phizika (Физика (лучшее)), страница 6

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:

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 , т.е. при этом процессе газ не совершает механической работы. Тогда первый закон термодинамики запишется

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

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

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

или

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.

где — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна или , 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 , 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,