Определить,какое количество теплоты необходимо сообщить к… -reshimne.ru
Новые вопросы
Ответы
Теплоемкость свинца c = 130 Дж/(кг×°С) * 10 грудасов * 2 кг=2600 ДЖ. Это 8 клас первая четверть
Похожие вопросы
Нужна помощь по физике с задачей: Электрическое поле действует на заряд 1,6Кл с силой 3,2Н. Чему равна напряжённость электрического поля?
…
Распишите очень подробно как из второго уравнения получили третье…
Вода объемом 10 дм3 остыла на 20 ºC. На сколько изменилась внутренняя энергия воды?…
X=3+6t-3t/2 как это решить. по уроку физика.
..
Решите пожалуйста по физике…
По графику зависимости пути, пройдённого телом, от времени (рис 12) определите :
Б) скорость движения
В) путь, пройденный им за 4 с
Постройте график скорости…
Математика
Литература
Алгебра
Русский язык
Геометрия
Английский язык
Химия
Физика
Биология
Другие предметы
История
Обществознание
Окружающий мир
Українська мова
Українська література
Қазақ тiлi
Беларуская мова
Информатика
Экономика
МузыкаПраво
Французский язык
Немецкий язык
МХК
ОБЖ
Психология
3 \dfrac{Дж}{кг} } =0,1 кг \)Чему равна теплота. Понятие о количестве теплоты
730. Почему для охлаждения некоторых механизмов применяют воду?
Вода обладает большой удельной теплоемкостью, что способствует хорошему отводу тепла от механизма.
731. В каком случае нужно затратить больше энергии: для нагревания на 1 °С одного литра воды или для нагревания на 1 °С ста граммов воды?
Для нагрева литра воды, так как чем больше масса, тем больше нужно затратить энергии.
732. Мельхиоровую и серебряную вилки одинаковой массы опустили в горячую воду. Одинаковое ли количество теплоты они получат воды?
Мельхиоровая вилка получит больше теплоты, потому что удельная теплоемкость мельхиора больше, чем серебра.
733. По куску свинца и по куску чугуна одинаковой массы три раза ударили кувалдой.
Свинец нагреется сильнее, потому что его удельная теплоемкость меньше, чем чугуна, и для нагрева свинца нужно меньше энергии.
734. В одной колбе находится вода, в другой – керосин той же массы и температуры. В каждую колбу бросили по одинаково нагретому железному кубику. Что нагреется до более высокой температуры – вода или керосин?
Керосин.
735. Почему в городах на берегу моря колебания температуры зимой и летом менее резки, чем в городах, расположенных в глубине материка?
Вода нагревается и остывает медленнее, чем воздух. Зимой она остывает и двигает теплые массы воздуха на сушу, делая климат на берегу более теплым.
736. Удельная теплоемкость алюминия равна 920 Дж/кг °С. Что это означает?
Это означает, что для нагрева 1 кг алюминия на 1 °С необходимо затратить 920 Дж.
737. Алюминиевый и медный бруски одинаковой массы 1 кг охлаждают на 1 °С. На сколько изменится внутренняя энергия каждого бруска? У какого бруска она изменится больше и на сколько?
738.
Какое количество теплоты необходимо для нагрева килограммовой железной заготовки на 45 °С?
739. Какое количество теплоты требуется, чтобы нагреть 0,25 кг воды с 30 °С до 50 °С?
740. Как изменится внутренняя энергия двух литров воды при нагревании на 5 °С?
741. Какое количество теплоты необходимо для нагрева 5 г воды от 20 °С до 30 °С?
742. Какое количество теплоты необходимо для нагревания алюминиевого шарика массой 0,03 кг на 72 °С?
743. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева 15 кг меди на 80 °С.
744. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева 5 кг меди от 10 °С до 200 °С.
745. Какое количество теплоты требуется для нагрева 0,2 кг воды от 15 °С до 20 °С?
746. Вода массой 0,3 кг остыла на 20 °С. На сколько уменьшилась внутренняя энергия воды?
747.
Какое количество теплоты нужно, чтобы 0,4 кг воды при температуре 20 °С нагреть до температуры 30 °С?
748. Какое количество теплоты затрачено на нагрев 2,5 кг воды на 20 °С?
749. Какое количество теплоты выделилось при остывании 250 г воды от 90 °С до 40 °С?
750. Какое количество теплоты потребуется для того, чтобы 0,015 л воды нагреть на 1 °С?
751. Рассчитайте количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть пруд объемом 300 м3 на 10 °С?
752. Какое количество теплоты нужно сообщить 1 кг воды, чтобы повысить ее температуру от 30 °С до 40 °С?
753. Вода объемом 10 л остыла от температуры 100 °С до температуры 40 °С. Какое количество теплоты выделилось при этом?
754. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагрева 1 м3 песка на 60 °С.
755. Объем воздуха 60 м3, удельная теплоемкость 1000 Дж/кг °С, плотность воздуха 1,29 кг/м3.
Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть его на 22 °С?
756. Воду нагрели на 10 °С, затратив 4,20 103 Дж теплоты. Определите количество воды.
757. Воде массой 0,5 кг сообщили 20,95 кДж теплоты. Какой стала температура воды, если первоначальная температура воды была 20 °С?
758. В медную кастрюлю массой 2,5 кг налито 8 кг воды при 10 °С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы воду в кастрюле нагреть до кипения?
759. Литр воды при температуре 15 °С налит в медный ковшик массой 300 г. Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть воду в ковшике на 85 °С?
760. Кусок нагретого гранита массой 3 кг помещают в воду. Гранит передает воде 12,6 кДж теплоты, охлаждаясь на 10 °С. Какова удельная теплоемкость камня?
761. К 5 кг воды при 12 °С долили горячую воду при 50 °С, получив смесь температурой 30 °С. Сколько воды долили?
762.
В 3 л воды при 60 °С долили воду при 20 °С, получив воду при 40 °С. Сколько воды долили?
763. Какова будет температура смеси, если смешать 600 г воды при 80 °С с 200 г воды при 20 °С?
764. Литр воды при 90 °С влили в воду при 10 °С, причем температура воды стала 60 °С. Сколько было холодной воды?
765. Определите, сколько надо налить в сосуд горячей воды, нагретой до 60 °С, если в сосуде уже находится 20 л холодной воды при температуре 15 °С; температура смеси должна быть 40 °С.
766. Определите, какое количество теплоты требуется для нагревания 425 г воды на 20 °С.
767. На сколько градусов нагреются 5 кг воды, если вода получит 167,2 кДж?
768. Сколько потребуется тепла, чтобы m граммов воды при температуре t1, нагреть до температуры t2?
769. В калориметр налито 2 кг воды при температуре 15 °С. До какой температуры нагреется вода калориметра, если в нее опустить латунную гирю в 500 г, нагретую до 100 °С? Удельная теплоемкость латуни 0,37 кДж/(кг °С).
770. Имеются одинакового объема куски меди, олова и алюминия. Какой из этих кусков обладает наибольшей и какой наименьшей теплоемкостью?
