Предположим, я могу нагреть стержень с нулевой потерей тепла в окружающую среду. Затем я мог бы использовать тепловое расширение для выполнения некоторой работы, например, для сжатия газа. Откуда берется энергия, необходимая для сжатия, теряет ли стержень температуру при совершении механической работы?
Когда вы нагреваете объект, тепловая энергия течет из окружающей среды к объекту. Это источник тепла, который делает работу. Вам было бы интересно прочитать о разнице между внутренней энергией, свободной энергией и особенно энтальпией — последнее объясняет работу, необходимую для теплового расширения, и обычно используется при вычислении энергий фазового перехода.
Ноль не правильный. «Незначительный» — лучшее слово. Но даже незначительное означает «некоторое». Вот откуда берется энергия. Требуется работа, чтобы передать тепло из окружающей среды в ваш объект.
Рассмотрим следующий мысленный эксперимент:
Горизонтальный металлический стержень полностью термически изолирован от окружающей среды и не растягивается/сжимается никакими внешними силами. Электрический нагреватель (внутри изоляции) включается и подает на стержень точное количество тепловой энергии. Стержень прогревается до конечной температуры, , и расширяется до конечной длины . Так как один конец стержня зафиксирован, другой конец перемещается, чтобы приспособиться к изменению длины.
Теперь повторите эксперимент с важным отличием. Мощная пружина сжатия в несжатом состоянии находится в контакте со свободным концом стержня; другой конец стержня все еще закреплен, как и дальний конец пружины сжатия. Стержню передается такое же количество тепловой энергии; при этом он расширяет и сжимает пружину. (Усилие пружины также слегка сжимает стержень.)
Далее фиксируется длина пружины сжатия. (Я упоминал, что на пружине есть храповой механизм, который допускает сжатие, но не растяжение?)
Наконец, фиксированный конец пружины сжатия освобождается. Сжатый стержень слегка расширяется, придавая пружине горизонтальную скорость.
Сравнивая два эксперимента, нагреватель передал одинаковую энергию обоим стержням. Два стержня оказываются без внешних сил, сжимающих их. Но во втором случае пружина содержит как запасенную потенциальную энергию в сжатом состоянии, так и некоторую кинетическую энергию. Это означает, что в стержне меньше тепловой энергии.
Второй стержень немного холоднее, чем , и, следовательно, немного короче, чем . Приведенная энергия стержня является источником энергии пружины.
фамфоп
Джим Даниэль Теунис