В чем измеряется полезная работа в физике
Механическая работа – это одна из основных скалярных величин в физике. В рамках стандартной школьной программы она изучается в седьмом классе в разделе механики. Механическая работа – один из способов изменения внутренней энергии тела или субстанции (например, газа или жидкости) наряду с такими формами теплопередачи, как теплопроводность, конвекция и излучение, которые изучаются в разделе тепловых явлений.
Что такое работа в физике – определение и формула
Механическая работа – это количество энергии, которое нужно затратить для того, чтобы тело начало равномерно замедляющееся движение и прошло некоторую дистанцию.
В физике механической работой называется произведение силы, которая действует на некоторое тело, на расстояние, которое оно проходит под ее воздействием:
A = F * S
В более сложных случаях в формуле появляется и третья величина – косинус угла, под которым друг к другу расположены векторы движения и приложенной силы. Найти ее значение можно по формуле:
A = F * S * cosA
В чем измеряется работа
Физические единицы, в которых выражается механическая работа, – Джоули.
Существуют разные способы для ее практического измерения, которые зависят от типа произведенного движения. При этом в формулу работы подставляют значение силы в Ньютонах и расстояния в метрах. Угол между векторами измеряют в математических единицах – градусах.
Работа силы трения
При условиях, существующих на Земле, на любое движущееся тело оказывает воздействие сила трения, замедляющая его движение. Чаще всего это трение поверхности, по которой движется объект. Это очевидно из того факта, что при воздействии постоянной силы на тело его скорость окажется переменной.
Следовательно, должна быть и другая сила, противодействующая ей – и это сила трения. Если система координат выбрана по направлению движения тела, то ее числовое значение будет отрицательным.
Положительная и отрицательная работа
Числовое значение работы, которую совершает сила, может становиться отрицательным в случае если ее вектор противоположен вектору скорости.
Иными словами, сила может не только придавать телу скорость для совершения движения, но и препятствовать уже совершаемому перемещению. В таком случае она будет называться противодействующей.
Полезная или затраченная работа
У тела, совершающего одно и то же действие, есть два значения работы. Первая из них, полезная, вычисляется по обычной формуле.
Вторая, затраченная, по своему понятию не имеет общей формулы для вычисления и измеряется практически. Эта разница между совершенной в реальности работой и той, которая должна была быть совершена в теории, равна коэффициенту полезного действия – КПД. Он вычисляется так:
КПД = А полезная / А затраченная,
и выражается в процентах. КПД всегда меньше 100.
Мощность
Среднее количество работы, совершаемой за единицу времени (секунду), характеризует такую величину, как мощность. Формула для ее вычисления выглядит так:
Р = A / t
В качестве работы можно подставить люблю известную формулу для ее вычисления в зависимости от ситуации. Ответ будет выражен в Ваттах.
Однако при равномерном движении можно использовать и другую формулу:
Р = F * v
Подставив вместо обычной скорости мгновенную, можно получить значение мгновенной мощности.
Примеры решения задач
Рассмотрим несколько простых задач на нахождение механической работы.
Задача 1
Какую работу совершает подъемный механизм, поднимающий десятикилограммовый блок на высоту 50 метров.
Решение:
Для того, чтобы поднять тело, необходимо преодолеть действующую на него силу тяжести. То есть F, с которой поднимают блок, равна той, с которой он притягивается к земле. Так как последняя равна m * g, то для нахождения конечного результата понадобится только одна измененная версия стандартной формулы, упомянутой выше: A = S * m * g.
При помощи простой математики найдем числовой ответ:
A = 50 м * 10 кг * 10 Н/кг;
A = 5000 Дж.
Ответ: 5000 Дж.
Впрочем, не всегда речь идет о силе тяжести.
Задача 2
Какая работа совершается силой упругости, когда пружина с жесткостью 10 Н/м, сжатая на 20 см, возвращается в исходное состояние? Система замкнута, нет никаких внешних сил, воздействующих на пружину.