771. В калориметр было налито 450 г воды, температура которой 20 °С. Когда в эту воду погрузили 200 г железных опилок, нагретых до 100 °С, температура воды стала 24 °С. Определите удельную теплоемкость опилок.
772. Медный калориметр весом 100 г вмещает 738 г воды, температура которой 15 °С. В этот калориметр опустили 200 г меди при температуре 100 °С, после чего температура калориметра поднялась до 17 °С. Какова удельная теплоемкость меди?
773. Стальной шарик массой 10 г вынут из печи и опущен в воду с температурой 10 °С. Температура воды поднялась до 25 °С. Какова была температура шарика в печи, если масса воды 50 г? Удельная теплоемкость стали 0,5 кДж/(кг °С).
777. В воду массой 150 г с температурой 35 °С влили 50 г воды при 19 °C.
Какова температура смеси?
778. Воду массой 5 кг при 90 °С влили в чугунный котелок массой 2 кг при температуре 10 °С. Какова стала температура воды?
779. Стальной резец массой 2 кг был нагрет до температуры 800 °С и затем опущен в сосуд, содержащий 15 л воды при температуре 10 °С. До какой температуры нагреется вода в сосуде?
(Указание. Для решения данной задачи необходимо составить уравнение, в котором за неизвестное принять искомую температуру воды в сосуде после опускания резца.)
780. Какой температуры получится вода, если смешать 0,02 кг воды при 15 °С, 0,03 кг воды при 25 °С и 0,01 кг воды при 60 °С?
781. Для отопления хорошо вентилируемого класса требуется количество теплоты 4,19 МДж в час. Вода поступает в радиаторы отопления при 80 °С, а выходит из них при 72 °С. Сколько воды нужно подавать каждый час в радиаторы?
782. Свинец массой 0,1 кг при температуре 100 °С погрузили в алюминиевый калориметр массой 0,04 кг, содержащий 0,24 кг воды при температуре 15 °С.
После чего в калориметре установилась температура 16 °С. Какова удельная теплоемкость свинца?
Что быстрее нагреется на плите — чайник или ведро воды? Ответ очевиден — чайник. Тогда второй вопрос — почему?
Ответ не менее очевиден — потому что масса воды в чайнике меньше. Отлично. А теперь вы можете проделать самостоятельно самый настоящий физический опыт в домашних условиях. Для этого вам понадобится две одинаковые небольшие кастрюльки, равное количество воды и растительного масла, например, по пол-литра и плита. На одинаковый огонь ставите кастрюльки с маслом и водой. А теперь просто наблюдайте, что быстрее будет нагреваться. Если есть градусник для жидкостей, можно применить его, если нет, можно просто пробовать температуру время от времени пальцем, только осторожно, чтобы не обжечься. В любом случае вы вскоре убедитесь, что масло нагревается значительно быстрее воды. И еще один вопросик, который тоже можно реализовать в виде опыта. Что быстрее закипит — теплая вода или холодная? Все снова очевидно — теплая будет на финише первой.
К чему все эти странные вопросы и опыты? К тому, чтобы определить физическую величину, называемую «количеством теплоты».
Количество теплоты — это энергия, которую тело теряет или приобретает при теплопередаче. Это понятно и из названия. При остывании тело будет терять некое количество теплоты, а при нагревании — поглощать. А ответы на наши вопросы показали нам, от чего зависит количество теплоты? Во-первых, чем больше масса тела, тем большее количество теплоты надо затратить на изменение его температуры на один градус. Во-вторых, количество теплоты, необходимое для нагревания тела, зависит от того вещества, из которого оно состоит, то есть от рода вещества. И в-третьих, разность температур тела до и после теплопередачи также важна для наших расчетов. Исходя из всего вышесказанного, мы можем определить количество теплоты формулой:
Q=cm(t_2-t_1) ,
где Q — количество теплоты,
m — масса тела,
(t_2-t_1) — разность между начальной и конечной температурами тела,
c — удельная теплоемкость вещества, находится из соответствующих таблиц.
По этой формуле можно произвести расчет количества теплоты, которое необходимо, чтобы нагреть любое тело или которое это тело выделит при остывании.
Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время — калория (1 кал). 1 калория — это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия. Руководствуясь этими данными, любители подсчитывать калории в съедаемой пище, могут ради интереса подсчитать, сколько литров воды можно вскипятить той энергией, которую они потребляют с едой в течение дня.
Изменение внутренней энергии путём совершения работы характеризуется величиной работы, т.е. работа является мерой изменения внутренней энергии в данном процессе. Изменение внутренней энергии тела при теплопередаче характеризуется величиной, называемой количествоv теплоты.
– это изменение внутренней энергии тела в процессе теплопередачи без совершения работы. Количество теплоты обозначают буквой Q .
Работа, внутренняя энергия и количество теплоты измеряются в одних и тех же единицах — джоулях (Дж ), как и всякий вид энергии.
В тепловых измерениях в качестве единицы количества теплоты раньше использовалась особая единица энергии — калория (кал ), равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия (точнее, от 19,5 до 20,5 °С). Данную единицу, в частности, используют в настоящее время при расчетах потребления тепла (тепловой энергии) в многоквартирных домах. Опытным путем установлен механический эквивалент теплоты — соотношение между калорией и джоулем: 1 кал = 4,2 Дж .
При передаче телу некоторого количества теплоты без совершения работы его внутренняя энергия увеличивается, если тело отдаёт какое-то количество теплоты, то его внутренняя энергия уменьшается.
Если в два одинаковых сосуда налить в один 100 г воды, а в другой 400 г при одной и той же температуре и поставить их на одинаковые горелки, то раньше закипит вода в первом сосуде. Таким образом, чем больше масса тела, тем большее количество тепла требуется ему для нагревания. То же самое и с охлаждением.
Количество теплоты, необходимое для нагревания тела зависит еще и от рода вещества, из которого это тело сделано. Эта зависимость количества теплоты, необходимого для нагревания тела, от рода вещества характеризуется физической величиной, называемой удельной теплоёмкостью вещества.
– это физическая величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества для нагревания его на 1 °С (или на 1 К). Такое же количество теплоты 1 кг вещества отдаёт при охлаждении на 1 °С.
Удельная теплоёмкость обозначается буквой с . Единицей удельной теплоёмкости является 1 Дж/кг °С или 1 Дж/кг °К.
Значения удельной теплоёмкости веществ определяют экспериментально.
Жидкости имеют большую удельную теплоёмкость, чем металлы; самую большую удельную теплоёмкость имеет вода, очень маленькую удельную теплоёмкость имеет золото.
Поскольку кол-во теплоты равно изменению внутренней энергии тела, то можно сказать, что удельная теплоёмкость показывает, на сколько изменяется внутренняя энергия 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 °С . В частности, внутренняя энергия 1 кг свинца при его нагревании на 1 °С увеличивается на 140 Дж, а при охлаждении уменьшается на 140 Дж.
