功和能量的差别

613 2022-03-19 22:52

功是过程量——当我们说到某个功时,一定是指某个物体在某个过程中因受到某个力而产生的这个功。所谓过程就是指某段时间和某段位移。功的三要素是:1)存在某个作用于某物体上的外力,2)该物体发生了一段位移,3)外力的方向与位移的方向没有始终相互垂直(即夹角的余弦不总是为0)。同时满足这三个条件,我们就说在那个过程中那个外力一定对那个物体做了功。功是力在某位移上的功。

能是状态量——当我们说到某个能量时,一定是指某个物体处于某个状态时所具有的能量。所谓状态是指这个物体所在的位置和所具有的速度。能量是物体在某状态上的能量。

功是能量改变的量度——如果某个能量不改变,那就一定意味着某个力没做功;反之,如果某个力做了功,那就一定伴随着物体的某个能量改变了。注意:一个功至少对应两个能量——初始的能量与末态的能量。

再次强调:功是力的功,是过程量;能量是物体的能量,是状态量;功伴随着能量的改变。

比如发射一颗炮弹,如果是在外太空,那炮弹就一直保持着刚出炮膛时的速度——它的动能不变,为何此动能不变呢?因为没有外力作用到炮弹上,也就没有功。如果是在地面,那就有重力和空气阻力作用在炮弹上,空气阻力的方向时刻与炮弹的速度的方向相反——在任意一小段位移中,空气阻力的方向总与炮弹的位移的方向相反,所以阻力的功总是负的,所以阻力的功总是使炮弹的动能越来越小。重力的方向总是竖直向下,这样在炮弹上升阶段,重力做负功——使动能越来越小;而下落阶段则做正功使动能越来越大。

再如,导线中的电能实际上就是电线中自由电子定向运动时所具有的动能。电源产生的静电场遍布在导线中,这个电场对身处其中的电子施以电力作用,不断推动电子加速运动(类似于上段中炮弹在下落阶段重力对炮弹的加速作用),这个过程中就是电力对电子做正功,使得电子的动能增大——导线中的电能增大。但在电子前进的沿途,它要遭到构成导线的金属原子的拦截、碰撞,这个力就类似于上段中空气阻力对炮弹的阻碍作用——这个力做负功,使电子动能减少——导线中的电能减小。这两种正负功大小相等时,电子的动能总体平均来说就保持不变(其实是时增时减的)。

在热力上用的功和动力上用的功, 是完全一样吗?
——完全一样!

因为不懂为什么动力的用的功也用焦耳来表示, 为什么不用N?
——N是力的单位,功则是力与位移的乘积,单位是N.m,给这个组合单位一个特殊的名字J,即焦耳。

 

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