Физика (лучшее)

идеального газа равна

[pic]

так как[pic]— универсальная газовая постоянная. Внутренняя энергия U

произвольной массы газа m будет равна внутренней энергии одного моля,

умноженной на число молей[pic], где ( - молярная масса газа, т.е.

[pic]

Таким образом, внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит

только от температуры и не зависит от объёма и давления.

3. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической

системы под воздействием ряда внешних факторов меняется, о чём, как видно

из (27.2), можно судить по изменению температуры этой системы. Например,

когда быстро сжать газ, то его температура повышается. Если привести в

контакт два тела, имеющих разные температуры, то температура более

холодного тела повышается, а более нагретого понижается. В первом случае

внутренняя энергия изменяется за счёт работы внешних сил, во втором

происходит обмен кинетическими энергиями молекул, в результате чего

суммарная кинетическая энергия молекул нагретого тела уменьшается, а менее

нагретого - возрастает. Это приводит к передаче энергии от горячего тела к

холодному без совершения механической работы. Процесс передачи энергии от

одного тела к другому без совершения механической работы получило название

теплопередачи или теплообмен,. Передача энергии между телами, имеющими

разные температуры, характеризуется величиной, называемой количеством

теплоты или теплотой. Количество теплоты - это энергия, переданная путём

теплообмена от одной термодинамической системы к другой вследствие разности

температур этих систем.

Рассмотрение понятия внутренней энергии и количества теплоты используется

в формулировке первого закона термодинамики, играющего первостепенную роль

при изучении различного рода термодинамических процессов.

В природе существует закон сохранения и превращения энергии, согласно

которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из

одного вида в другой. Этот закон применительно к тепловым процессам получил

название первого закона термодинамики. Отметим, что тепловыми процессами

называют процессы, связанные с изменением температуры термодинамической

системы, а также с изменением агрегатного состояния вещества. Если

термодинамической системе сообщить некоторое количество теплоты Q, т.е.

некоторую энергию, то за счёт этой энергии в общем случае происходит

изменение её внутренней энергии (U и система, расширяясь, совершает

определённую механическую работу А. Очевидно, что, согласно закону

сохранения энергии, должно выполняться равенство:

[pic]

т.е. количество теплоты, сообщённое термодинамической системе, расходуется

на изменение её внутренней энергии и на совершение системой механической

работы при её расширении. Соотношение называют первым законом

термодинамики.

Первый закон термодинамики обладает большой общностью и универсальностью

и может применяться для описания широкого круга явлений.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам.

1. Изохорический процесс. Поскольку при изохорическом процессе V =

const, то изменение объёма (V= 0, и работа газа [pic], т.е. при этом

процессе газ не совершает механической работы. Тогда первый закон

термодинамики запишется

[pic]

т.е. при изохорическом процессе количество теплоты, сообщённое газу,

полностью расходуется на изменение его внутренней энергии.

Количество теплоты, переданное или отданное термодинамической системе,

определяется через теплоёмкость системы. Теплоёмкость - это физическая

величина, равная количеству теплоты, которое необходимо сообщить для

нагревания системы на один градус. Очевидно, что теплоемкость системы

зависит от её массы. Чем она больше, тем больше теплоёмкость. Поэтому

вводят понятие удельной теплоёмкости. Удельная теплоемкость с равна

количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы вещества для

повышения температуры один градус. Количество теплоты Q, которое необходимо

сообщить телу массой т для повышения его температуры от Т1 до Т2 находится

по формуле

Q=mс(Т2—Т1)

Тогда изменение внутренней энергии тела (термодинамической системы) (U,

учитывая , равно

[pic]

2. Изотермический процесс. Запишем первый закон термодинамики для

данного процесса. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от

температуры. При изотермическом процессе температура постоянна. Поэтому и

внутренняя энергия постоянна (U = const) и, следовательно (U = 0. Тогда

первый закон термодинамики принимает вид

[pic]

т.е. количество теплоты, сообщённое газу при изотермическом процессе.

полностью превращается в работу, совершаемую газом.

Выясним условия, необходимые для проведения такого процесса. При

изотермическом расширении к газу необходимо непрерывно подводить теплоту,

чтобы компенсировать уменьшение внутренней энергии, происходящее вследствие

совершения газом работы против внешних сил. И, наоборот, при изотермическом

сжатии надо непрерывно отбирать теплоту, чтобы внутренняя энергия, а

следовательно, и температура оставались постоянными. Из этого следует, что

изотермический процесс необходимо проводить очень медленно, так как в этом

случае температура газа будет успевать выравниваться с температурой

окружающей среды.

3. Изобарический процесс. Поскольку при данном процессе происходит

изменение температуры и объёма газа, то первый закон термодинамики

записывается так же, как и в общем случае.

4. Адиабатический процесс. Процесс, протекающий в термодинамической

системе без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатическим

(адиабатным). Для практического осуществления такого процесса газ помещают

в сосуд с теплоизоляционными стенками. Поскольку любой материал в той или

иной степени проводит теплоту, то всякий процесс отличается от

адиабатического процесса. Хорошим приближением к адиабатическому процессу

являются быстро протекающие процессы. Кратковременность процесса приводит к

тому, что система не успевает обменяться теплотой с окружающей средой.