Q , необходимое для нагревания тела массой m от температуры t 1 °С до температуры t 2 °С , равно произведению удельной теплоёмкости вещества, массы тела и разности конечной и начальной температур, т.е.
Q = c ∙ m (t 2 — t 1)По этой же формуле вычисляется и количество теплоты, которое тело отдаёт при охлаждении. Только в этом случае от начальной температуры следует отнять конечную, т.
е. от большего значения температуры отнять меньшее.
Это конспект по теме «Количество теплоты. Удельная теплоёмкость» . Выберите дальнейшие действия:
- Перейти к следующему конспекту:
«Физика — 10 класс»
В каких процессах происходят агрегатные превращения вещества?
Как можно изменить агрегатное состояние вещества?
Изменить внутреннюю энергию любого тела можно, совершая работу, нагревая или, наоборот, охлаждая его.
Так, при ковке металла совершается работа, и он разогревается, в то же время металл можно разогреть над горящим пламенем.
Также если закрепить поршень (рис. 13.5), то объём газа при нагревании не меняется и работа не совершается. Но температура газа, а следовательно, и его внутренняя энергия возрастают.
Внутренняя энергия может увеличиваться и уменьшаться, поэтому количество теплоты может быть положительным и отрицательным.
Процесс передачи энергии от одного тела другому без совершения работы называют теплообменом .
Количественную меру изменения внутренней энергии при теплообмене называют количеством теплоты .
Молекулярная картина теплообмена.
При теплообмене на границе между телами происходит взаимодействие медленно движущихся молекул холодного тела с быстро движущимися молекулами горячего тела. В результате кинетические энергии молекул выравниваются и скорости молекул холодного тела увеличиваются, а горячего уменьшаются.
При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую, часть внутренней энергии более нагретого тела передаётся менее нагретому телу.
Количество теплоты и теплоёмкость.
Вам уже известно, что для нагревания тела массой т от температуры t 1 до температуры t 2 необходимо передать ему количество теплоты:
Q = cm(t 2 — t 1) = cm Δt. (13.5)
При остывании тела его конечная температура t 2 оказывается меньше начальной температуры t 1 и количество теплоты, отдаваемой телом, отрицательно.
Коэффициент с в формуле (13.
5) называют удельной теплоёмкостью вещества.
Удельная теплоёмкость — это величина, численно равная количеству теплоты, которую получает или отдаёт вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К.
Удельная теплоёмкость газов зависит от того, при каком процессе осуществляется теплопередача. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу. Для нагревания газа на 1 °С при постоянном давлении ему нужно передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объёме, когда газ будет только нагреваться.
Жидкие и твёрдые тела расширяются при нагревании незначительно. Их удельные теплоёмкости при постоянном объёме и постоянном давлении мало различаются.
Удельная теплота парообразования.
Для превращения жидкости в пар в процессе кипения необходима передача ей определённого количества теплоты. Температура жидкости при кипении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведёт к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением потенциальной энергии их взаимодействия.
Ведь среднее расстояние между молекулами газа много больше, чем между молекулами жидкости.
Величину, численно равную количеству теплоты, необходимой для превращения при постоянной температуре жидкости массой 1 кг в пар, называют удельной теплотой парообразования .
Процесс испарения жидкости происходит при любой температуре, при этом жидкость покидают самые быстрые молекулы, и она при испарении охлаждается. Удельная теплота испарения равна удельной теплоте парообразования.
Эту величину обозначают буквой r и выражают в джоулях на килограмм (Дж/кг).
Очень велика удельная теплота парообразования воды: r Н20 = 2,256 10 6 Дж/кг при температуре 100 °С. У других жидкостей, например у спирта, эфира, ртути, керосина, удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз, чем у воды.
Для превращения жидкости массой m в пар требуется количество теплоты, равное:
Q п = rm. (13.6)
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:
Q к = -rm.
(13.7)
Удельная теплота плавления.
При плавлении кристаллического тела всё подводимое к нему тепло идёт на увеличение потенциальной энергии взаимодействия молекул. Кинетическая энергия молекул не меняется, так как плавление происходит при постоянной температуре.
Величину, численно равную количеству теплоты, необходимой для превращения кристаллического вещества массой 1 кг при температуре плавления в жидкость, называют удельной теплотой плавления и обозначают буквой λ.
При кристаллизации вещества массой 1 кг выделяется точно такое же количество теплоты, какое поглощается при плавлении.
Удельная теплота плавления льда довольно велика: 3,34 10 5 Дж/кг.
«Если бы лёд не обладал большой теплотой плавления, то тогда весной вся масса льда должна была бы растаять в несколько минут или секунд, так как теплота непрерывно передаётся льду из воздуха. Последствия этого были бы ужасны; ведь и при существующем положении возникают большие наводнения и сильные потоки воды при таянии больших масс льда или снега».
Р. Блек, XVIII в.
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, необходимо количество теплоты, равное:
Q пл = λm. (13.8)
Количество теплоты, выделяемой при кристаллизации тела, равно:
Q кр = -λm (13.9)
Уравнение теплового баланса.
Рассмотрим теплообмен внутри системы, состоящей из нескольких тел, имеющих первоначально различные температуры, например теплообмен между водой в сосуде и опущенным в воду горячим железным шариком. Согласно закону сохранения энергии количество теплоты, отданной одним телом, численно равно количеству теплоты, полученной другим.
Отданное количество теплоты считается отрицательным, полученное количество теплоты — положительным. Поэтому суммарное количество теплоты Q1 + Q2 = 0.
Если в изолированной системе происходит теплообмен между несколькими телами, то
Q 1 + Q 2 + Q 3 + … = 0. (13.10)
Уравнение (13.10) называется уравнением теплового баланса .
Здесь Q 1 Q 2 , Q 3 — количества теплоты, полученной или отданной телами.
Эти количества теплоты выражаются формулой (13.5) или формулами (13.6)-(13.9), если в процессе теплообмена происходят различные фазовые превращения вещества (плавление, кристаллизация, парообразование, конденсация).
Изменить внутреннюю энергию газа в цилиндре можно не только совершая работу, но и нагревая газ (рис. 43). Если закрепить поршень, то объем газа не будет изменяться, но температура, а следовательно, и внутренняя энергия будут возрастать.
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называют теплообменом или теплопередачей.
Энергию, переданную телу в результате теплообмена, называют количеством теплоты. Количеством теплоты называют также энергию, которую тело отдает в процессе теплообмена.
Молекулярная картина теплообмена. При теплообмене на границе между телами происходит взаимодействие медленно движущихся молекул холодного тела с более быстро движущимися молекулами горячего тела. В результате кинетические энергии
молекул выравниваются и скорости молекул холодного тела увеличиваются, а горячего уменьшаются.
При теплообмене не происходит превращения энергии из одной формы в другую: часть внутренней энергии горячего тела передается холодному телу.