Решение:
Для начала нужно найти саму F упругости, которая совершает работу. Ее формула – F = x * |k|, где x – это длина, на которую сжимается или растягивается пружина, а k – коэффициент ее жесткости. Перемещение пружины равно ее деформации, и следовательно, конечная формула в этом случае будет выглядеть так: A = S * x * k = x * x * k = x^2 * k.
Далее при помощи элементарных вычислений рассчитаем ответ:
A = (0,2 м)^2 * 10 Н/м = 0,04 * 10 = 0,4 Дж.
Ответ: 0,4 Дж.
Но во всех задачах по данной теме траектория движения тела прямая.
Задача 3
Рассчитайте, какова сила, действующая на колесо, если на то, чтобы совершить полный оборот, ему требуется 10 кДж. Диаметр диска равен 40 см, а толщина шины – 10 см.
Решение:
В этом случае нам нужно найти не А, а F, но сделать это можно при помощи все той же формулы. Возьмем точку на поверхности колеса. Предположим, что при вращательном движении ее вектор будет противоположен вектору приложения силы, а значит косинусом в формуле вновь можно пренебречь. Таким образом, за один оборот колеса точка пройдет расстояние, равное длине окружности, которую можно вычислить как 2πr или πd. Диаметр окружности можно найти из предоставленных данных: он равен сумме диаметра диска и удвоенной толщины шины, то есть 40 см + 2 * 10 см = 40 см + 20 см = 60 см = 0,6 м.
Теперь, когда мы можем вычислить расстояние, у нас есть все данные для того, чтобы приступить к нахождению силы.
Формула работы для этого случая будет такой: A = F * π * d, то силу, соответственно, можно будет выразить как F = A / (π * d).
В таком случае:
F = 10 кДж / (3,14 * 0,6 м) = 10000 Дж / 1,884 м = ~ 5308 Н.
Ответ: 5308 Н.
В завершение решим самый сложный вариант задачи, включающий в себя все, о чем говорилось выше.
Задача 4
Автомобиль Фольксваген весом 2500 кг заезжает на гору. Какова должна быть его минимальная скорость, чтобы удержаться на горе, если сила тяги равна 10 кН, время работы двигателя – 10 с, КПД – 30%, а угол наклона горы – 60 градусов. Трением и прочими силами пренебречь.
Решение:
На первый взгляд задача может показаться сложной, но для ее решения используются только простые известные формулы.
Запишем условие в более наглядном виде.
Дано:
m = 2500 кг;
F = 10000 H;
t = 10 с;
КПД = 30%;
угол A = 1500 (60+90, т. к. сила тяжести приложена под углом 90 к горизонтали);
V – ?
Выведение формулы:
Шаг 1. По условию A1 (силы тяжести) = А2 (тяги).
A1 = mg;
A2 = P * t / КПД.
То есть mg = P * t / КПД.
Шаг 2. P = F * V * cosA.
Шаг 3. Общая формула: mg = F * V * cosA * t / КПД.
V = (m * g * КПД) / (F * t * cosA).
Числовое решение:
V = (2500 кг * 10 Н/кг * 30%) / (10000 H * 10 с * cos150);
V = (2500 кг * 10 Н/кг * 0,3) / (10000 H * 10 с * cos60);
V = 7500 / 50000;
V = 0,15 м/с.
Ответ: 0,15 м/с.
Определение 1
КПД (коэффициент полезного действия) – величина, характеризующая
соотношение используемой энергии к затрачиваемой, т.е. энергетическую эффективность системы.
КПД измеряется в процентах или указывается как десятичная дробь от 0 до 1. КПД 50% (или, что тоже самое– 0,5) означает, что только половина энергии используется для выполнения работы. Остальная рассеивается в окружающем пространстве, как правило, в форме тепла.
