Praca w termodynamice

Jeśli w układzie działają tylko siły zachowawcze i brak jest sił zewnętrznych, to:

[1] str.68: [1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, W-wa 1965 - „...całkowita energia mechaniczna odosobnionego układu ciał pozostaje stała.”
[2] str.232:[2] - A. Piekara, Mechanika ogólna, PWN, W-wa 1967 - „...przyrost energii potencjalnej układu równa się ubytkowi energii kinetycznej i odwrotnie.”
[4] str.169:[4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „...energia mechaniczna odosobnionego układu zachowawczego nie ulega zmianie (zachowuje się).”
[8] str.79: [8] - W. A. Łobodiuk, K.P. Riaboszapka... Fizyka elementarna, PWN, W-wa 1981 - „...zwiększenie energii kinetycznej spadającego ciała jest równe zmniejszeniu jego energii potencjalnej, jak gdyby jego energia potencjalna                     zamieniała się na kinetyczną.”
[9] str.166: [9] - D. Halliday, R. Resnick, Fizyka 1, PWN, W-wa 1983 - „...każda zmiana energii kinetycznej układu jest równoważona przez równą co do wartości, a przeciwną co do znaku zmianę energii                        potencjalnej układu...”
[12] str.79: [12] - J.I. Butikow, A.A. Bykow, A.S. Kondratiew, Fizyka cz. 1, PWN, W-wa 1987 - „Możliwe są tylko wzajemne przekształcenia energii potencjalnej w kinetyczną i odwrotnie...”
[13] str.112:[13] - I.W. Sawieliew, Kurs fizyki tom 1, PWN, W-wa 1987 1983 - „...całkowita energia mechaniczna układu zamkniętego, wewnątrz którego działają tylko siły zachowawcze, jest wielkością stałą.”
[14] str.106: [14] - J. Orear, Fizyka 1, WNT, W-wa 1990 - „...suma energii kinetycznej i potencjalnej...jest stała, o ile nie działają inne...(poza zachowawczymi...) siły.”
[15] str.117: [15] - M. Herman, A. Kaletyński, L. Widomski, Podstawy fizyki..., PWN, W-wa 1991 - „Całkowita energia mechaniczna układu zamkniętego, w którym działają tylko siły zachowawcze, jest wielkością stałą...”
[16] str.40: [16]- Ch. Von Rhoeneck, Kompedium fizyki, WSiP, W-wa 1995 - „W układzie odosobnionym suma energii potencjalnej, kinetycznej i energii sprężystości jest stała, o ile procesy w tym układzie odbywają                        się bez tarcia.”
[17] str.62: [17] - N. Spielberg, B.D. Anderson, FIZYKA siedem teorii..., Amber, W-wa 1997 - „...mogą więc zachodzić ... przemiany jednych form energii w inne.”
[18] str.82: [18] - Cz. Bobrowski, Fizyka-krótki kurs, WNT, W-wa 2003 - „Energia mechaniczna układu odosobnionego i zachowawczego jest stała.”

Powyższe sformułowania można ująć w jednym wniosku będącym zasadą zachowania energii mechanicznej:


wniosek 7:

Gdy układ jest zamknięty, a wewnątrz niego brak jest sił niezachowawczych, to zmiana jego energii mechanicznej jest równa zero.

Może zachodzić wtedy przemiana energii kinetycznej układu w taką samą ilość energii potencjalnej (i na odwrót). Prawidłowość ta jest spełniona np. dla planet i Słońca. Podczas zbliżania się planety do peryhelium układ Słońce - planeta traci część energii potencjalnej grawitacji i tyle samo zyskuje energii kinetycznej. Odwrotnie dzieje się podczas zbliżania planety do aphelium. Dla układu odizolowanego termicznie od otoczenia, na który nie działają siły zewnętrzne (układ zamknięty), a wewnątrz którego działają siły zachowawcze i niezachowawcze, fizycy formułują najogólniejszą postać zasady zachowania energii. Najpełniej oddają jej treść Holliday i Resnick „...E + Uwew = 0 ....suma energii mechanicznej i wewnętrznej układu nie zmienia się... strata energii mechanicznej równa się uzyskanej energii wewnętrznej.” [9] str.179: [9] - D. Halliday, R. Resnick, Fizyka 1, PWN, W-wa 1983

Wielu autorów, omawiając przemianę adiabatyczną, analizuje przemiany energii mechanicznej w wewnętrzną:

[1] str.14: [1] - A. Kitajgorodskij, Fizyka, PWN, W-wa 1965 - „...praca mechaniczna przechodzi w energię wewnętrzną ciała..."
[3] str.36: [3] - D. Elwell, A.J. Pointon, Termodynamika klasyczna, WNT, W-wa 1976 - „...pewna objętość wody ogrzewa się wskutek spadania z okreżlonej wysokości..."
[4] str.181: [4] - B. M. Jaworski, A.A. Piński, Elementy fizyki, t.1, PWN, W-wa 1977 - „...podczas zderzenia niesprężystego energia kinetyczna ciał zostaje przekształcona w energię wewnętrzną..."
[9] str.562 [9] - D. Halliday, R. Resnick, Fizyka 1, PWN, W-wa 1983 - „...energia wewnętrzna układu wzrasta w procesie adiabatycznym dokładnie o tyle, ile pracy włożono w układ..."
[12] str.187: [12] - J.I. Butikow, A.A. Bykow, A.S. Kondratiew, Fizyka cz. 1, PWN, W-wa 1987 - „...po spadku kamienia...energia kinetyczna...znika...a jednocześnie zwiększa się energia wewnętrzna..."
[14] str.219:[14] - J. Orear, Fizyka 1, WNT, W-wa 1990 - „...część energii wewnętrznej gazu zamieniłaby się w energię mechaniczną..."

Z rozważań cytowanych autorów wynika, że dla układów izolowanych, w których występują siły niezachowawcze prawdziwy jest:


wniosek 8:

U = W

Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa pobranej lub oddanej przez niego pracy,

gdzie: W = Frcos = Em

Przykładem zastosowania tej zasady jest pocieranie o siebie dłoni. Energia kinetyczna dłoni (mechaniczna), pod wpływem sił tarcia (sił niezachowawczych), zamienia się w ich wewnętrzną. Wzrasta wtedy temperatura dłoni, ale nie ma pobierania ciepła zdefiniowanego we wniosku 3. Następuje wówczas tylko zamiana energii mechanicznej na wewnętrzną (np. ruchy z tarciem) lub wewnętrznej na mechaniczną (silniki cieplne). Z ostatnich rozważań wynika, że sformułowanie: „wykonano pracę” znaczy: „dokonano przemian energii mechanicznej", w wyniku czego:

- zmieniły się energie kinetyczna i potencjalna układu, jeśli działały tylko siły zachowawcze,
- zmieniła się też energia wewnętrzna układu, jeśli działały również siły niezachowawcze.