Количество теплоты и теплоемкость. Из курса физики VII класса известно, что для нагревания тела массой от температуры до температуры необходимо сообщить ему количество теплоты
При остывании тела, его конечная температура меньше начальной и количество теплоты, отдаваемое телом, отрицательно.
Коэффициент с в формуле (4.5) называют удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость — это количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1 К-
Удельную теплоемкость выражают в джоулях, деленных на килограмм, умноженный на кельвин. Различным телам требуется неодинаковое количество энергии для увеличения температуры на I К. Так, удельная теплоемкость воды а меди
Удельная теплоемкость зависит не только от свойств вещества, но и от того, при каком процессе осуществляется теплопередача Если нагревать газ при постоянном давлении, то он будет расширяться и совершать работу.
Для нагревания газа на 1 °С при постоянном давлении ему нужно будет передать большее количество теплоты, чем для нагревания его при постоянном объеме.
Жидкие и твердые тела расширяются при нагревании незначительно, и их удельные теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении мало различаются.
Удельная теплота парообразования. Для превращения жидкости в пар необходима передача ей определенного количества теплоты. Температура жидкости при этом превращении не меняется. Превращение жидкости в пар при постоянной температуре не ведет к увеличению кинетической энергии молекул, но сопровождается увеличением их потенциальной энергии. Ведь среднее расстояние между молекулами газа во много раз больше, чем между молекулами жидкости. Кроме того, увеличение объема при переходе вещества из жидкого состояния в газообразное требует совершения работы против сил внешнего да вления.
Количество теплоты, необходимое для превращения при постоянной температуре 1 кг жидкости в пар, называют
удельной теплотой парообразования.
Обозначают эту величину буквой и выражают в джоулях на килограмм
Очень велика удельная теплота парообразования воды: при температуре 100°С. У других жидкостей (спирт, эфир, ртуть, керосин и др.) удельная теплота парообразования меньше в 3-10 раз.
Для превращения в пар жидкости массой требуется количество теплоты, равное:
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:
Удельная теплота плавления. При плавлении кристаллического тела вся подводимая к нему теплота идет на увеличение потенциальной энергии молекул. Кинетическая энергия молекул не меняется, так как плавление происходит при постоянной температуре.
Количество теплоты А, необходимое для превращения 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления в жидкость той же температуры, называют удельной теплотой плавления.
При кристаллизации I кг вещества выделяется точно такое же количество теплоты. Удельная теплота плавления льда довольно велика:
Для того чтобы расплавить кристаллическое тело массой необходимо количество теплоты, равное:
Количество теплоты, выделяемое при кристаллизации тела, равно:
1.
Что называют количеством теплоты? 2. От чего зависит удельная теплоемкость веществ? 3. Что называют удельной теплотой парообразования? 4. Что называют удельной теплотой плавления? 5. В каких случаях количество переданной теплоты отрицательно?
Проверка материалов при холодной и горячей обработке
Проверка материалов при холодной и горячей обработке
Прочность / механика материалов Содержание
Проверка материалов при холодной и горячей обработке
Пластическая деформация, которая осуществляется в температурном диапазоне и в течение интервала времени, при которых упрочнение не уменьшается, называется холодной обработкой . Получены значительные знания о структуре нагартованного состояния. На ранних стадиях пластической деформации скольжение происходит в основном по первичным плоскостям скольжения, и дислокации образуют копланарные массивы. По мере деформации происходит поперечное скольжение.
Наклепанная структура образует области с высокой плотностью дислокаций, которые вскоре превращаются в сети. Размер зерна уменьшается с деформацией при малой деформации, но вскоре достигает фиксированного размера. Холодная обработка снижает пластичность.
Горячая обработка относится к процессу, при котором металлы деформируются выше их температуры рекристаллизации, и деформационного упрочнения не происходит. Горячая обработка обычно выполняется при повышенных температурах. Однако свинец подвергается горячей обработке при комнатной температуре из-за его низкой температуры плавления. С другой стороны, молибден подвергается наклепу при деформации даже при красном калении из-за его высокой температуры рекристаллизации.
Сопротивление металлов пластической деформации обычно падает с температурой. По этой причине более крупные массивные профили всегда обрабатываются в горячем состоянии путем ковки, прокатки или экструзии.
Металлы проявляют отчетливые вязкие характеристики при достаточно высоких температурах, а их сопротивление течению увеличивается при высоких скоростях формовки. Это происходит не только потому, что это свойство вязких веществ, но и потому, что скорость рекристаллизации может быть недостаточно высокой.
Нижний предел температуры горячей обработки определяется температурой его рекристаллизации. Ориентировочно нижний предел температуры горячей обработки материала составляет 60% его температуры плавления (по абсолютной шкале температур). Верхний предел для горячей обработки давлением определяется различными факторами, такими как чрезмерное окисление, рост зерна или нежелательное фазовое превращение. На практике материалы обычно сначала нагревают до верхнего предела, чтобы максимально снизить силы формования и максимально увеличить количество времени, доступное для горячей обработки заготовки.
Наиболее важным аспектом любого процесса горячей обработки является контроль температуры заготовки.
90% энергии, сообщаемой заготовке, преобразуется в тепло. Поэтому при достаточно быстром процессе деформации температура заготовки должна повышаться, однако на практике этого обычно не происходит. Большая часть тепла теряется через поверхность заготовки в более холодный инструмент. Это вызывает градиенты температуры в заготовке, обычно из-за неравномерного поперечного сечения, когда более тонкие участки холоднее, чем более толстые. В конечном итоге это может привести к растрескиванию более холодных и менее пластичных поверхностей. Один из способов свести к минимуму проблему — нагреть инструмент. Чем горячее инструмент, тем меньше тепла он теряет, но по мере повышения температуры инструмента срок его службы уменьшается. Поэтому температура инструмента должна быть снижена; обычно инструменты для горячей обработки нагревают до 500–850 ° F (325–450 ° C).
Преимущества:
- Снижение предела текучести, поэтому с ним легче работать и требуется меньше энергии или силы
- Повышение пластичности
- Повышенные температуры увеличивают диффузию, что может устранить или уменьшить химическую неоднородность
- Поры могут уменьшаться в размерах или полностью закрываться при деформации
- В стали деформируется слабая пластичная гранецентрированная кубическая аустенитная микроструктура вместо прочной объемно-центрированной кубической ферритной микроструктуры, обнаруживаемой при более низких температурах
Обычно исходная заготовка, подвергнутая горячей обработке, изначально была отлита.
Микроструктура литых изделий не оптимизирует инженерные свойства с точки зрения микроструктуры. Горячая обработка улучшает технические свойства заготовки, поскольку она заменяет микроструктуру на структуру с мелкими зернами сферической формы. Эти зерна повышают прочность, пластичность и ударную вязкость материала.
Технические свойства также можно улучшить за счет переориентации включений (примесей). В литом состоянии включения ориентированы хаотично, что при пересечении поверхности может быть очагом распространения трещин. Когда материал подвергается горячей обработке, включения имеют тенденцию течь по контуру поверхности, создавая стрингеров . В целом струны создают структуру потока , свойства которой анизотропны (различны в зависимости от направления). Стрингеры, ориентированные параллельно поверхности, упрочняют заготовку, особенно в отношении разрушения. Стрингеры действуют как «преградители трещин», потому что трещина стремится распространяться через стрингер, а не вдоль него.