Замечание 1
Коэффициент полезного действия паровозов, применявшихся для железнодорожных перевозок в XIX – первой половине XX вв., составлял менее 10%, т.е. 90 и более процентов тепла от сжигаемого в топках угля улетучивалось в атмосферу, не выполняя полезной работы по вращению колес, приводящему к движению состав. Для сравнения: КПД пришедших на смену паровозам тепловозов (в них используются не паровые, а дизельные двигатели) достигает 40%.
КПД в формулах обозначают греческой буквой $eta$ (эта).
$eta = frac{A_п}{A_з}$
, где $A_п$ – полезная работа, $A_з$ – затраченная.
Полезная работа и потери энергии
“Полезность” выполняемой работы – величина субъективная, связанная с человеческим восприятием, поэтому о КПД говорят чаще всего применительно к искусственно созданным системам. Несмотря на то, что технологии совершенствуются, избежать потерь в рукотворных системах инженерам не удастся:
- в механических устройствах часть затрачиваемой энергии всегда тратится на преодоление сил трения между соприкасающимися деталями (эти силы уменьшают за счет более тщательной обработки и смазки);
- в электрических системах часть энергии рассеивается в виде тепла при преодолении сопротивления проводников (явление сверхпроводимости еще не применимо к практике и требует низких температур);
- в нагревательных приборах утечки происходят в силу дефектов теплоизоляции и т.п.
Таким образом,
$A_з$ > $A_п$
, где $A_з$ – работа затраченная, $A_п$ – работа полезная.
Потери энергии можно сводить к минимуму, но полностью исключить их невозможно. Какое бы совершенное устройство мы не придумали, КПД никогда не достигнет единицы в силу второго закона термодинамики, действие которого исключает создание механизмов с КПД равным или большим 100%.
КПД различных физических процессов
Методики подсчета КПД разнятся в зависимости от физической природы явлений, задействованных в преобразующих энергию системах.
При практических расчетах, связанных с движением, знаменатель формулы КПД удобнее представить не как работу (произведение силы на расстояние), а как затраченную энергию, выделившуюся, например, при сжигании топлива:
$eta = frac{A_п}{Q}$
, где $A_п$ — выполненная системой полезная работа, $Q$ — затраченная системой энергия.
Например, зная сколько бензина истрачено двигателем автомобиля (количество выделившегося в результате тепла можно легко подсчитать), а также массу, скорость и пройденное расстояние, легко найти КПД.
Если речь идет не об автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, а об электромобиле, то затраты энергии в знаменателе можно подсчитать как произведение средних тока и напряжения за время движения рассматриваемого транспортного средства.
Поскольку мощность представляет собой работу, выполняемую в единицу времени, КПД иногда бывает удобно посчитать как соотношение входной и выходной мощностей системы:
$eta = frac{P_{out}}{P_{in}}$
, где $P_{in}$ – мощность на входе системы, $P_{out}$ – на выходе.
Такой подход удобен, например, при расчете КПД солнечных батарей. В знаменателе в этом случае будет мощность светового излучения, падающего на их поверхность, в числителе – мощность генерируемого тока.
Пример 1
Лебедка, потребляющая мощностью 500 Вт, за время 10 с подняла груз массой 70 кг на высоту 5м. Найти КПД лебедки.
Лебедка преодолела силу тяжести, совершив работу
$A_л = m cdot g cdot h$
, где $m$ – масса, $g$ – ускорение свободного падения, $h$ высота.
Подставив значения, получаем:
$A = 70 cdot 9,8 cdot 5 = 3430 Дж$
Затраченную энергию найдем через мощность и время:
$Q = P cdot t$
, где $Q$ – энергия, $P$ – мощность, $t$ – время.
Подставив значения, получаем:
$Q = 500 Вт cdot 10 с = 5000 Дж$
КПД находим как соотношение
$eta = frac{A}{Q} = frac{3430}{5000}cdot 100$% = $68,6$%
Ответ: КПД лебедки равен 68,6%.
