной dG может происходить только в сочетании процессу с отрицательной dG большей абсолютной величины.Фактическая работа получается, когда система меняет состояние с конечной скоростью, всегда меньше, чем максимальная работа, так как некоторое дополнительное тепло генерируется «трением», которое переносится в окружающую среду как увеличение энтропии (TdS _{, окружение}, или q _{без учета}).
В целом обмен энергией либо путем выполнения работы или теплового потока, включает изменение одного или обоих из двух факторов: фактор интенсивности (или интенсивности) (движущая сила, уклон и т. д.), и фактор экстенсивности (или мощности) (в зависимости от размера системы, количества вещества и т. д.). Для каждого вида работы есть своя пара интенсивности и мощности. факторы, как указано в таблице ниже:
Обмен энергии Коэффициент интенсивности Коэффициент мощности Условия работы или тепла
Вид работ
Механический (1) сила (f) расстояние (л) фдл лдф
Механический (2) давление (P = f / A) объем (V = A x l) -PdV -VdP
Химическая промышленность химический потенциал (µ) количество вещества (н) мкдн ndµ
Электрооборудование электрический потенциал (E или y) количество заряда (Q или nzF) EdQ или ydnzF QdE или nzFdy
Электрохимический электрохимический потенциал ( µ ) количество вещества (н) µ dn nd µ
Тепло Температура (T) энтропия (S) TdS SdT
Максимальная работа будет суммой всех условий труда, задействованных в изменении. государства по «обратимому» пути.
Коэффициент интенсивности — это скорость изменения свободной энергии с изменением по коэффициенту мощности, когда все остальные члены постоянны.

