Warum wird etwas heißer, wenn mechanische Arbeit daran verrichtet wird?

Die negative Arbeit, die durch kinetische Reibung geleistet wird, nimmt die makroskopische kinetische Energie des Objekts auf, an dem sie arbeitet, und wandelt sie in die mikroskopische kinetische Energie der Moleküle des Sandpapiers und der Wandmaterialien um, was sich in einem Anstieg der Temperatur der Oberfläche der Materialien widerspiegelt . Tatsächlich erhöht die Reibungswirkung zwischen Materialien die Molekularbewegung und somit die kinetische Energie der Moleküle der Materialien.

Die Temperaturerhöhung der Oberfläche des Schleifpapiers und der Wandmaterialien ist nicht auf Wärme zurückzuführen. Wärme ist eine Energieübertragung, die ausschließlich auf Temperaturunterschiede zwischen Objekten zurückzuführen ist. Wenn Schleifpapier und Wand anfangs die gleiche Temperatur haben, kann keine Energieübertragung in Form von Wärme stattfinden. Die Temperaturerhöhung ist auf Reibungsarbeit zurückzuführen.

Denken Sie daran, dass Sie die Oberflächen Ihrer Hände erwärmen können, indem Sie sie rigoros aneinander reiben. Der Temperaturanstieg Ihrer Haut ist auf Reibungsarbeit zurückzuführen, nicht auf Wärme. Hält man dagegen die Hände vors Feuer, werden sie auch warm. Aber in diesem Fall liegt es an der Strahlungswärmeübertragung vom Feuer zu Ihren Händen, aufgrund des anfänglichen Temperaturunterschieds zwischen Ihren Händen und dem Feuer.

Hoffe das hilft.

Kurz gesagt, die Erwärmung durch Reiben von Oberflächen hat die gleichen Wurzeln wie die Joulesche Erwärmung , die einen Temperaturanstieg in einem Leiter induziert, wenn driftende Elektronen mit festen Gitterionen interagieren und Phononen erzeugen, dh quantisierte Schallwellen. Im Prinzip macht also alles, was Schallwellen in einem Körper erzeugt, diesen heißer, wenn neue Schwingungsfreiheitsgrade in das Gitter eingeführt werden. Das Reiben bewirkt, dass sich berührende Oberflächenverunreinigungen kollidieren, sich verformen und wieder entspannen, was wiederum Gitterschallwellen erzeugt. Die gleiche Erklärung gilt für Sägen, Nagelschmieden usw. und alles, was innerhalb des Gitters von Körperatomen Druckwellen erzeugt.

Wärme, die durch mechanische Bewegung erzeugt wird, entsteht aufgrund von Reibung, wie in den anderen oben gegebenen Antworten erwähnt. Beachten Sie, dass es auch auf molekularer Ebene erzeugt werden kann, indem benachbarte Moleküle gezwungen werden, sich in einem Stück festen Materials aneinander zu "reiben".

Materialwissenschaftler nennen dies innere Reibung und sind der Grund, warum ein Stück Vollgummi heiß genug gemacht werden kann, um es anzuzünden, indem man es so schnell hin und her biegt, dass es die Reibungswärme nicht schnell genug ableiten kann, um zu verhindern, dass seine Temperatur ansteigt .

Deshalb kann man auch ein Stück weichen Stahldraht durch zyklisches Hin- und Herbiegen erwärmen, nur werden dann Eisenatome gezwungen, gegeneinander hin und her zu gleiten.

Eine gute Möglichkeit, die Thermodynamik eines solchen Systems (das Gleitreibung beinhaltet) zu modellieren, besteht darin, die Grenzfläche zwischen den Körpern (dem Sandpapier und dem Tisch) als separates thermodynamisches Subsystem zu behandeln. Die Grenzfläche hat keine Masse, daher ist ihre Änderung der inneren Energie immer Null. Das Schleifpapier übt durch eine Verschiebung in positiver x-Richtung eine Reibungskraft in positiver x-Richtung auf die Grenzfläche aus; dies wirkt an der Grenzfläche gleich W (die Kraft mal die Verschiebung). Der Tisch übt eine gleiche Reibungskraft in negativer x-Richtung auf die Grenzfläche aus, jedoch ohne Verschiebung; das funktioniert nicht. Die Nettoreibungsarbeit, die durch die Kombination von Schleifpapier und Tisch an der Grenzfläche geleistet wird, ist also genau die Arbeit, die vom Schleifpapier W geleistet wird.