Определение
Элементарной работой ($dA$) называют физическую величину, которая равна скалярному произведению силы ($overline{F}$)
на бесконечно малое перемещение ($doverline{s}$), которое происходит под воздействием этой силы:
[dA=overline{F}cdot doverline{s}=F{cos alpha ds left(1right). }]
Если тело перемещается по прямой линии на пути $s$ под воздействием постоянной силы $overline{F}$, то работу можно вычислить как:
[A=Fs{cos alpha left(2right), }]
где $alpha $ – угол между направлением силы и направлением перемещения тела.
Джоуль – единица измерения работы в системе СИ
Единица измерения работы носит название джоуль (Дж). Его можно определить исходя из выражения (2), так имеем:
[left[Aright]=left[Fright]left[sright]=Нcdot м=Дж.]
Один джоуль равен работе, которая совершается при перемещении точки, к которой приложена сила величиной в один ньютон, на расстояние один метр в том направлении, в котором действует сила.
Джоуль – единица измерения работы, являющаяся производной в Международной системе единиц (СИ). Через основные единицы этой системы джоуль выражается как:
[Дж=Нcdot м=frac{кгcdot м}{с^2}cdot м=frac{кгcdot м^2}{с^2}.]
В электродинамике встречается определение работы, которую совершают силы электрического поля за промежуток времени равный одной секунде напряжении один вольт для того, чтобы поддерживать силу тока равному одному амперу. В таком случае джоуль можно выражать как:
[Дж=Клcdot В.]
Десятичные кратные и дольные единицы джоуля в системе СИ образуют при помощи стандартных приставок системы единиц. Например, кДж (килоджоуль): 1 кДж=1000 Дж; фДж (фемтоджоуль): 1фДж=${10}^{-15}Дж.$
Эрг – единица измерения работы в системе единиц СГС
В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) работа измеряется в эргах (эрг). При этом одни эрг равен:
[1 эрг=1 динcdot 1 см.]
Зная, что:
[1 Н={10}^5{rm дин};;1 {rm м}=100 см,]
получаем:
[1 Дж={10}^7эрг.]
Единицы измерения работы в технической системе единиц (МКГСС)
В системе МКГСС (в данной системе единиц основными являются метр, килограмм-сила, секунда) единицей измерения работы является килограмм-сила-метр ($кгсcdot м$). 1$ кгсcdot м$ – это работа которую совершает сила 1 кгс (килограмм-сила), если точка ее приложения перемещается благодаря ей на один метр в направлении действия силы. Джоуль и $кгсcdot м$ соотносятся как:
[1кгсcdot м=9,80665 Дж или 1 Дж=0,101972кгсcdot м. ]
Данная единица работы в настоящее время встречается редко и постепенно выводится из применения.
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. Используя определение джоуля – единицы измерения работы в электричестве как $Дж=Клcdot В, $получите выражение его через основные единицы системы СИ.
Решение. Рассмотрим каждую единицу, входящую в правую часть выражения:
[Дж=Клcdot В.]
Так, единица измерения заряда в Международной системе (Кл) может быть представлена с использованием основных единиц СИ как:
[Кл=Acdot c.]
Рассмотрим выражение, которое связывает вольт ($В$) с основными единицами СИ:
[В=frac{Вт}{А}=frac{Нcdot м}{сcdot А}=frac{кгcdot м^2}{с^3cdot А}.]
В результате имеем:
[Дж=Клcdot В=Acdot ccdot frac{кгcdot м^2}{с^3cdot А}=frac{кг{cdot м}^2}{с^2}.]
Ответ. Единицу измерения работы (джоуль) можно представить
как: $Дж=Клcdot В={rm Н}•{rm м}=frac{кг{cdot м}^2}{с^2}$
Пример 2
Задание. Тело массой 10 т скатывается с уклона по дороге под действием силы тяжести. Какова работа силы тяжести на пути в 100 м, если уклон дороги составляет c горизонтом 40? Запишите ответ в единицах системы СГС.
