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科学 / work-physics

功(物理学)

功是力通过位移或其他相关宏观过程传递能量的一种方式。

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在物理学中,功是传递能量的一种方式,而不是某种物质,也不是物体中储存的一种属性。在经典力学中,当力的作用点发生位移,且位移在力的方向上有分量时,这个力就做了功。功将力和运动与能量的变化联系起来;在热力学中,功的概念也用于描述压缩、膨胀等过程中的能量传递。功可以为正、为负或为零,具体取决于相互作用以及采用的符号约定。(openstax.org)

定义与数学表述

恒定的力作用于物体,使其发生位移时,所做的功为

W=F⋅Δr=Fdcos⁡θ,W=\mathbf F\cdot\Delta\mathbf r=Fd\cos\theta,

其中,FF 为力的大小,dd 为位移的大小,θ\theta 为两者之间的夹角。点积就是这两个向量通常意义下的欧几里得内积。因此,尽管力和位移都有方向,功却是标量。只有平行于位移的力的分量才对功有贡献。(openstax.org)

对于变力或曲线轨迹,功用曲线积分计算:

W=∫CF⋅dr.W=\int_C\mathbf F\cdot d\mathbf r.

这里,CC 是力的作用点实际经过的路径。在一维运动中,上式化为积分 ∫xixfFx dx\int_{x_i}^{x_f}F_x\,dx,对应于力—位置图像下的有向面积。一般而言,计算结果取决于路径,而不只是起点和终点。(ocw.mit.edu)

在国际单位制中,功的单位是焦耳(J):

1 J=1 N m=1 kg m2 s−2.1\,\mathrm J=1\,\mathrm{N\,m} =1\,\mathrm{kg\,m^2\,s^{-2}}.

一牛顿的力使其作用点沿力的方向移动一米时,所做的功就是一焦耳。(nist.gov)

正功、负功与零功

当力沿运动方向的分量与位移同向时,力做正功;当该分量与位移反向时,力做负功。垂直于运动方向的力不做功。因此,匀速圆周运动中的理想向心力只改变速度的方向,不改变动能。同样,对一面无法移动的墙施力时,如果力的作用点保持静止,就没有对墙做机械功。因此,身体用力并不等同于做机械功。(openstax.org)

这些区别也适用于电磁相互作用。运动点电荷所受洛伦兹力的磁力部分与其速度垂直,因此不对该电荷做功。相比之下,电场力可以具有沿运动方向的分量,从而改变粒子的能量。(openstax.org)

动能定理

动能定理指出,所有力对一个质点所做的总功等于其动能的变化:

Wnet=ΔK=12mvf2−12mvi2.W_{\mathrm{net}}=\Delta K =\frac12mv_f^2-\frac12mv_i^2.

对于质量恒定的质点,这一结论可由牛顿运动定律通过对 Fnet⋅dr\mathbf F_{\mathrm{net}}\cdot d\mathbf r 积分得到。它既适用于恒力,也适用于变力。总功为正时,动能增加;总功为负时,动能减少。(openstax.org)

“总功”二字至关重要:某一个力所做的功未必等于动能的总变化。物体以恒定速率运动时,外加作用力可以对其做正功,而摩擦力做大小相等的负功。物体的动能保持不变,但仍有能量传递,并且这些能量可能转化为热能。对于具有空间尺度的物体,核算能量时还必须考虑转动、形变和内部运动。(openstax.org)

保守力与势能

保守力所做的功只取决于初始位置和最终位置。保守力沿闭合路径所做的功为零,并且可以定义与之对应的势能 UU,使其满足

Wconservative=−ΔU.W_{\mathrm{conservative}}=-\Delta U.

引力和理想弹簧的回复力都是保守力的例子。在地球表面附近,将质量为 mm 的物体提升高度 hh,其重力势能增加 mghmgh,而重力所做的功为 −mgh-mgh。将理想弹簧从平衡位置拉伸 xx,会储存 12kx2\tfrac12kx^2 的能量。(openstax.org)

当只有保守力做功时,动能与势能相互转化,但两者之和保持不变。滑动摩擦力通常是非保守力:它所做的功取决于运动距离,并将机械能转化为内能。这并不违反能量守恒,只是改变了能量在核算中所属的形式。(openstax.org)

功率与转动中的功

功率表示做功的快慢。平均功率为 W/ΔtW/\Delta t,瞬时功率则为

P=dWdt=F⋅v.P=\frac{dW}{dt}=\mathbf F\cdot\mathbf v.

这里的速度是力的作用点的速度。功率的单位为瓦特,一瓦特等于每秒一焦耳。在更短的时间内做相同的功,需要更大的平均功率。(openstax.org)

对于绕固定轴的转动,相应的功可用转矩表示:

W=∫θiθfτ dθ.W=\int_{\theta_i}^{\theta_f}\tau\,d\theta.

转矩恒定时,W=τΔθW=\tau\Delta\theta,转动功率为 P=τωP=\tau\omega。角度以弧度表示。总转动功等于刚体绕该固定轴转动时的转动动能变化。(openstax.org)

热力学中的功

在热力学中,功和热是能量跨越热力学系统边界传递的两种不同方式。热是由温差引起的能量传递;功则涉及推动活塞、转动轴等宏观相互作用。两者都不是状态函数:其数值取决于连接两个状态的具体过程。(openstax.org)

气体准静态膨胀时,气体对外所做的功为

Wby=∫ViVfp dV,W_{\mathrm{by}}=\int_{V_i}^{V_f}p\,dV,

其中,pp 为气体的压强。按这一约定,膨胀时做正功,压缩时做负功。对于整体动能和势能变化可以忽略的封闭系统,热力学第一定律给出了功与内能之间的关系:

ΔU=Q−Wby.\Delta U=Q-W_{\mathrm{by}}.

另一种约定将外界对系统做的功规定为正,此时有 ΔU=Q+Won\Delta U=Q+W_{\mathrm{on}}。只要始终采用同一套符号约定,两种写法所表达的实际能量收支关系完全相同。(openstax.org)