Недостатки:
- Нежелательные реакции между металлом и окружающей атмосферой (образование накипи или быстрое окисление заготовки)
- Менее точные допуски из-за теплового сжатия и коробления из-за неравномерного охлаждения
- Зернистая структура металла может различаться по разным причинам
- Требуется какое-либо нагревательное устройство, такое как газовая или дизельная печь или индукционный нагреватель, который может быть очень дорогим
Энтропия: скрытая сила, усложняющая жизнь
Энтропия, мера беспорядка, объясняет, почему жизнь с течением времени становится все более, а не менее сложной.
***
Все вещи склонны к беспорядку. В частности, второй закон термодинамики гласит, что «по мере движения вперед чистая энтропия (степень беспорядка) любой изолированной или закрытой системы всегда будет увеличиваться (или, по крайней мере, оставаться неизменной)».
[1]
Энтропия — это просто мера беспорядка, влияющая на все аспекты нашей повседневной жизни. Фактически, вы можете думать об этом как о природном налоге. [2]
Неконтролируемый беспорядок со временем увеличивается. Энергия рассеивается, и системы растворяются в хаосе. Чем более беспорядочно нечто, тем более энтропийным мы его считаем. Короче говоря, мы можем определить энтропию как меру беспорядка во вселенной как на макро-, так и на микроскопическом уровне. Греческий корень этого слова переводится как «поворот к трансформации» — причем эта трансформация представляет собой хаос.
«Ни публичное пламя, ни частное не смеют светить;
— Александр Поуп, Дунсиада
Не осталось ни искры человеческой, ни проблеска божественного!
Вот! твоя ужасная империя, Хаос! восстанавливается;
Свет умирает перед твоим несотворенным словом:
Твоя рука, великий Анарх! опускает занавес;
И вселенская тьма погребет все.
Пока вы читаете эту статью, энтропия окружает вас повсюду.
Клетки вашего тела умирают и деградируют, сотрудник или коллега совершают ошибку, пол становится пыльным, а тепло от вашего кофе распространяется. Немного уменьшите масштаб, и бизнес терпит крах, происходят преступления и революции, а отношениям приходит конец. Уменьшите масштаб еще больше, и мы увидим, как вся Вселенная движется к коллапсу.
Давайте посмотрим, что такое энтропия, почему она возникает и можем ли мы ее предотвратить.
Открытие энтропии
Открытие энтропии приписывается Рудольфу Клаузиусу (1822–1888), немецкому математику и физику. Я говорю, что приписал , потому что именно молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832) первым пришел к идее термодинамической эффективности; однако в то время эта идея была настолько чужда людям, что не оказала большого влияния. Клаузиус не обращал внимания на работу Карно, но придерживался тех же идей.
Клаузиус изучал превращение теплоты в работу. Он понял, что теплота от тела с высокой температурой будет переходить к телу с более низкой температурой.
Вот как ваш кофе остывает, чем дольше его не пьют — тепло от кофе уходит в комнату. Это происходит естественным образом. Но если вы хотите нагреть холодную воду для приготовления кофе, вам нужно совершить работу — вам нужен источник энергии для нагрева воды.
Из этой идеи вытекает утверждение Клаузиуса о втором законе термодинамики: «тепло не переходит от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой без сопутствующего изменения в другом месте».
Клаузиус также заметил, что устройства, работающие на тепле, работали неожиданным образом: только часть энергии преобразовывалась в реальную работу. Природа накладывала налог. В недоумении учёные спрашивали, куда ушло остальное тепло и почему?
Клаузиус решил загадку, наблюдая за паровым двигателем и вычисляя, что энергия распространяется и покидает систему. В The Mechanical Theory of Heat, Клаузиус объясняет свои выводы:
…количества теплоты, которые должны быть сообщены изменчивому телу или отведены от него, неодинаковы, когда эти изменения происходят необратимым образом, как они есть, когда одни и те же изменения происходят обратимо.
Во-вторых, с каждым необратимым изменением связано некомпенсированное превращение…
… Величину S я предлагаю назвать энтропией тела… Я намеренно образовал слово энтропия так, чтобы оно было как можно более похоже на слово энергия….
Вторая основная теорема [второй закон термодинамики] в той форме, которую я ей придал, утверждает, что все превращения, происходящие в природе, могут происходить в определенном направлении, которое я принял за положительное, само собой, т. е. , без компенсации… [T] все состояние вселенной должно всегда продолжать изменяться в этом первом направлении, и, следовательно, вселенная должна постоянно приближаться к предельному состоянию.
… Для каждого тела тем самым представились две величины — значение преобразования его теплового содержания [количество подведенной энергии, которая превращается в «работу»] и его дисгрегация [отделение или распад]; сумма которых составляет его энтропию.
Во-вторых, с каждым необратимым изменением связано некомпенсированное превращение… Клаузиус резюмировал понятие энтропии простыми словами: «Энергия Вселенной постоянна.
Энтропия Вселенной стремится к максимуму».
«Увеличение беспорядка или энтропии — это то, что отличает прошлое от будущего, задавая направление времени».
— Стивен Хокинг, Краткая история времени
Энтропия и время
Энтропия — одна из немногих концепций, подтверждающих существование времени. «Стрела времени» — это название, данное идее о том, что время асимметрично и течет только в одном направлении: вперед. Это необратимый процесс, при котором энтропия возрастает.
Астроном Артур Эддингтон впервые предложил концепцию Стрелы Времени в 1927 году, написав:
Давайте нарисуем стрелку произвольно. Если, следуя за стрелкой [], мы находим все больше и больше случайного элемента в состоянии мира, тогда стрелка указывает на будущее; если случайный элемент уменьшается [] стрелка указывает в прошлое. Это единственное различие, известное физике.
В сегменте чудес Вселенной , подготовленном для BBC Two, физик Брайан Кокс объясняет: никогда не отменял.
Постоянные изменения являются фундаментальной частью того, что значит быть человеком. Мы все стареем с годами — люди рождаются, живут и умирают. Я полагаю, что это часть радости и трагедии нашей жизни, но там, во Вселенной, эти великие и эпические циклы кажутся вечными и неизменными. Но это иллюзия. Видите, в жизни вселенной, как и в нашей жизни, все необратимо меняется.
В своей пьесе Аркадия Том Стоппард использует новую метафору необратимой природы энтропии:
Когда ты размешиваешь рисовый пудинг, Септимус, ложка джема растекается, оставляя красные следы, как на картинке. метеора в моем астрономическом атласе. Но если размешать в обратном направлении, варенье снова не соберется. Действительно, пудинг этого не замечает и продолжает розоветь так же, как и раньше. Как вы думаете, это странно?