© Авторские права 1996, Антоний Крофтс, Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн, [email protected]
Глава 3a — Первый закон — Закрытые системы
Глава 3a — Первый закон — Закрытые системы — Энергия (обновлено 17.01.11)
Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы
а) Уравнение энергии для замкнутых систем
Мы считаем, что первый закон термодинамики применен к стационарным замкнутым системам как принцип сохранения энергии.Таким образом, энергия передается между системой и окружающей средой в форма тепла и работы, в результате чего изменяется внутренняя энергия системы. Изменение внутренней энергии можно рассматривать как меру молекулярной активности, связанной с изменением фазы или температуры системы и уравнение энергии представляется в следующем виде:
Тепло (кв.)
Энергия, передаваемая через границу системы в форма тепла всегда возникает из-за разницы температур между системой и ее непосредственным окружением.Мы не будем рассмотрите режим теплопередачи, будь то теплопроводность, конвекция или излучение, таким образом, количество тепла, переданного во время любого процесс будет либо указан, либо оценен как неизвестный уравнение энергии. По соглашению, положительное тепло — это то, что передается из окружающей среды в систему, что приводит к увеличению внутренняя энергия системы
Работа (Вт)
В этом курсе мы рассматриваем три режима работы перенос через границу системы, как показано ниже диаграмма:
В этом курсе мы в первую очередь занимаемся Граничные работы из-за сжатия или расширения системы в поршневой цилиндр, как показано выше.Во всех случаях мы предполагаем идеальное уплотнение (отсутствие массового расхода в системе и из нее), отсутствие потерь из-за трение и квазиравновесные процессы в том, что для каждого инкрементное движение поршня условия равновесия поддерживается. По условию положительная работа — это работа, проделанная системой на окружение, а негативная работа — это работа окружения в системе, Таким образом, поскольку отрицательная работа приводит к увеличению внутренней энергии системы, этим объясняется отрицательный знак в приведенное выше уравнение энергии.
Граничная работа оценивается путем интегрирования силы F умноженное на инкрементное расстояние, перемещенное на d x между начальное состояние (1) до конечного состояния (2). Обычно мы имеем дело с поршневое устройство, таким образом, сила может быть заменена поршневой площадь A, умноженная на давление P, что позволяет заменить A. d x по изменению объема d V следующим образом:
Это показано на следующей схематической диаграмме, где напомним, что интегрирование может быть представлено областью под Кривая.
Обратите внимание, что работа выполнена по пути Функция , а не свойство, поэтому зависит от пути процесса между начальным и конечным состояния. Напомним в главе 1 , что мы ввели типичный процесс маршрутов интереса:
Изотермический (процесс с постоянной температурой)
Изохорный или Изометрический (процесс постоянного объема)
Изобарический (процесс постоянного давления)
Адиабатический (отсутствие теплового потока к системе или от нее во время процесса)
Иногда бывает удобно оценить конкретную выполненную работу, которую можно представить в виде диаграммы P-v , таким образом, если масса системы m [кг] окончательно имеем:
Отметим, что работа, проделанная системой на окружение (процесс расширения) положительное, и это было сделано на система окружением (процесс сжатия) отрицательна.
Наконец для закрытой системы Вал Работа (за счет лопастного колеса) и Электромонтажные работы (из-за напряжения, приложенного к электрическому резистору или двигатель, приводящий в движение лопастное колесо) всегда будет отрицательным (работа выполняется на система). Положительные формы работы вала, например, из-за турбина, будет рассмотрена в главе 4, когда мы обсудим открытые системы.
Внутренняя энергия (ед.)
Третий компонент нашей замкнутой системы энергетики Уравнение — это изменение внутренней энергии в результате передачи тепла или работы.Поскольку удельная внутренняя энергия является свойством системы, он обычно представлен в таблицах свойств, например в Steam Таблицы . Рассмотрим, например, следующая решенная проблема.
Решенная задача 3.1 — Отзыв Решенная проблема 2.2 в главе 2а , в котором мы представили постоянную процесс давления. Мы хотим расширить задачу, включив в нее энергию взаимодействия процесса, поэтому мы повторяем это следующим образом:
Два килограмма воды при 25 ° C помещают в устройство поршневого цилиндра под 3.Давление 2 МПа, как показано на диаграмме (Состояние (1)). В воду добавляется тепло при постоянном давлении до тех пор, пока температура пара достигает 350 ° С (Состояние (2)). Определять работа, выполняемая жидкостью (W), и тепло, передаваемое жидкости (Q) во время этого процесса.
Подход к решению:
Сначала рисуем схему процесса, включающую все соответствующие данные следующие:
Обратите внимание на четыре вопроса справа от диаграмму, которую мы всегда должны спрашивать, прежде чем пытаться решить любую термодинамическая проблема.С чем мы имеем дело — жидкостью? чистая жидкость, например пар или хладагент? идеальный газ? В данном случае это пар, поэтому мы будем использовать таблицы пара для определения различных свойств в различных штатах. Дана масса или объем? Если да, то мы будем укажите и оцените уравнение энергии в килоджоулях, а не в удельные количества (кДж / кг). А как насчет энтропии? Не так быстро — мы еще не считали энтальпию (ниже) — терпеливо подождите, пока Глава 6 .
Так как в работе задействован интеграл П. д в ср Считаем удобным набросать схему проблемы P-v как следует:
Обратите внимание на диаграмму P-v , как мы определяем конкретная проделанная работа отображается как область под кривой процесса. Мы тоже обратите внимание, что в области сжатой жидкости постоянная температура линия по существу вертикальная. Таким образом, все значения собственности в State (1) (сжатая жидкость при 25 ° C) можно определить по насыщенному Жидкие значения таблицы при 25 ° C.
Энтальпия (ч) — новый объект недвижимости
В следующих тематических исследованиях мы обнаруживаем, что один из основные приложения уравнения энергии замкнутой системы находятся в процессы теплового двигателя, в которых система аппроксимируется идеальным газа, поэтому разработаем соотношения для определения внутренней энергии для идеального газа.Мы также обнаружим, что новое свойство под названием Энтальпия будет полезен как для закрытых систем, так и в частности для открытых систем, таких как компоненты паровых электростанций или холодильные системы. Энтальпия не является фундаментальным свойством, однако представляет собой комбинацию свойств и определяется следующим образом:
В качестве примера использования в закрытых системах, рассмотрите следующий процесс постоянного давления:
Применяя уравнение энергии, получаем:
Однако, поскольку давление постоянно процесс:
Подставляем в уравнение энергии и упрощаем:
Значения удельной внутренней энергии (u) и удельной энтальпия (ч) доступны из Steam Таблицы , однако для идеальных газов это необходимо разработать уравнения для Δu и Δh с точки зрения удельного Тепловые мощности.Мы развиваем эти уравнения в терминах дифференциальная форма уравнения энергии на следующей веб-странице:
специфический Теплоемкости идеального газа
Мы предоставили стоимость недвижимости для различных идеальных газов, включая газовую постоянную и удельную теплоемкость в следующая веб-страница:
Недвижимость различных идеальных газов (при 300 К)
__________________________________________________________________
К части b) Закона Первый закон — Двигатели цикла Стирлинга
по части c) Закона Первый закон — Дизельные двигатели
по части d) Закона Первый закон — Цикл Отто
______________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика, Израиль Уриэли под лицензией Creative Общедоступное авторское право — Некоммерческое использование — Совместное использование 3.0 Соединенные Штаты Лицензия
Бесплатная смена энергии и полезная работа
Работа, отличная от работы по давлению и объему (PΔV), является чистой полезной работой.Итак, общая работа процесса составляет,
Вт = Вт _{, нетто} + PΔV
Вт _нетто = Вт — PΔV
Из уравнения Гельмунца Гибба,
ΔG = H — TΔS ……………. (i)
У нас,
H = E + PΔV
S = Q / T
TΔS = Q
Подставляя значения H и TS в уравнение (i), получаем
ΔG = ΔE + PΔV — Q
Из первого закона термодинамики
Q = ΔE + W
Подставляя значение Q в приведенный выше enq, получаем
G = Δ E + PΔV — ΔE — W
G = PΔV — Вт
G = — (Вт — PΔV)
G = — W _нетто
Вт _нетто равно — ΔG
Таким образом, чистая полезная работа — это величина уменьшения свободной энергии системы при постоянных температуре и давлении.
Связь между изменением свободной энергии и потенциалом ячейки
Чистая работа, выполняемая гальваническим элементом при несущем заряде, составляет
Вт = заряд × разность потенциалов = nf E _ячейка
У нас,
ΔG = -W _нетто
ΔG = -nfE _ячейка
Связь между G и константой равновесия
Вариация G определяется уравнением Нернста как,
G = ΔG + RT в
кв.
Где, Q = коэффициент реакции

