Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Перенос энергии в физической системе

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Термин "перенос энергии" не точен.
2. Схема переноса энергии через физическую систему.
3. Перенос энергии в проточных и непроточных системах.
4. Примеры переноса энергии в открытых проточных системах.
5. Примеры переноса энергии в закрытых проточных системах.
6. Понятие о перемещающейся координате состояния.
7. Работа сторонних сил и моментов по перемещению координаты состояния.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Термин "перенос энергии" не точен.

В физике часто применяют термин "перенос энергии", хотя энергия это физическая величина, а физическая величина переноситься не может. Через контрольную поверхность физической системы переносятся материальные объекты, содержащие энергию, которые являются энергоносителями.

Следует иметь в виду, что координаты состояния форм движения часто представлены удельными физическими величинами, получающимися в результате математических операций, и это приводит к недопониманию сути явлений. Например, в механической форме движения энергию переносят через контрольную поверхность системы энергоносители, имеющие массу. То есть координатой состояния формы движения должна быть масса энергоносителей. Но массу тела нередко делят на его плотность, и тогда в роли координаты состояния уже выступает переносимый объём тела, и форма движения имеег уже другое название. Если же поделить объём тела на площадь поперечного сечения потока, то в роли координаты состояния выступит уже перемещение, и форма движения имеет уже третье название.

Однако очевидно, что ни объём, ни перемещение не являются энергоносителями. Это просто абстрактные физические величины (кинематические величины). И в результате использования подобных математических операций упускается из виду истинное физическое содержание процесса переноса энергии, потому что не каждая применяемая в физике характеристика движения является реальной физической величиной (динамической величиной). В приведенных двух примерах координаты состояния получаются вследствие проведения математических операций. При преподавании физики обязательно требуется разъяснять, что скрывают математические операции и каково истинное физическое содержание энергоносителей.

2. Схема переноса энергии через физическую систему.

Приведем пример физической системы, в которой изучается для упрощения пояснений только одна форма движения, не играет роли, какая именно. Разность между энергиями энергоносителей по обе стороны от контрольной поверхности, отделяющей систему от среды (см. рис. а), называется дисбалансом энергообмена. Дисбаланс энергообмена на входе в систему ΔWin в общем случае не равен дисбалансу энергообмена ΔWout на выходе из системы. Пусть ΔWin > ΔWout , хотя это принципиальной роли не играет.

Разделим мысленно рассматриваемую систему на две части. Пусть в одной ее части, названной проточной системой (см. рис. b), значения энергообмена ΔWfl на входе и на выходе равны. Нижний индекс "fl" происходит от английского слова flowing − проточный. Для проточной системы ΔWfl = ΔWin = ΔWout . Процесс перемещения энергоносителей через проточную систему называют технологическим процессом. В большинстве производств используются именно проточные системы.

На рис. с показана система, названная непроточной, потому что энергоносители либо только входят в нее, либо только выходят из нее. У такой системы ΔWin = ΔWnfl и ΔWout = 0. Нижний индекс "nfl" происходит от английского слова non-flowing − непроточный. Энергоносители могут либо вводится в непроточную систему (ΔWin = ΔWnfl ), либо выводятся из нее (ΔWout = − ΔWnfl ).

Систему, изображенную на рис. а, будем называть комплексной системой. Любую комплексную систему можно рассматривать, как состоящую из двух систем: из проточной и непроточной. В комплексной системе дисбаланс энергообмена ΔWin можно представить в виде суммы двух слагаемых: ΔWin = ΔWfl + ΔWnfl .

Необходимость разделения физических систем на комплексные, проточные и непроточные при систематизации физических величин вытекает из того, что для физических величин, характеризующих эти виды систем, различны и определяющие уравнения, и уравнения состояния, и размерности, и единицы. В этом можно убедиться, посмотрев Таблицы физических величин и раздел, посвященный подробному описанию динамики в различных видах физических систем. В принципе, физическая система с разными формами движения может быть одновременно непроточной для одной формы движения, проточной − для другой формы движения и комплексной − для третьей формы движения. На практике же удобно анализировать системы с какой-либо одной превалирующей формой движения.

3. Перенос энергии в проточных и непроточных системах.

Процесс переноса энергоносителей в проточных системах отличается тем, что он происходит постоянно. Количество энергоносителей, входящих в систему, всегда равно в проточной системе количеству энергоносителей, выходящих из системы. Следовательно, изменение количества энергоносителей в проточной системе равно нулю, и полное количество энергоносителей в проточной системе постоянно. Процесс переноса энергоносителей в проточных системах, при котором значение энергии потока не изменяется со временем, называется равновесным процессом. Соответственно, процесс переноса энергоносителей, при котором значение энергии потока энергоносителей со временем изменяется, называется неравновесным процессом.

Несмотря на постоянное движение энергоносителей через проточную систему, при равновесном процессе локальное значение координаты состояния в любой точке проточной системы неизменно. Вдоль проточной системы уменьшается лишь значение той части энергии потока, которая переходит в тепловую энергию внутри проточной системы вследствие диссипации. Механизм этого перехода объяснен в отдельной статье, он является основным интересующим фактором при рассмотрении проточных системе.

В непроточных системах дисбаланс энергообмена ΔWnfl ≠ 0. Поэтому и полное количество энергоносителей в непроточной системе изменяется до тех пор, пока ΔWnfl не станет равным 0. Этот процесс изменения количества энергоносителей в непроточной системе называется переходным процессом. Переходные процессы в непроточной и в проточной системах проходят по-разному и описываются разными уравнениями.

4. Примеры переноса энергии в открытых проточных системах.