(Если хотите вовремя копнуть поглубже, рекомендую прекрасную книгу Джона Гриббина, Иллюзия времени .)
«Как студент, изучающий деловое администрирование, я знаю, что существует закон эволюции для организаций, такой же строгий и неизбежный, как и все в жизни.
— Роджер Желязны, Doorways in the Sand
Чем дольше он существует, тем больше он вытачивает ограничений, замедляющих его собственные функции. Он достигает энтропии в состоянии тотального нарциссизма. Только люди, достаточно далеко работающие в этой области, добиваются чего-либо, и каждый раз, когда они это делают, они в процессе нарушают полдюжины правил».Энтропия в бизнесе и экономике
Большинство предприятий терпят неудачу — до 80% только за первые 18 месяцев. Один из способов понять это — провести аналогию с энтропией.
Энтропия — это принципиально вероятностная идея: для каждого возможного «полезно упорядоченного» состояния молекул существует гораздо больше возможных «неупорядоченных» состояний. Точно так же, как энергия стремится к менее полезному, более беспорядочному состоянию, то же самое происходит с предприятиями и организациями в целом. Чтобы привести молекулы — или бизнес-системы и людей — в «упорядоченное» состояние, требуется вливание внешней энергии.
Давайте представим, что мы начинаем компанию, запихивая 20 человек в офис с нечеткой, но амбициозной целью и без дальнейшего лидерства. Мы говорим им, что будем платить им, пока они работают. Через два месяца мы возвращаемся и обнаруживаем, что пятеро из них уволились, пятеро спят друг с другом, а остальные десять понятия не имеют, как решить целый список возникших проблем. Сотрудники, конечно, ненамного приблизились к поставленной перед ними цели. Все предприятие просто разваливается.
Это отчетливо напоминает энтропию: на каждую полезную организацию дел для достижения общей бизнес-цели приходится на много порядков больше договоренностей, которые ни к чему не приведут. Чтобы прогресс был, все должно быть устроено и управляться определенным образом; мы должны вкладывать много энергии, чтобы держать вещи в упорядоченном состоянии.
Конечно, это не идеальная аналогия: мы должны рассмотреть явление самоорганизации, которое происходит во многих системах, вплоть до человеческих организаций.
Имея достаточно сильную цель, достаточно хорошую команду и правильные стимулы, возможно, этой группе не нужно было бы много «приказов извне» — они справились бы сами.
«… Конечная цель жизни, разума и человеческих стремлений: использовать энергию и информацию, чтобы дать отпор потоку энтропии и создать убежища благотворного порядка».
— Стивен Пинкер
На практике обе модели кажутся полезными в разное время. Любой стартап-предприниматель, проработавший достаточно долго, чтобы увидеть, как компания процветает неожиданным образом, знает это. Объем необходимого тщательного управления будет варьироваться. В физике энтропия — это закон; в социальных системах это просто тенденция, хотя и сильная, что и говорить.
Энтропия присутствует во всех аспектах бизнеса. Сотрудники могут забыть об обучении, потерять энтузиазм, срезать углы и игнорировать правила. Оборудование может сломаться, стать неэффективным или использоваться не по назначению.
Товары могут устаревать или пользоваться меньшим спросом. Даже самые лучшие намерения не могут предотвратить энтропийное сползание к хаосу.
Успешный бизнес вкладывает время и деньги в минимизацию энтропии. Например, они обеспечивают регулярное обучение персонала, хорошие отчеты о любых проблемах, проверки, подробные файлы и отчеты об успехах и неудачах. Все, что меньше, будет означать почти неизбежные проблемы и потерю потенциального дохода. Без необходимых усилий бизнес достигнет точки максимальной энтропии: банкротства.
К счастью, в отличие от термодинамических систем, бизнес может обратить вспять влияние энтропии. Однако необходимо соблюдать баланс между творчеством и контролем. Слишком маленькая автономия сотрудников приводит к незаинтересованности, а слишком большая — к неверным решениям.
Энтропия в социологии
Без постоянной поддержки со стороны отдельных лиц и господствующих институтов общества стремятся к хаосу. Дивергентное поведение обостряется — концепция, известная как теория «разбитых окон».
Социолог Кеннет Бейли пишет:
Когда я начал изучать понятие энтропии, мне стало ясно, что термодинамическая энтропия была лишь одним из примеров понятия с гораздо более широкими приложениями… Я убедился, что энтропия применима и к социальным явлениям.
Один из примеров того, что происходит, когда энтропия неконтролируемо возрастает, произошел в городе-крепости Коулун. В течение длительного времени Коулун был заброшен правительством после того, как британцы взяли под свой контроль Гонконг. В какой-то момент около 33 000 жителей были забиты в 300 зданий площадью более 6,4 акров, что сделало Коулун самым густонаселенным местом на земле. Поскольку места для нового строительства не было, к существующим зданиям были добавлены этажи. Из-за минимального водоснабжения и отсутствия вентиляции (нижние уровни не попадали на солнечный свет или свежий воздух) страдало здоровье жителей. Наряду с публичными домами и игорными заведениями процветало сообщество нелицензированных медицинских работников.
Поскольку никто не контролировал город, его захватили организованные преступные группировки. Он стал пристанищем для беззакония. Хотя полиция была слишком напугана, чтобы предпринимать какие-либо попытки восстановить порядок, жители действительно предпринимали отчаянные попытки уменьшить энтропию самостоятельно. Группы, созданные для улучшения качества жизни, создания благотворительных организаций, мест для религиозных обрядов, детских садов и предприятий для получения дохода.
В 1987 году правительство Гонконга признало штат Коулун. Правительство разрушило и восстановило город, выселив жителей и разрушив все исторические здания, кроме нескольких. Хотя бывшим жителям была предоставлена разумная компенсация, многие были несколько недовольны проектом восстановления.
Глядя на фотографии и слушая истории из Коулуна, мы должны задаться вопросом, были бы все города такими без постоянного контроля. Был ли Коулун единичным случаем, когда несколько гнилых парней принесли мирному месту ужасную репутацию? Или хаос — это наше естественное состояние?
Излишне говорить, что Коулун не был единичным случаем.
Мы видели хаос и жестокость, развязанные во время войны во Вьетнаме, когда многие молодые люди, имея слишком много боеприпасов и слишком мало приказов, приступали к убийству и пыткам всех живых существ, с которыми сталкивались. Мы видим это по всему миру прямо сейчас, где места без правоохранительных органов (включая Сомали и Западную Сахару) сталкиваются с непрекращающимися гражданскими войнами, голодом и высоким уровнем преступности.
Социологи используют интуитивно понятный термин для этого явления: социальная энтропия. Общество должно прилагать постоянные усилия, чтобы остановить неизбежное движение к опасному хаосу. Снижение социальной энтропии, как правило, требует стабильного правительства, активного правоприменения, организованной экономики, значимой занятости для большого процента людей, инфраструктуры и образования.