Решение. Сделаем рисунок.
За основу решения задачи, учитывая, что сила тяжести – постоянная сила, действующая на тело на всем пути его прямолинейного движения без изменения, примем формулу для вычисления работы вида:
[A=Fs{cos beta left(2.1right), }]
где $beta $ – угол между направлением силы ($moverline{g}$) и направлением вектора перемещения тела ($overline{s}$). Угол $beta $ связан с углом наклона дороги (см. рис.1) как:
[beta =90{}^circ -alpha left(2.2right).]
Используя выражение (2.2) и принимая во внимание, что величина силы, которая совершает работу, равна:
[F=mg left(2.3right)]
искомую работу примем равной:
[A=mgcdot s{cos left(90{}^circ -alpha right)=mgcdot {sin left(alpha right) }. }]
Переведем массу тела в систему СИ:
[10т={10}^4кг,]
учтём, что $g=9,8 frac{м}{с^2}approx 10frac{м}{с^2}$, проведем вычисления:
[A={10}^4cdot 10cdot 100{{rm sin } left(4{}^circ right) }=7cdot {10}^5left(Джright).]
Переведем джоули в эрги, учитывая их соотношение:
[1 Дж={10}^7эрг.]
Получаем:
[A=7•{10}^5Дж=7•{10}^{12}эрг.]
Ответ. $А=7cdot {10}^{12}$ эрг
Читать дальше: единица измерения радиоактивности.
Выбирая техническое устройство, всегда обращают внимание на эффективность его работы. Иными словами, насколько высока энергоэффективность. Получить ответ на этот вопрос можно, если произвести вычисление коэффициента его полезного действия. Тогда становится понятным, насколько затраченные усилия будут обеспечивать полезный результат работы.
Понятие КПД (коэффициента полезного действия)
Термин «КПД» широко используется не только среди профессионалов, но и в быту. Под ним понимают, насколько совершенная работа превышает полезную, т.е. ту, ради которой механизм или прибор приобретается.
Учеными разработана специальная формула, из которой следует, что КПД всегда меньше единицы. Чтобы рассчитать коэффициент, нужно полезную работу, выраженную в Джоулях, разделить на энергию, которая затрачена на эту работу. Поскольку энергия также выражается в Джоулях, конечная расчетная величина безразмерна.
Источник: mashintop.ru
Объяснить бытовым языком данное понятие можно так: энергия, выделяемая от плиты, на которой должен закипеть чайник, расходуется не только на его нагревание. Она должна нагреть саму посудину, воздух вокруг нее, сам нагревательный элемент. И только ее часть будет расходоваться на передачу воде. Чтобы сориентироваться, насколько долго будет закипать чайник одного объема на различного вида печах, нужно знать их КПД.
В поисках наиболее эффективного прибора не стоит стремиться к единице. Такого не бывает. Например, КПД атомной электростанции примерно равно 35%.
Происходит это по двум причинам:
- Исходя из закона сохранения энергии, получить больше работы, чем затрачено энергии, невозможно.
- Любая работа сопровождается определенными потерями, будь-то нагревание тары или преодоление сил трения при движении по поверхности.
Термин КПД применим практически к каждому процессу, в котором имеется затраченная и полезная работа.
Применение в различных сферах физики
Характеризуя КПД, следует учитывать, что он не является константой, поскольку в каждом случае свои особенности энергозатрат. С другой стороны, он не может быть установлен изолированно от конкретных процессов. Если рассмотреть работу электродвигателя, величина его КПД сложится исходя из преобразования энергии тока в механическую работу.
В данном случае КПД рассматривается не как соотношение полезной и общей работы, а как соотношение отдаваемой мощности и подводимой к рабочему механизму.
В формулу (η=P2/P1) должны быть включены P1 – первичная мощность и P2 – мощность прибора.