Где, реакция находится в состоянии равновесия
г = k (константа равновесия)
ΔG = O
O = G ° + RT в к
ΔG ° = -RT Чернила
ΔG = -2.303 RT логK
Общая реакция коррозии железа кислородом составляет,
4Fe (тв.) + 3O2 (г) → 2Fe2O3 (т) Ржавчина
Рассчитайте изменение свободной энергии и константу равновесия для этой реакции при 250 ° c.
Дано,
ΔS ° и ΔH ° = -543 ДжК-1 и -1652 кДж моль-1
= -1652000 Джмоль-1
Δ G ° = Δ H ° — TΔS °
= 1652000 — 298 × (-543)
= -14

Скорость основного обмена (BMR)
Орган	Мощность, потребляемая в состоянии покоя (Вт)	Потребление кислорода (мл / мин)	Процент BMR
Печень и селезенка	23	67	27
Мозг	16	47	19
Скелетная мышца	15	45	18
Почка	9	26	10
Сердце	6	17	7
Другое	16	48	19
Итого	85 Вт	250 мл / мин	100%

Нормы потребления энергии и кислорода в среднем для мужчин 76 кг
Деятельность	Энергопотребление в ваттах	Расход кислорода в литрах O ₂ / мин
Спящий	83	0,24
Сидят в состоянии покоя	120	0.34
Стоя расслабленно	125	0,36
Сидят в классе	210	0.60
Ходьба (5 км / ч)	280	0,80
Езда на велосипеде (13–18 км / ч)	400	1,14
Дрожь	425	1,21
Игра в теннис	440	1,26
Плавание брассом	475	1.36
Каток (14,5 км / ч)	545	1,56
Подъем по лестнице (116 об / мин)	685	1,96
Велоспорт (21 км / ч)	700	2,00
Бег по пересеченной местности	740	2,12
Играющий в баскетбол	800	2,28
Велоспорт, профессиональный гонщик	1855	5.30
Спринт	2415	6,90

Эффективность человеческого тела по сравнению с другими системами
Система	Форма ввода энергии	Желаемая форма вывода	Максимальная эффективность
Человеческое тело	Химический потенциал	Механический	25%
Автомобильный двигатель	Химический потенциал	Механический	25%
Турбинные электростанции, работающие на угле / нефти / газе	Химический потенциал	Электрооборудование	47%
Газовые электростанции комбинированного цикла	Химический потенциал	Электрооборудование	58%
Биомасса / Биогаз	кинетическая	Электрооборудование	40%
Ядерная	кинетическая	Электрооборудование	36%
Солнечно-фотоэлектрическая электростанция	Солнечный свет (электромагнитный)	Электрооборудование	15%
Солнечно-тепловая электростанция	Солнечный свет (электромагнитный)	Электрооборудование	23%
Гидроэлектростанции и приливные электростанции	Гравитационный потенциал	Электрооборудование	90% +

Дж
снова,
ΔG ° = -RTInK
= -2.303 RTlogK
14 = — 2,303 × 8,314 × 298 × лог К
logK = 261,17
К = 10 ^261,17
К = 1,48 × 10261,17
Рассчитайте свободную энергию при стандартных условиях для гальванического элемента, имеющего следующую реакцию элемента.

Обмен энергии	Коэффициент интенсивности	Коэффициент мощности	Условия работы или тепла

Вид работ

Механический (1)	сила (f)	расстояние (л)	фдл лдф
Механический (2)	давление (P = f / A)	объем (V = A x l)	-PdV -VdP
Химическая промышленность	химический потенциал (µ)	количество вещества (н)	мкдн ndµ
Электрооборудование	электрический потенциал (E или y)	количество заряда (Q или nzF)	EdQ или ydnzF QdE или nzFdy
Электрохимический	электрохимический потенциал ( µ )	количество вещества (н)	µ dn nd µ

Тепло	Температура (T)	энтропия (S)	TdS SdT