Однако грань между контролем над энтропией и подавлением свободы людей тонка. Чрезмерный контроль может привести к ситуации, похожей на паноптикум Фуко, когда люди находятся под постоянным наблюдением, лишены свободы слова и передвижения, лишены и других прав и подвергаются чрезмерно усердному правоприменению.
Такой подход контрпродуктивен и в конечном итоге приводит к бунту, как только сформируется критическая масса несогласных.
«Все, что соединяется вместе, разваливается. Все. Стул, на котором я сижу. Он был построен, и поэтому он развалится. Я развалюсь, наверное, раньше этого стула. И ты развалишься. Клетки, органы и системы, из которых вы состоите, — они собрались вместе, срослись и поэтому должны развалиться. Будда знал одну вещь, которую наука не могла доказать на протяжении тысячелетий после его смерти: энтропия увеличивается. Все разваливается.»
— Джон Грин, В поисках Аляски
Энтропия в нашей повседневной жизни
Мы все наблюдаем энтропию в нашей повседневной жизни. Все стремится к беспорядку. Жизнь всегда кажется более сложной. Когда-то опрятные комнаты становятся захламленными и пыльными. Крепкие отношения рушатся и заканчиваются. Некогда молодое лицо сморщивается, а волосы седеют. Сложные навыки забываются. Здания разрушаются из-за трещин в кирпичной кладке, сколов краски и отслоения плитки.
Энтропия — важная ментальная модель, поскольку она применима ко всем аспектам нашей жизни. Это неизбежно, и даже если мы попытаемся игнорировать это, результатом будет своего рода коллапс. Подлинное понимание энтропии ведет к радикальному изменению нашего взгляда на мир. Незнание этого является причиной многих наших самых больших ошибок и неудач. Мы не можем ожидать, что что-то останется таким, каким мы его оставили. Чтобы сохранить наше здоровье, отношения, карьеру, навыки, знания, общества и имущество, требуются бесконечные усилия и бдительность. Беспорядок — это не ошибка; это у нас по умолчанию. Порядок всегда искусственный и временный.
Это кажется грустным или бессмысленным? Это не. Представьте себе мир без энтропии — все остается таким, каким мы его оставили, никто не стареет и не болеет, ничего не ломается и не выходит из строя, все остается первозданным. Возможно, это также был бы мир без инноваций и творчества, мир без срочности или потребности в прогрессе.
Целью жизни многих людей является улучшение мира для будущих поколений. Они проводят акции протеста, принимают новые законы, создают новые формы технологий, работают над сокращением бедности и преследуют другие благородные цели. Каждый из нас прилагает собственные усилия, чтобы уменьшить беспорядок. Существование энтропии — вот что держит нас в напряжении.
Ментальные модели эффективны, потому что они позволяют нам разобраться в окружающем нас беспорядке. Они дают нам кратчайший путь к пониманию хаотичного мира и осуществлению некоторого контроля над ним.
В Информация: история, теория, потоп , пишет Джеймс Глейк,
Организмы организуются. … Мы сортируем почту, строим замки из песка, собираем пазлы, отделяем зерна от плевел, переставляем шахматные фигуры, собираем марки, расставляем книги по алфавиту, создаем симметрию, сочиняем сонеты и сонаты, наводим порядок в наших комнатах… Мы пропагандируем структуру (не только мы люди, но мы живые).
Мы нарушаем тенденцию к равновесию. Было бы абсурдно пытаться термодинамически объяснить такие процессы, но не абсурдно утверждать, что мы уменьшаем энтропию шаг за шагом. Шаг за шагом… Живые существа не только уменьшают беспорядок в окружающей их среде; они сами по себе, их скелеты и их плоть, везикулы и мембраны, раковины и панцири, листья и цветки, системы кровообращения и метаболические пути — чудеса узора и структуры. Иногда кажется, что сдерживание энтропии — наша донкихотская цель во Вселенной.Вопрос не в том, можем ли мы предотвратить энтропию (мы не можем), а в том, как мы можем ее обуздать, контролировать, работать с ней и понимать ее. Как мы видели в начале этого поста, энтропия окружает нас повсюду. Теперь, вероятно, пришло время исправить ошибку, которую только что допустил сотрудник или коллега, убрать беспорядок на столе и подогреть холодный кофе.
Как я могу использовать энтропию в своих интересах?
Здесь все становится интереснее.
Независимо от того, начинаете ли вы свой бизнес или пытаетесь внести изменения в свою организацию, понимание абстракции энтропии как ментальной модели поможет вам более эффективно достигать своих целей.
Поскольку со временем все естественным образом приходит в беспорядок, мы можем настроить себя так, чтобы создать стабильность. Существует два типа устойчивости: активная и пассивная. Рассмотрим корабль, который, если он хорошо спроектирован, должен быть в состоянии пройти через шторм без вмешательства. Это пассивная стабильность. Реактивному истребителю, напротив, требуется активная устойчивость. Самолет не может лететь дольше нескольких секунд, не регулируя крылья. Эта настройка происходит настолько быстро, что ею управляет программное обеспечение. Здесь нет врожденной стабильности: если отключить питание, самолет падает. [3]
Люди попадают в беду, когда путают два типа стабильности. Отношения, например, требуют внимания и заботы. Если вы предполагаете, что ваши отношения пассивно стабильны, однажды вы проснетесь с бумагами о разводе.
Ваш дом также не является пассивно стабильным. Если его не чистить регулярно, он будет становиться все более и более грязным.
Организации также нуждаются в стабильности. Если ваша компания зависит от долга, вы не пассивно стабильны, а активно стабильны. С учетом запаса прочности это означает, что люди, дающие вам кредит, должны быть пассивно стабильными. Если вы оба активно стабильны, то, когда мощность отключится, вы, скорее всего, окажетесь в позиции слабости, а не силы.
При активной стабильности вы прикладываете энергию к системе, чтобы получить некоторое преимущество (уберечь самолет от крушения, сохранить ваши отношения, сделать дом чистым и т. д.), Если мы продвинемся немного дальше по кроличьей норе , мы можем видеть, как применение одного и того же количества энергии может привести к совершенно разным результатам.
Проведем аналогию с кашлем. [4] Кашель — это передача энергии в виде тепла. Если вы кашляете в тихой кофейне, которую вы можете представить как систему с низкой энтропией, вы вызываете большие изменения.
Твой кашель раздражает. С другой стороны, если вы кашляете на Таймс-сквер, системе с большой энтропией, тот же самый кашель не окажет никакого влияния. Хотя вы изменяете энтропию в обоих случаях, воздействие, которое вы оказываете при одном и том же кашле, пропорционально существующей энтропии.
Теперь подумайте об этом примере применительно к вашей организации. Вы тратите энергию, чтобы что-то сделать. Чем выше энтропия в системе, тем менее эффективной будет используемая вами энергия. Один и тот же человек, прилагающий 20 единиц энергии в крупной бюрократии, увидит меньший эффект, чем тот, кто применяет те же 20 единиц в небольшом стартапе.