При адиабатическом процессе газ не отдаёт и не получает количество

теплоты, т.е. Q = 0. Тогда первый закон термодинамики запишется

[pic] или [pic]

т.е. работа, совершаемая газом при адиабатическом процессе, производится

только за счёт изменения его внутренней энергии. Выясним, как изменяется

температура газа при этом процессе. При адиабатном расширении (V = V2 — V1

> 0, где V1 и V2 — начальный и конечный объём газа. Поэтому А = P(V > 0. Из

формулы следует, что в этом случае (U < 0. Следовательно, внутренняя

энергия газа уменьшается и температура понижается. Если же газ сжимается,

то А < 0 и (U > 0, а его температура повышается. Этим объясняется,

например, нагревание воздуха в цилиндре дизельного двигателя при его

сжатии.

Билет № 12

Электростатика — это раздел электродинамики, изучающий свойства

неподвижных зарядов, их взаимодействия друг с другом посредством полей,

называемых электростатическими. Условие неподвижности зарядов в той системе

отсчёта, в которой они изучаются, является весьма важным, так как в случае

движущихся зарядов свойства окружающего пространства кардинально меняются

и, в частности, появляется магнитное поле.

1. Известно, что разнородные тела такие, как кожа, стекло, эбонит и

т.д., потёртые друг о друга, обладают свойством притягивать к себе лёгкие

предметы, например, кусочки бумаги. Для объяснения такого взаимодействия,

названного электрическим, и было введено понятие электрического заряда.

Заряженные тела могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга.

Этот факт удаётся объяснить, если ввести два типа заряда, условно названных

положительными и отрицательными (плюс и минус). Как следует из опыта,

заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными — притягиваются.

Сила взаимодействия заряженных тел может быть различной. Это зависит от

величины зарядов, находящихся на них.

Из этого можно сделать вывод: электрический заряд является количественной

мерой способности тел к электрическим взаимодействиям.

Заряд тела не зависит от выбора системы отсчёта, т.е. не зависит от того,

движется или покоится тело, на котором он находится. В системе единиц СИ

заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кулон равен заряду, протекающему через

поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока в 1А.

2. Возникновение зарядов на телах обусловлено следующим. Все тела

построены из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и

отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра обусловлен протонами. Заряды

протона и электрона равны по абсолютной величине, но противоположим по

знаку. Число протонов и электронов в атоме одинаково. Поэтому атом в целом

нейтрален, т.е. алгебраическая сумма зарядов атома(сумма зарядов с учетом

знаков) равна нулю, а следовательно, и тело нейтрально. Чтобы зарядить

тела, т.е. наэлектризовать их, надо отделить часть отрицательного заряда от

связанного с ним положительного заряда. Это осуществляется различными

способами: трением тел друг о друга, электростатической индукцией и т.д.

Тело, на котором оказывается избыток электронов по сравнению с протонами,

заряжается отрицательно, если наоборот — положительно Например, при

электризации трением небольшая часть электронов с одного тела переходит на

другое. Если теперь раздвинуть тела, то они окажутся заряженными — одно

положительно, другое - отрицательно

3. Из обобщения опытных данных установлен закон сохранения

электрического заряда: в любой замкнутой электрической системе

алгебраическая сумма электрических зарядов является постоянной величиной

при любых процессах, происходящих в ней.

Замкнутой называется электрическая система, из которой не выходят и в

которую не входят заряды. Так, при электризации тел трением заряды,

возникающие на телах, равны по абсолютной величине, но противоположны по

знаку. Поэтому их алгебраическая сумма также равна нулю, как и в случае не

заряженных тел.

4. В общем случае сила взаимодействия между заряженными телами зависит

от Размеров и формы Тел, а также от свойств среды, н которой находятся

тела. Наиболее просто сила взаимодействия находится для так называемых

точечных зарядов. Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры

которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных

тел, с которыми оно взаимодействует. Законы взаимодействия точечных зарядов

был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль Fv силы

взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами q и q0,

находящимися в вакууме, пропорционален произведению этих зарядов, обратно

пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

[pic]

где [pic] — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой

линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна [pic] или [pic],

где фарад (Ф) – единица электроёмкости.

Билет № 13

1. Уединённые проводники обладают крайне малой электроёмкостью. Например,

ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако во многих электронных

приборах используются устройства, называемые конденсаторами, в которых

накапливаются достаточно большие заряды. Конденсаторы представляют собой

два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоем

диэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по

величине, но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле,

возникающее между ними, будет практически полностью сосредоточено внутри

конденсатора. Поэтому электроёмкость конденсатора мало зависит от

расположения окружающих его тел.

