m = 5 т = 5000 кг.
V = 8 км/ч = 2,2 м/с.
h = 100 км = 100000 м.
g = 9,8 м/с^2.
A - ?
E - ?
Работа А по запуску спутника будет определятся формулой: А = F *S.
Где F - подъемная сила двигателя, S - перемещение под действием подъемной силы.
Для запуска спутника на орбиту нужно преодолеть силу тяжести, поэтому подъемная сила F должна быть не меньше силы тяжести m*g, F = m * g.
Перемещения спутника S равно высоте h, на которую поднимется спутник: S = h.
А = m * g * h.
А = 5000 кг * 9,8 м/с^2 * 100000 м = 500980000 Дж = 500 МДж.
Полная механическая энергия Е будет суммой его потенциальной энергии Еп и кинетической энергии Ек.
Е = Еп + Ек.
Потенциальная энергия Еп определяется формулой: Еп = m * g * h.
Кинетическая энергия Ек определяется формулой: Ек = m * V^2 / 2.
Е = m * g * h + m * V^2 / 2.
Е = 5000 кг * 9,8 м/с^2 * 100000 м + 5000 кг * (2,2 м/с)^2 / 2 = 4900012100 Дж = 4900 МДж.
ответ: для запуска спутника надо выполнить работу А = 500 МДж, спутник имеет на орбите энергию Е = 4900 МДж..
Для описания этих изменений вводят функцию состояния - внутреннюю энергию U и две функции перехода - теплоту Q и работу A. Математическая формулировка первого закона:
dU = Q - A (дифференциальная форма) (2.1)
U = Q - A (интегральная форма) (2.2)
Буква в уравнении (2.1) отражает тот факт, что Q и A - функции перехода и их бесконечно малое изменение не является полным дифференциалом.
В уравнениях (2.1) и (2.2) знаки теплоты и работы выбраны следующим образом. Теплота считается положительной, если она передается системе. Напротив, работа считается положительной, если она совершается системой над окружающей средой.
Существуют разные виды работы: механическая, электрическая, магнитная, поверхностная и др. Бесконечно малую работу любого вида можно представить как произведение обобщенной силы на приращение обобщенной координаты, например:
Aмех = p. dV; Aэл = . dе; Aпов = . dW (2.3)
( - электрический потенциал, e - заряд, - поверхностное натяжение, W - площадь поверхности). С учетом (2.3), дифференциальное выражение первого закона можно представить в виде:
dU = Q - p. dV Aнемех (2.4)
В дальнейшем изложении немеханическими видами работы мы будем, по умолчанию, пренебрегать.
Механическую работу, производимую при расширении против внешнего давления pex, рассчитывают по формуле:
A = (2.5)
Если процесс расширения обратим, то внешнее давление отличается от давления системы (например, газа) на бесконечно малую величину: pex = pin - dp и в формулу (2.5) можно подставлять давление самой системы, которое определяется по уравнению состояния.
Проще всего рассчитывать работу, совершаемую идеальным газом, для которого известно уравнение состояния p = nRT / V (табл. 1).