Вы можете подумать об этой идее и в соревновательном смысле. Если вы начинаете бизнес и конкурируете с очень эффективными и действенными людьми, много усилий будет поглощено. Это будет не очень эффективно. Если, с другой стороны, вы соревнуетесь с менее эффективными и результативными людьми, такое же количество энергии будет более эффективно преобразовываться.
По сути, чтобы произошло изменение, вы должны приложить к системе больше энергии, чем извлекается системой.
Если вы еще не являетесь участником Farnam Street, посмотрите, что вам не хватает.
Ресурсы:
[1] http://www.exactlywhatistime.com/physics-of-time/the-arrow-of-time/
7s [1]
[3] На основе работы Тома Томбрелло
[4] Взято из работы Питера Аткинса в книге «Законы термодинамики: очень краткое введение»
Электрическое поле и движение заряда
последние века является развитие электрических цепей. Поток заряда по проводам позволяет нам готовить еду, освещать наши дома, кондиционировать нашу работу и жилое пространство, развлекать нас фильмами и музыкой и даже позволяет нам безопасно ездить на работу или в школу. В этом разделе «Класс физики» мы рассмотрим причины, по которым заряд течет по проводам электрических цепей, и переменные, влияющие на скорость его течения.
Средства, с помощью которых движущийся заряд передает электрическую энергию приборам для их работы, будут подробно обсуждены.
Один из фундаментальных принципов, который необходимо понять, чтобы понять электрические цепи, относится к концепции того, как электрическое поле может влиять на заряд внутри цепи, когда он перемещается из одного места в другое. Понятие электрического поля впервые было введено в разделе «Статическое электричество». В этой единице электрическая сила описывалась как бесконтактная сила. Заряженный воздушный шар может оказывать притягательное воздействие на противоположно заряженный воздушный шар, даже если они не соприкасаются. Электрическая сила действует на расстоянии, разделяющем два объекта. Электрическая сила – это сила действия на расстоянии.
Силы дальнего действия иногда называют полевыми силами. Концепция силы поля используется учеными для объяснения этого довольно необычного силового явления, возникающего в отсутствие физического контакта.
На пространство, окружающее заряженный объект, влияет наличие заряда; в этом пространстве создается электрическое поле. Заряженный объект создает электрическое поле — изменение пространства или поля в окружающей его области. Другие заряды в этом поле ощутят необычное изменение пространства. Независимо от того, входит ли заряженный объект в это пространство или нет, электрическое поле существует. Пространство изменяется присутствием заряженного объекта; другие объекты в этом пространстве испытывают странные и таинственные качества пространства. Когда другой заряженный объект входит в пространство и перемещается на все глубже и глубже в поле, эффект поля становится все заметнее.
Электрическое поле представляет собой векторную величину, направление которой определяется как направление, в котором положительный пробный заряд будет сдвинут при помещении в поле. Таким образом, направление электрического поля вокруг положительного заряда источника всегда направлено от положительного источника.
А направление электрического поля вокруг отрицательного заряда источника всегда направлено к отрицательному источнику.
Электрическое поле, работа и потенциальная энергия
Электрические поля аналогичны гравитационным полям — оба включают в себя силы, действующие на расстоянии. В случае гравитационных полей источником поля является массивный объект, а силы действия на расстоянии воздействуют на другие массы. Когда концепция силы гравитации и энергии обсуждалась в Разделе 5 кабинета физики, было упомянуто, что сила гравитации является внутренней или консервативной силой. Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его из высокого места в более низкое, общее количество механической энергии объекта сохраняется. Однако в ходе падающего движения происходила потеря потенциальной энергии (и прирост кинетической энергии). Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его в направлении гравитационного поля, объект теряет потенциальную энергию.
Потенциальная энергия, изначально запасенная внутри объекта в результате его вертикального положения, теряется при движении объекта под действием гравитационного поля. С другой стороны, для перемещения массивного объекта против его гравитационного поля потребуется энергия. Неподвижный объект не будет естественным образом двигаться против поля и приобретать потенциальную энергию. Энергия в виде работы должна была бы быть сообщена объекту внешней силой, чтобы он приобрел эту высоту и соответствующую потенциальную энергию.
В этой гравитационной аналогии важно отметить, что внешняя сила должна совершить работу, чтобы сдвинуть объект против природы — от низкой потенциальной энергии до высокой потенциальной энергии. С другой стороны, объекты естественным образом переходят от высокой потенциальной энергии к низкой потенциальной энергии под действием силы поля. Для объектов просто естественно переходить от высокой энергии к низкой энергии; но требуется работа, чтобы переместить объект из низкой энергии в высокую энергию.
Аналогичным образом, чтобы переместить заряд в электрическом поле против его естественного направления движения, потребовалась бы работа. Совершение работы внешней силой, в свою очередь, добавило бы объекту потенциальную энергию. Естественное направление движения объекта — от высокой энергии к низкой; но необходимо совершить работу, чтобы переместить объект против природы . С другой стороны, не потребуется работы, чтобы переместить объект из места с высокой потенциальной энергией в место с низкой потенциальной энергией. Когда этот принцип логически распространяется на движение заряда в электрическом поле, взаимосвязь между работой, энергией и направлением движения заряда становится более очевидной.
Рассмотрим приведенную выше диаграмму, на которой положительный исходный заряд создает электрическое поле, а положительный пробный заряд движется против поля и вместе с ним. На диаграмме A положительный тестовый заряд перемещается против поля из точки A в точку B.
Перемещение заряда в этом направлении было бы равносильно действию против природы. Таким образом, потребуется работа, чтобы переместить объект из точки А в точку В, и положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в процессе. Это было бы аналогично перемещению массы в гору; работа потребовалась бы, чтобы вызвать такое увеличение гравитационной потенциальной энергии. На диаграмме B положительный пробный заряд перемещается вместе с полем из точки B в точку A. Это движение было бы естественным и не требовало бы работы внешней силы. Положительный пробный заряд будет терять энергию при перемещении из точки B в точку A. Это будет аналогично падению массы вниз; это произошло бы естественным путем и сопровождалось бы потерей гравитационной потенциальной энергии. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с высокой энергией для положительного пробного заряда — это место, ближайшее к положительному исходному заряду; и место с низким энергопотреблением находится дальше всего.
Вышеприведенное обсуждение относилось к перемещению положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом положительным исходным зарядом. Теперь рассмотрим движение того же положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом отрицательным исходным зарядом. Тот же принцип в отношении работы и потенциальной энергии будет использоваться для определения местоположений высокой и низкой энергии.
На диаграмме C положительный пробный заряд перемещается из точки A в точку B в направлении электрического поля. Это движение было бы естественным — подобно массе, падающей на Землю. Для такого движения не требуется работы, и оно будет сопровождаться потерей потенциальной энергии. На диаграмме D положительный пробный заряд перемещается из точки B в точку A против электрического поля. Потребуется работа, чтобы вызвать это движение; это было бы аналогично подъему массы в гравитационном поле Земли. Поскольку энергия сообщается пробному заряду в виде работы, положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в результате движения.