Если сообщать конденсатору различные заряды, то и разность потенциалов

между его обкладками будет различной. (Под зарядом конденсатора понимается

заряд на одной из его обкладок по абсолютной величине). Однако отношение

заряда q, находящегося на конденсаторе, к разности потенциалов[pic],

возникающую между его обкладками, остаётся постоянным независимо от

величины заряда. Поэтому это отношение принимают за характеристику

способности конденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с

проводником называют электроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и

обозначают той же буквой С. Итак,

[pic]

т.е. емкостью конденсатора называется физическая величина равная отношению

заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Емкость конденсатора не зависит от величины заряда и разности потенциалов

между его обкладками и определяется только размерами и формой обкладок

конденсатора, а также диэлектрическими свойствами вещества, заполняющего

его. Емкость конденсатора, как и ёмкость проводника, измеряется в фарадах

(Ф): 1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому

заряда в 1 Кл , разность потенциалов между его обкладками изменяется на 1

В.

2.Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим плоский конденсатор,

заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической

проницаемостью (, у которого площадь каждой обкладки S и расстояние между

ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:

[pic]

Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо

увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.

Энергия W заряженного конденсатор: [pic] или [pic]

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её

при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и

переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радио-

электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы

бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Билет № 14

1. Работой электрического тока называется работа, которую совершают силы

электрического поля, созданного в электрической цепи, по перемещении заряда

по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена разность потенциалов

(напряжение) [pic] Тогда работа А, совершаемая электростатическим полем по

переносу заряда q за некоторое время 4 равна [pic]. Величину протекшего

заряда можно найти, используя силу тока I: q = It С учётом этого получаем

[pic]

Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR, где R —

сопротивление проводника, выражение запишем в виде

[pic]

2. По определению мощность Р электрического тока равна Р = A/t. Получаем

P=IU.

В системе единиц СИ работа и мощность электрического тока измеряются

соответственно в джоулях и ваттах. Однако на практике используется

внесистемная единица работы — 1 кВт*ч, т.е. работа тока мощностью 1 кВт за

время 1 ч

([pic]).

3. Опытным путём джоуль и, независимо от него, Ленц установили, что при

протекании электрического тока по проводнику он нагревается, в результате

чего увеличивается его внутренняя энергия. Количество теплоты Q, выделяемое

в проводнике пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника R

и времени протекания t, т.е.

[pic]

Соотношение называют законом Джоуля - Ленца.

2. ЭДС. Возьмём два проводника, заряженные разноимёнными зарядами, и

соединим их другим проводником. Тогда в этом проводнике за счёт разности

потенциалов на его концах возникает электрическое поле, под действием

которого свободные заряды (носители тока) приходят в упорядоченное движение

от положительного потенциала к отрицательному (имеется в виду движение

положительных зарядов, поскольку за направление тока принимается движение

именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток. Однако этот ток

очень быстро прекращается вследствие того, что протекание тока приводит к

выравниванию потенциалов на концах проводника и к исчезновению внутри него

электрического поля.

Для непрерывного протекания тока по проводнику необходимо к его концам

подключить устройство, которое бы отводило положительные заряды с конца,

обладающего отрицательным потенциалом, к концу — с положительным, производя

разделение зарядов и поддерживая разность потенциалов. Такие устройства

называются источниками тока. Указанное движение зарядов внутри источника

тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь в том случае, если на

них со стороны источника тока действуют силы не электростатического

происхождения, направленные против сил электростатического поля, Их

называют сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной.

Так, в аккумуляторах они возникают вследствие химических реакций между

электродами и электролитом.

Действие сторонник сил характеризуют физической величиной, называемой

электродвижущей силой (э.д.с.). Она равна работе, которую совершают

сторонние силы по перемещению единичного заряда внутри источника тока, т.е.

в области, где действуют сторонние силы. Если при перемещении заряда q

сторонние силы совершили работу Аст, то по определению э.д.с. [pic] равна

[pic] Из этой формулы следует, что э.д.с., как и разность потенциалов,

измеряется в вольтах Если цепь, в которой протекает ток, замкнутая, то

работа сторонних сил по всей цепи равна работе этих сил внутри источника,

поскольку вне источника сторонние силы не действуют. Таким образом,

электродвижущая сила равна работе, которую совершают сторонние силы по

перемещению единичного заряда по замкнутой цепи.

3. Закон Ома для полной цепи.

Выведем закон Ома для такой цепи. При протекании электрического тока по

цепи происходит нагревание резистора и источника тока. Нагревая источника

тока свидетельствует о том, что он обладает некоторым внутренним

сопротивлением. Обозначим его через т. Очевидно, что нагревание источника

тока и резистора R происходит за счёт работы [pic]сторонних сил. Согласно

закону сохранения энергий, эта работа будет равняться количеству теплоты,

выделяемой в источнике и в резисторе, т.е. [pic]

где [pic] и [pic]— количество теплоты, выделяемой в резисторе и на

внутреннем сопротивлении источника тока. Но [pic]. Здесь I - сила тока,

текущего в цепи, t — время протекания тока. С учётом этого получаем[pic].

Разделив последнее равенство на It и учитывая, что q = It, находим

[pic]

Это соотношение называют законом Ома для замкнутой цепи: сила тока в

замкнутой цепи пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно

пропорциональна общему сопротивлению цепи.

Билет № 15

1. Выясним, какие изменения происходят в окружающем заряды пространстве,

если они приходят в равномерное движение?

Присоединим два гибких металлических проводника, укреплённых параллельно,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8