Työ (fysiikka)
energian vaihtoa eri kappaleiden tai eri energiamuotojen välillä / From Wikipedia, the free encyclopedia
Työ on fysikaalinen suure, joka kuvaa energian siirtymistä systeemien välillä tai energialajista toiseen voiman vaikutuksesta. Työn tunnuksena käytetään kirjainta W (englannin sanasta work), ja sen SI-yksikkö on energian yksikkö joule (tunnus J).[1][2]
Yksinkertaisimmillaan työ on kappaleen siirtämiseksi tehtyä mekaanista työtä, joka lasketaan kappaleeseen vaikuttavan voiman ja kappaleen siirtymän matkan tulona:
- Työ = voima × siirtymä,
olettaen että voima pysyy koko ajan samansuuruisena ja kappaleen liikkeen suuntaisena. Työ on skalaarinen suure, joten sillä ei ole suuntaa, ainoastaan etumerkki joka ilmaisee sen pyrkiikö voima kasvattamaan vai pienentämään kappaleen liike-energiaa. Kappaleeseen tehty työ voi mennä joko kappaleen kiihdyttämiseen tai kitkan ja muiden vastusvoimien voittamiseen. Ensimmäisessä tapauksessa työ siirtyy kappaleen liike-energiaksi, kun taas jälkimmäisessä tapauksessa se siirtyy kappaleen ja sen ympäristön sisäenergiaksi, kasvattaen niiden lämpötilaa. Ensimmäisessä tapauksessa kappale jatkaa kulkuaan työn tekemisen jälkeen, kun taas jälkimmäisessä tapauksessa se jää paikalleen.
Mekaanisen siirtotyön lisäksi muita työn muotoja ovat esimerkiksi kaasun paineen tekemä tilavuudenmuutostyö sekä sähkökentän sähkövarauksen siirtämiseksi tekemä työ. Konservatiivisen voiman, kuten painovoiman, tekemä työ ei riipu kappaleen kulkemasta reitistä, vaan ainoastaan kappaleen sijainnista tarkasteltavan prosessin alku- ja loppuhetkellä.
Työn merkitys suureena perustuu työ–energiaperiaatteeseen, jonka perusteella systeemin liike-energian muutos vastaa siihen tehtyä työtä. Mekaanisen energian käsitteen kautta tämä havainto yleistyy energian säilymislaiksi, johon läheisesti liittyvän termodynamiikan ensimmäisen pääsäännön mukaan suljetun systeemin sisältämän energian muutos vastaa siihen tehdyn työn ja siihen virtaavan lämmön summaa. Lämpö ja työ ovat molemmat tapoja siirtää energiaa systeemien välillä, ja niiden ero syntyy erottelusta mikroskooppisten ja makroskooppisten vapausasteiden välillä: Työllä tarkoitetaan makroskooppisten, järjestäytyneiden vapausasteiden kautta siirtyvää energiaa, kun taas lämpö on mikroskooppisten epäjärjestäytyneiden vapausasteiden kautta siirtyvää energiaa. Termodynamiikan sovelluksista yksi merkittävin on lämpövoimakone, esimerkiksi polttomoottori, joka muuttaa lämpöä työksi. Carnot'n kierto on hyötysuhteeltaan parhaan mahdollisen lämpövoimakoneen malli.
Työn käsite vakiintui mekaniikkaan 1800-luvulla. Ranskalainen insinööri Gaspard-Gustave Coriolis otti termin ranskankielisen termin quantité de travail eli työn määrä käyttöön nykymerkityksessään 1820-luvulla.[3][4] Energian säilymislaki sekä työn ja lämmön vastaavuus kehitettiin samoihin aikoihin 1800-luvun alkupuoliskolla.