Wenn wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik auf dieses Grenzflächen-Teilsystem anwenden, erhalten wir:

Während Ihre Hand das Sandpapier schiebt, wird negative mechanische Arbeit an Ihrer Hand und positive mechanische Arbeit am Sandpapier geleistet. Diese sind (im Idealfall) gleich groß, sodass keine mechanische Energie zwischen Schleifpapier und Hand verloren geht.

Wenn das Schleifpapier auf die Wand drückt, wird am Schleifpapier negative mechanische Arbeit verrichtet, aber (im Idealfall) keine mechanische Arbeit an der Wand. Dadurch geht im Kontaktbereich zwischen Schleifpapier und Wand mechanische Energie verloren.

Diese mechanische Energie wird im Kontaktbereich zwischen Schleifpapier und Wand in thermische Energie umgewandelt. Fachlich gesprochen handelt es sich um eine Wärmestrom-Randbedingung bzw. um einen Flächenwärmestrom. Das bedeutet, dass es sich um einen Bereich handelt, in dem eine bestimmte Menge an Wärmeenergie erzeugt wird und dann durch normale thermodynamische Prozesse in das Material fließt. Dieser Wärmestrom erhöht die Temperatur des Materials direkt im Kontaktbereich und leitet sie dann normalerweise zum Rest des Schleifpapiers weiter.

Nicht die am Schleifpapier geleistete mechanische Arbeit, sondern die Differenz zwischen der vom und am Schleifpapier geleisteten mechanischen Arbeit ist die Quelle dieses Wärmeflusses. Mit anderen Worten, das Sandpapier verrichtet eine große negative Menge an mechanischer Arbeit und das Sandpapier verrichtet keine mechanische Arbeit, und die Differenz führt zu einem großen positiven Wärmefluss. Und dieser Wärmefluss erhöht dann die Temperatur.

Sie müssen hier zwei Ideen trennen, dass es so klingt, als würden Sie verwirrt werden.

Arbeiten bedeutet nicht heizen .

(Als Folge davon bedeuten negative und positive Arbeit auch nicht, Wärme zu gewinnen oder zu verlieren.)

Einfach ausgedrückt bedeutet Arbeit in der Physik, dass eine Kraft über eine Distanz wirkt. Also ja, Schleifpapier zu bewegen ist eine Art Arbeit. Aber wenn Sie ein Objekt auf den Mond fallen lassen, würde die Schwerkraft daran arbeiten, aber es würde überhaupt keine Reibung und keine Erwärmung oder Abkühlung geben. Wenn Sie sich in einem beschleunigenden Auto oder Flugzeug befinden, funktioniert der Auto- / Flugzeugmotor ähnlich und bewegt Sie.

Aber Sie erleben keine Reibung oder Erwärmung aufgrund dieser Arbeit. Höchstens die Außenseite des Fahrzeugs kann sich erwärmen, und ein winziger Teil davon kann auf Sie übertragen werden, aber das ist keine Reibung, das ist die übliche Wärme von einem warmen Gegenstand. Oder Ihr Sitz komprimiert sich mikroskopisch auf einen festen Betrag und ist dann statisch, und das ist wiederum keine Reibung.

In Ihrem Beispiel nimmt das Schleifpapier Wärme auf, weil es beim Drücken auf die Oberfläche winzige elektrische Bindungen mit der Oberfläche bildet. Während Sie es bewegen, müssen diese Bindungen gebrochen und dann ständig neu gemacht, gebrochen und neu gemacht werden. Das ist einer der Gründe, warum Sie mehr Kraft aufwenden müssen, um das Schleifpapier zu bewegen (stellen Sie sich vor, wie wenig Kraft Sie benötigen würden, wenn es gefettet oder aus Teflon wäre). Und diese ständige Aktivität verzerrt auch ständig die Oberfläche des Sandpapiers, da es „einfängt“ und losgerissen wird, sich einfängt und losgerissen wird.

