tc02kopia, Edukacja, Termodynamika
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Jednostki
W Polsce obowiązuje obecnie międzynarodowy układ jednostek SI (System International).
Podstawowymi jednostkami w układzie SI są: jednostka długości
m
, jednostka masy
kg
,
jednostka czasu
s
, jednostka natężenia prądu elektrycznego
A
, jednostka temperatury
K
(kelwin)
i jednostka światłości
cd
(kandela). Natomiast jednostkami pochodnymi są: jednostka siły 1 N
(niuton), czyli siła, która ciału masie 1 kg nadaje przyspieszenie 1 m/s
2
, jednostka pracy 1 J
(dżul), czyli praca wykonana siłą 1 N na drodze 1 m, jednostka mocy 1 W, czyli 1 J/s, jednostka
ciśnienia 1 Pa (paskal), czyli 1 N/m
2
i inne.
W każdym prawidłowo napisanym równaniu wymiar lewej strony jest taki sam jak wymiar
prawej strony. Gdy w równaniu drugiej zasady dynamiki
F = m·a
wstawiamy wielkości
wyrażone w jednostkach układu SI, wówczas prawa strona (iloczyn masy i przyspieszenia) ma
wymiar
kg
m
s
2
Taki sam wymiar musi mieć oczywiście i lewa strona, tj. siła wyrażona w niutonach. Wynika
stąd, że zamiast 1 N wolno pisać
1
N
=
1
kg
m
s
2
1
1
kg
m
1 N
(niuton) nosi nazwę jednostki znamionowej, zaś –jednostki wymiarowej.
Obydwie jednak mają jednakową wartość i jednakowe znaczenie fizykalne
s
2
kg
m
2
Podobnie 1 J = 1 N·m =
1
s
2
Jednostka znamionowa 1 J równa jest 1 N ·m, czyli niutonometrowi i jednostce wymiarowej
kg
m
2
1
J
=
1
praca
s
2
J
N
m
kg
m
2
W
=
1
=
1
=
1
moc
s
s
s
3
Gdy konsekwentnie stosujemy układ SI, to możemy używać podstawowych wzorów fizyki w
najprostszej postaci (bez stosowania równoważników jednostek).
W celu tworzenia jednostek większych lub niniejszych dodaje się:eksa= E = 10
18
,
peta = P = 10
15
, tera = T = 10
12
, giga = G = 10
9
, mega = M = 10
6
, kilo = K = 10
3
,
hekto= h = 10
2
, deka = da = 10,decy= d = 10
-1
, centy = c = 10
-2
, mili = m = 10
-3
,
mikro = μ = 10
-6
,nano= n=l0
-9
, piko = p= 10
-12
,femto= f = 10
-15
,atto= a=l0
-18
(np. 1kW= 10
3
W, 1 MW = 10
6
W, czyli 1000kW).
2
1
Przykład
Obliczyć energię kinetyczną pociągu o masie 1500 ton jadącego z prędkością 72 km/h,
posługując się układem SI.
Rozwiązanie
Jeżeli chcemy jakąś wielkość wyrazić w innych jednostkach, to wielkość tę wypisaną wraz z
wymiarem mnożymy przez ułamki, których liczniki wypisane wraz z wymiarami są równe
mianownikom. Ułamki te dobieramy tak, żeby niepotrzebne wymiary uległy uproszczeniu
w
=
72
km
1
h
1000
m
=
72
1000
m
=
20
m
h
3600
s
1
km
3600
s
s
1
tona
1000
=
kg
1
1
m
2
kg
m
2
E
K
=
mw
2
=
1500000
kg
20
2
=
300000000
=
300000000
J
=
2
2
s
2
s
2
=
300
MJ
3
Przykład
Rurociągiem przepływa 1,5 kg/s wody. Obliczyć, ile wody dopłynęło tym rurociągiem do
zbiornika w czasie 2 min.
Rozwiązanie
m
=
m
t
=
1
kg
120
s
=
180
kg
s
Stosunek
pracy
do
czasu
, czyli pracę wykonywaną w jednostce czasu, nazywamy
mocą
. W
praktyce oznacza się ją symbolem P.
Doświadczenia wykazały, że przy zamianie pracy na ciepło (np. w procesie tarcia) ilość dżuli
wykonanej pracy jest równa ilości dżuli wydzielonego ciepła.
Należy jednak pamiętać, że 1 J ciepła jest wielokrotnie tańszy od 1 J pracy.
Zasada zachowania energii.
Doświadczenia i obserwacje przyrody doprowadziły do
sformułowania zasady zachowania energii, która mówi:
Energia nie może zniknąć, nie może też powstać z niczego, natomiast energia może się
przemieniać z jednych postaci w inne, przy czym ilość jej nie ulega zmianie.
Zasada zachowania energii uwzględniająca wszelkie postacie energii nazywana bywa pierwszą
zasadą termodynamiki.
4
•
Podniesiony młot zawiera energię potencjalną. Młot spadając wykonuje pracę np. kształtowania
przedmiotu kutego lub wbijania pala. W przypadku kucia praca ta polega przede wszystkim na
przesunięciu względem siebie cząstek kutego materiału. W przypadku zaś wbijania pala -na
przesunięciu pala względem ziemi i cząstek ziemi względem siebie. W obu tych przypadkach
mamy więc do czynienia z tarciem występującym podczas przesuwania. Praca zużyta na
pokonanie tego tarcia zamienia się w ciepło, które ogrzewa ciałabiorące udział w zjawisku,
powodując wzrost ich energii wewnętrznej.
Rzemieślnicy średniowieczni usiłowali zbudować maszynę, która bypracowała stale nie
pobierając znikąd żadnej energii. Maszyna taka nosi nazwę perpetuummobile pierwszego
rodzaju. Dziś wiemy, że maszyny takiej zbudować nie można, gdyż byłoby to sprzeczne z zasadą
zachowania energii. Praca jest bowiem jedną z form przekształcania energii z jednej postaci w
inną.
Wartość 1 J energii zależy od jej postaci. Przy zachodzących przemianach energia przechodzi w
postacie mniej wartościowe, gdyż zdolne są one wykonać mniejszą pracę. Maksymalną zdolność
do wykonania pracy w warunkach, które stwarza otaczająca nas przyroda, nazywamy nie energią
lecz egzergią. Nie istnieje zasada zachowania egzergii. Egzergią może się zmniejszać a nawet
znikać, mimo że nigdzie nie jest odprowadzana. Im gorzej prowadzone są procesy
technologiczne, tym więcej egzergii znika bezpowrotnie.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]