仕事とは、物体が外力によって一定距離移動したときに伝達されるエネルギーの量を表す物理用語であり、その少なくとも一部は変位の方向に適用されます。
仕事は、力が一定の場合、経路に沿って作用する力の成分を経路の長さに掛けることで計算できます。
仕事の数式
オブジェクトの動きの方向に、または反対方向に力が働くとき、仕事はオブジェクトに行われます。
W=F△xcosθ
ここで、
W =ジュール (J) で表した仕事
F =ニュートン単位の力の大きさ (N)
Δx =メートル単位の変位の値 (m)
θ =力と体の動きの方向の間の角度.
作業単位
S.I. 仕事の単位はジュール (J) と見なされます。
たとえば、物体に 10N の力がかかり、物体が の角度で 15m 変位した場合、行われる仕事は
W =FΔx cos θ
W =10 ✕ 15 ✕ cos θ
W =75 J
角度シータ ( θ ) のさまざまな値に対して行われた作業
仕事の数式について知ったので、完了した仕事を計算する際には、次の要素を常に念頭に置いて考慮する必要があります。
と の成分の大きさは F cos θ です . θ の値> 90° の場合、コンポーネントは変位方向に平行になりますが、反対方向を指し、力は運動に反対します。
cos θ は、力の相対的な方向と変位を示します。変位の方向に沿った力の成分が変位の方向と反対の場合、変位ベクトルと力ベクトルの符号は異なります。これは、どちらのポジティブな方向が選択されたかに関係なく当てはまります。
これらの状況をよりよく理解するために、いくつかの例を見てみましょう。以下の図の灰色の点は、オブジェクトを表しています。オブジェクトは、力によって作用されます。オブジェクトの変位を示します。それぞれの状況で、作業が完了した兆候を判断しましょう。
- θ =90°で , cos θ =cos 90° =0
- F cos θ =F cos 90° =0
したがって、行われた作業もゼロです。
- θ> 90° では、力の成分の大きさは、変位の反対方向の変位線に沿っています。
Cos θ <θ
F Cos θ <θ
したがって、行われた作業は否定的です。
- 作業を行うには、加えられた力の成分が運動方向に向けられている必要があることに注意してください。運動の方向に垂直な力によってなされる仕事はありません。
仕事の科学的概念
ブロックに力「F」を加えると、物体は力の方向に応じて加速度を伴って移動したり、速度が増減したりします。システムの運動エネルギーは、速度の増減に応じて変化します。エネルギーは生成も破壊もできないため、別の形に変換する必要があることを私たちは知っています。これは、この状況で行われた作業と呼ばれます。ネガティブな仕事をするとエネルギーが減少し、ポジティブな仕事をするとエネルギーが増加します。
熱と仕事の概念
熱: 内部にホット パーツとコールド パーツの両方があるシステムを考えてみましょう。伝導、放射、および/または対流は、温度差により、エネルギーを高温領域から低温領域に輸送します。熱は、システムの表面で発生する物質移動ではなく、エネルギー移動にのみ与えられます。システムの状態が変化すると、熱がシステムに出入りします。熱はプロパティではないため、値は 1 つではありません。輸送される熱量は、手順 (システムが状態 1 から状態 2 に移行する方法) によって決まります。
熱は、伝導および放射方法によってシステムの表面を通って輸送されるエネルギーです。
対流は質量流を伴うため含まれず、その質量に関連するエネルギーは個別に検討されます。したがって、熱は表面効果として任意に定義されます:
熱は、システムとその周囲との温度差による質量の移動なしに、システムの境界を越えて輸送されるエネルギーです。
仕事: 仕事は、熱と同じように、塊やシステムに保存できない一時的な現象です。仕事は、システムに出入りするエネルギーの通過中にのみ存在または発生する表面概念です。作業が完了した後に残るのは、努力の結果であるエネルギーだけです。熱と同じように、システムの状態が変化すると、システムに出入りする作業が発生します。仕事は商品ではないので、単一の価値を持つことはできません。手順 (システムが状態 1 から状態 2 に移行する方法) によって、転送される作業の量が決まります。
熱の定義を言い換えると、すべてのタイプの作業の一般的な定義が形成されます。
仕事は、システムとその周囲との間の温度以外の大きな物理的差異による質量の伝達なしに、システムの境界を越えて輸送されるエネルギーです。
熱力学的プロセスのために行われた作業
等容、等圧、等温、および断熱は、4 つの基本的な熱力学的プロセスです。以下は、さまざまな熱力学的プロセスで行われる仕事の方程式です:
1.等積過程 :等容性プロセスは、体積が一定のままであるプロセスとして定義されます。
ΔV =0
等容性過程での体積変化はゼロなので、行われた仕事もゼロです。
W =PΔV =0
2.等圧プロセス: 等圧プロセスは、システムの圧力が変化しない (一定のままである) プロセスです。
ΔP =0
等圧プロセスで行われる仕事の式は次のように与えられます:
W =PΔV
3.等温プロセス: 等温プロセスは、システムの温度が一定に保たれるプロセスです。
ΔT =0
等温過程で行われる仕事の式は次のように与えられます:
W=nRTln[V1/V2]
n =いいえ。気体のモル
R =普遍気体定数 =8.3144 J.K-1.mol-1
V1 &V2 =システムの最初と最後のボリューム
4.断熱プロセス: 断熱プロセスは、システムの熱エネルギーが変化しないプロセスです。
ΔQ =0
断熱過程で行われる仕事の式は次のように与えられます:
W=1/1-ϒ[P2V2-P1V1]
ϒ=断熱指数
P1 &P 2 =システムの初期圧力と最終圧力
V1 &V2 =システムの最初と最後のボリューム
結論
仕事は、物体を動かしたり変位させたりする力です。一定の力の場合、それは物体に加えられた力とその力によって引き起こされた変位のスカラー積です。力と変位はどちらもベクトル値ですが、スカラー積の性質により方向がありません。
熱は、システムとその周囲の温度差による質量の移動なしに、システムの境界を越えて輸送されるエネルギーです。一方、仕事は、温度以外のシステムとその周囲との間の大きな物理的な違いにより、質量の伝達なしにシステムの境界を越えて輸送されるエネルギーです。
