Praca, ciepło, energia wewnętrzna

PRACA
Pomiędzy fizycznym a potocznym pojęciem słowa praca istnieje duża zbieżność, choć nie zawsze pojęcia te pokrywają się. Jeżeli np. pokonując siłę tarcie przesuwamy ciężki przedmiot z jednego miejsca na drugie, potoczne pojęcie pracy jest identyczne z fizycznym. Jeżeli natomiast po poziomym torze przenosimy ciężki przedmiot na pewnym odcinku drogi, to jak zobaczymy nieco później – nie wykonujemy przy tym pracy w sensie fizyki. W tym przypadku oba pojęcia rozmijają się.
Aby wykonać pracę musimy zużyć na to ściśle określony, mniejszy lub większy przedział czasu.
Pracę definiujemy w następujący sposób:

W = Fs cos α

Jeden dżul ( 1J ) jest równy pracy jaką wykonuje siła 1N na drodze 1m; przy założeniu, że zwrot działającej siły jest zgodny ze zwrotem przesunięcia (α = 0 ).


CIEPŁO
Ciepło jest nową formą energii, lecz tylko nazwą nadaną specjalnej postaci wymiany energii, w której uczestniczy duża liczba cząsteczek. Ciepło podobnie jak energię wewnętrzną wyrażamy w dżulach.

Ciepłem Q nazywamy tę część energii wewnętrznej, która przepływa z jednego ciała do drugiego w wyniku istnienia pomiędzy tymi ciałami różnicy temperatur.



ENERGIA WEWNĘTRZNA I SPOSOBY JEJ ZMIANY
Rozważania dotyczące energii wewnętrznej najłatwiej jest rozpocząć od gazu doskonałego, którego cząsteczki traktujemy jako pozbawione struktury wew. punkty materialne. Tym samym możemy zaniedbać ich oddziaływania między i wewnątrzcząsteczkowe. Energia wew. gazu doskonałego sprowadza się zatem do energii ruchu cieplnego cząsteczek i jest równa sumie ich energii kinetycznych.

„ Energia wew. jest to część energii układu zależna tylko od jego stanu wew.; stanowi ona sumę oddziaływa międzycząsteczkowych, wewnątrzcząsteczkowych oraz energii ruchu cieplnego”

W zamkniętym układzie ciał nie wymieniających energii wew. z otoczeniem i nie zamieniających jej na inne rodzaje energii, ilość energii wew. jest wielkością stałą.


I i II ZASADA TERMODYNAMIKI
Zmiana energii wew. układu jest równa algebraicznej sumie ciepła Wymienionego pomiędzy układem a otoczeniem i pracy wykonanej przez układ lub siłę zewnętrzną.

Pierwsza zasada termodynamiki jest to inaczej sformułowana, rozszerzona na energię wew. i mechaniczną zasadę zachowania energii.

Druga zasada termodynamiki

Maszyna cieplna nie może zmieniać na pracę mechaniczną całkowitej ilości pobranego ciepła.

Najprostszym zrealizowanym w praktyce silnikiem jest silnik parowym. Pochodząca z kotła para pod wysokim ciśnieniem pojawia się raz z jednej raz z drugiej strony tłoka, powodując jego przesuwanie. Cofający się tłok wyrzuca „zużytą” parę do atmosfery.

Większe sprawności można uzyskać stosując turbiny. Pierwszą turbinę parową zbudował w 1887r. szwedzki inżynier C.Laval. Obecnie, stosując bardzo wysokie ciśnienie pary, osiąga się sprawność do 40%. Turbiny takie ze względu na rozmiary, stosować można jedynie w elektrowniach cieplnych.

Małe, znacznie bardziej sprawne silniki spalinowe, pojawiły się pod koniec XIX w. Zawdzięczamy je wielkim konstruktorom niemieckim.