Приведем четыре примера процессов переноса энергоносителей в открытых проточных системах, в которых энергоносители являются материальными вещественными объектами.

1. Проточную систему можно представить в виде несжимаемой жидкости, движущейся в трубе с жесткими стенками. Общее количество жидкости в трубе постоянно несмотря на движение жидкости вдоль трубы. (Сколько жидкости вливается на входе в трубу, столько же и выливается на ее выходе.) Уменьшается лишь энергия упорядоченного движения молекул жидкости, о чем свидетельствует уменьшение статического давления вдоль трубы и увеличение температуры жидкости. То есть часть потенциальной энергии жидкости, вошедшей в трубу, переходит в энергию неупорядоченного теплового движения молекул жидкости. Последнее не всегда заметно вследствие перехода тепловой энергии из трубы в окружающую среду через стенки трубы.

2. Проточную систему можно представить в виде мысленно выделенного участка пространства, заполненного движущимися через участок частицами твердого тела. В этом случае в технике говорят о перемещении сыпучей среды. Особенно интересен частный случай такой проточной системы, в котором рассматривается одна единственная перемещающаяся частица (тело), координатой состояния которой является перемещение центра масс тела в направлении движения. Этот случай встречается в механике очень часто и подробно проанализирован в отдельной статье.

3 Продолговатое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси (вал), можно представить в виде проточной системы, передающей вращающий момент. В этом случае перемещается элементарный сектор вращающегося тела, вращающийся вместе с телом. Координатой состояния является угол поворота этого сектора.

4. В электрической форме движения проточную систему можно рассматривать как систему, через которую перемещаются электрические заряды (электрический проводник с постоянным значением электрического тока).

5. Примеры переноса энергии в закрытых проточных системах.

В закрытых проточных системах также имеет место поток энергоносителей, хотя он и не сопровождается переносом вещества. Чаще всего речь идет о переносе импульса колеблющихся молекул в направлении переноса энергии. Энергоносителями является волны. Диссипативные потери энергии при переносе энергии в таких системах заключаются в том, что значение колебательной скорости молекул снижается в направлении переноса энергии. Приведем два примера закрытых проточных систем.

1. При теплопередаче через твердую стенку эту стенку можно рассматривать как проточную систему, через которую перемещается тепловой заряд. От слоя к слою изменяется скорость тепловых колебаний атомов или молекул вещества.

2. При переносе энергии излучением участок среды, через который распространяется излучение, можно рассматривать как проточную систему, в которой энергоносителями являются волны.

6. Понятие о перемещающейся координате состояния.

Рассмотрим изображенную на рисунке схему проточной системы, на которой для упрощения показано прямолинейное перемещение энергоносителей вдоль оси Оl .

На рисунке штриховыми линиями очерчены участки проточной системы с элементарной длиною dl, содержащие элементарное количество перемещающихся энергоносителей dq . Но обозначать его будем иначе, как dql (или dqfl ). Величина dqfl измеряется в те же единицах, что и элементарное количество энергоносителей dq, но это две величины, имеющие различное физическое содержание.

Векторную физическую величину qfl = (qfl v) назовем движущимся энергоносителем (по аналогии с термином "движущийся заряд" в электродинамике) или перемещающимся энергоносителем, если речь идет о прямолинейном движении. Она является характеристикой процесса переноса координаты состояния q от входа проточной системы к ее выходу и характеризует элементарное количество энергоносителей, перемещающихся через любое сечение проточной системы.

При прямолинейной форме движения цилиндрический участок перемещается с линейной скоростью v = dх/dt, где х − линейное перемещение центра участка, а при вращательном движении сектор поворачивается с угловой скоростью ω = dφ/dt, где φ − угловое перемещение центра сектора.

На втором рисунке штриховыми линиями очерчены участки системы с углом при вершине поворачиваемого сектора dφ, обозначенные dqφ . Векторную величину qφ можно назвать поворачиваемой координатой состояния. Эта характеристика вращательного движения является псевдовекторной величиной.

7. Работа сторонних сил и моментов по перемещению координаты состояния.

Главное определяющее уравнение для i-ой формы движения определяет разность потенциалов между системой и средой в этой форме движения в виде

ΔU = [dW/|dq|] eΔU . ( 3 )

Изменение энергообмена dW является работой dА сторонних сил Ffor по линейному перемещению энергоносителей или как работу dА сторонних моментов Мfor по их угловому перемещению. Определяющее уравнение для работы записывается в обобщенном виде как:

dА = Ffor dql   ( 4 )      или       dА = Мfor dqφ   . ( 5 )

Сторонние силы при этом называют движущими силами, но слово "сила" уместно лишь в механической прямолинейной форме движения, в которой размерность движущей силы совпадает с размерностью силы. В современной физике к слову "движущие" в выражении "движущие силы" добавляют в виде префикса название той формы движения, чьи энергоносители перемещаются в проточной системе. Так возникают, например, выражения типа электродвижущая сила, если под ql подразумевается перемещаемый электрический заряд, или термодвижущая сила, если под ql подразумевается перемещаемый тепловой заряд. В этих случаях применение слова "сила" неуместно, как показано в статье о применении слова сила, поскольку размерности "движущих сил" в разных формах движения различны. Сторонние моменты называют вращающими моментами.

По указанной причине термин "разность потенциалов" звучит более обобщенно и правильно, именно этим термином следует заменять термины "движущая сила" и "вращающий момент".

© И. Коган Дата первой публикации 01.03.2008
Дата последнего обновления 01.04.2015

Оглавление раздела Предыдущая Следующая