Ich bin mir technisch nicht sicher, ob das ständige Herstellen und Brechen / Fangen und Lösen von Bindungen oder die daraus resultierende ständige Verzerrung der Oberfläche tatsächlich für die Erwärmungswirkung der Reibung verantwortlich ist.

Aber es ist einer von diesen beiden.

Die folgende Antwort ist eine viel detailliertere Umschreibung meiner vorherigen Antwort, die einige Leute hier anscheinend nicht verstanden haben.

Dies ist eine schwer zu beantwortende Frage, und keine der Antworten, die ich hier gelesen habe, beantwortet die Frage tatsächlich. Sie versuchen, den Eindruck zu erwecken, dass das Ersetzen von Wörtern eine Erklärung ist.

Die Temperatur eines Materials steht in direktem Zusammenhang mit der Schwingungsenergie der Moleküle/Atome, aus denen das Material besteht. Die Moleküle/Atome von Festkörpern werden durch ihre gegenseitigen Kräfte an Ort und Stelle gehalten. Aber diese Kräfte schaffen nur eine neutrale Position, wobei die Schwingung des Interesses um diese neutrale Position herum auftritt. Wie erhöht dann das Reiben diese Schwingung?

Soweit ich weiß, ist die Frequenz dieser Schwingung durch die Quantenmechanik festgelegt, weit oben im Multi-Terahertz-Bereich. und daher kann Reiben diese Frequenz nicht ändern. Es kann jedoch die Amplitude ändern, wie ich erklären werde.

Mit der für diese Phänomene gemachten Feder/Masse-Analogie führt das Ändern der Amplitude und das Konstanthalten der Frequenz zu höheren Schwingungsgeschwindigkeiten und damit zu höheren Temperaturen. Das ist die Grundidee, und hier sind die Details.

Wie verändert also das Reiben die Schwingungsamplitude? Antwort: Die Atome/Moleküle sowohl des reibenden als auch des geriebenen Materials berühren entweder physisch die des anderen Materials oder kommen letzterem so nahe, dass die elektrostatischen Kräfte zwischen den Partikeln in beiden Materialien groß werden. Außerdem ist die Verschiebung des Reibmaterials um viele Größenordnungen größer als die Vibrationsamplitude der Partikel in beiden Materialien. Ob durch direkten Kontakt oder ausreichend engen Kontakt zwischen den Partikeln beider Materialien werden somit die entsprechenden Partikel in beiden Materialien in Verschiebungen gezwungen, die außerordentlich größer sind als ihre Schwingungsamplituden. Tatsächlich bricht die erzwungene Verschiebung einige der Bindungen dieser Materialien und ihre Oberflächen werden abgenutzt.

Somit wird ein schwingendes Teilchen, das nicht zu weit von seiner neutralen Position angestoßen werden kann, zurückschnappen, um zu schwingen, aber mit jetzt einer größeren Amplitude, da die "Anfangsbedingung" für die neue Schwingung größer ist als die Amplitude vor dem Reiben. Die größeren Vibrationsamplituden, die an den Kontaktflächen auftreten, bewirken wiederum größere Vibrationsamplituden in nahegelegenen Partikeln, und die Erwärmung des Schüttguts erfolgt durch Diffusion.

Es ist leicht ersichtlich, wie ein solcher Vorgang eine Energieübertragung vom Gummi auf das Reibmaterial erfordert. Es braucht Energie, um die Schwingungsamplitude zu erhöhen, genauso wie es Energie braucht, um jemanden auf einer Schaukel zu höheren Amplituden zu treiben. Die beteiligten Energieniveaus sind geringer für diejenigen, die einfach die Temperaturen erhöhen, als für diejenigen, die am Aufbrechen intermolekularer und interatomarer Bindungen beteiligt sind, was bei Abrieb, Verschleiß und Schleifen auftritt.

Im Fall eines Gases, bei dem die Translationsenergie die Temperatur definiert (nicht die internen Rotations- und Vibrationsmodi), können wir davon ausgehen, dass das Reiben eine Grenzschicht und in den heftigsten Situationen auch große turbulente Wirbel erzeugt. Die ursprüngliche Frage betrifft jedoch nur Feststoffe, daher behalte ich die detaillierte Erklärung dieses Falls für eine neue Frage vor.