В качестве первого примера выведем формулу КПД для варианта определения с величинами работы и затраченной энергии (формула для определения КПД теплового двигателя). Условными обозначениями в ней будут являться:
Ап – работа полезная;
- Q1 – количество энергии (или тепла), полученной от нагревающего устройства;
- Q2 – количество энергии (или тепла), отданное в процессе деятельности;
- Q1 – Q2 – та энергия (или тепло), которая пошла на процесс.
В итоге получится выражение:
Теперь выразим формулу через соотношение мощностей. Условные обозначения следующие:
Ротд – полезная (эффективная) мощность;
Рподв – номинальная мощность.
Формула будет выглядеть так:
Если затрата или передача энергии происходит неоднократно, общий КПД равен сумме КПД на каждом участке процесса:
Какой буквой обозначается, единицы измерения
В вышеприведенной формуле искомая величина коэффициента полезного действия обозначается буквой η, которая произносится “эта”.
Для упрощения понимания величины, КПД чаще выражается в процентах.
Физическая формула КПД
С учетом изложенных выше особенностей и необходимости выражения результата в %, физические формулы приобретают усовершенствованный внешний вид:
или
Примеры расчета КПД
Формула применяется для расчетов коэффициентов машин различного типа.
Задача 1
Имеется 10 кг дров, теплота сгорания которых составляет 95 Дж/кг. При их сгорании в помещении объемом 75 м3 установилась температура 22оС (допускаем, что удельная теплоемкость воздуха равна 1,3 кДж/ кгхград).
Решение состоит из нескольких действий:
- 1300 Дж умножить на 75 (объем) и 22 (температуру). Получаем 2 145 кДж. Это то тепло, выраженное в кДж, которое поступило в воздух помещения.
- 10700000Дж умножаем на 10 (количество дров) =10х107 кДж.
- При делении полезного тепла и полного, выработанного обогревателем, получаем значение 2,5%. Это говорит о низкой эффективности прибора и большой затрате дров и необходимости внесения конструктивных изменений, например, оборудования возможности дымоходам нагревать не только воздух, но и предметы в помещении.
Задача 2
В доме установлен электробойлер объемом 80 литров. Нагревательный элемент имеет мощность 2 кВт. Было замечено, что для нагревания воды от 12оС до 70оС уходит 3 часа. Нужно определить КПД прибора.
Дополнительные данные: плотность воды составляет 1000 кг/м3, ее теплоемкость – 4200 Дж/кг*оС.
Решать задачу нужно по формуле:
(eta=Q_{пол}div Q_{зат}times100%)
(Q_{зат}=Ntimes t=10800(сек))
(Q_{пол}=ctimes mtimes(T_2-T_1))
(m=rhotimes V)
(T_1=12) oC
(T_2=70) oC
Конечная формула:
(eta=(ctimesrhotimes Vtimes(T_2-T_1)div Ntimes t)times100%=90%)
Задача 3
Температура воды, налитой в котел паровой машины, составляет 160оС. Температура холодильника – 10оС. Коэффициент полезного действия машины – 60%. В топке сжигается 200 кг угля. Его удельная теплота сгорания – 2,9 • 107 Дж/кг. О какой максимальной работе может идти речь для данной машины?
Решение следующее. Амакс возможна для идеальной тепловой машины, которая функционирует по циклу Карно. Ее КПД равно (Т1-Т2)/Т1. В этой формуле Т1 и Т2 – температуры нагревателя, холодильника.
Определяем КПД, пользуясь формулой: ( eta;=;Adiv Q_1). В этой формуле А – работа тепловой машины, Q1 – теплота, полученная от нагревателя. С другой стороны, она равна (eta_1times mtimes q).
(Q_1;=;eta_1times mtimes q)
((T_1-T_2)div T_1=Adiveta_1times mtimes g)
Итоговая формула:
(А;=;eta_1times mtimes qtimes(1;-;Т_2div Т_1))
Подставив значение, получаем ответ: 1,2*109 Дж.