Краткий курс физики, страница 3

13. Действие жидкостей и газов на погруженное в них тело. Архимедова сила, причины ее возникновения. Условия плавания тел

Если на крючок динамометра подвесить тело и отметить его показания, а затем тело опустить в воду и снова отметить показания, то увидим уменьшение показаний динамометра (cм. рис., а, б). Значит, на тело, погруженное в жидкость, действует выталки­вающая сила, равная разности показаний динамо­метра и направленная вертикально вверх. Значение этой силы установил Архимед. Закон Архимеда. На тело, погруженное в жид­кость (газ), действует направленная вертикально вверх выталкивающая сила, равная по величине весу жидкости (газа), взятой в объеме погруженного в нее тела (или погруженной части тела): , где g - ускорение свободного падения, р_Ж - плотность жидкости, V_T - объем тела, погруженного в жидкость. Возникновение архимедовой силы объясняется тем, что с увеличением глубины растет давление жидкости (газа) ( ). Поэтому силы давления, действующие на нижние элементы поверхности тела, превосходят аналогичные силы, действующие на верхние элементы поверхности. На плавающие тела действуют силы: F_A и F_ТЯЖ 1. Если F_A < F_ТЯЖ (так как , , то ) значит, тело тонет. 2. Если F_A = F_ТЯЖ ( = , ), то тело находится в равновесии на любой глубине. 3. Если F_A > F_ТЯЖ ( > , ). то тело всплывает до тех пор, пока силы не уравно­весятся. Приведенные выше соотношения применимы для плавающих судов и воздухоплавания.

14. Внутренняя энергия тел и способы ее изменения. Виды теплопередачи, их учет и использование в быту

При падении тел на Землю потенциальная энер­гия (Е_П) превращается в кинетическую (Е_К = тv²/2). При ударе тел о Землю механическая энергия пре­вращается во внутреннюю.Внутренняя энергия - это энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.Внутренняя энергия зависит от температуры тела, его агрегатного состояния, от химических, атомных и ядерных реакций. Она не зависит ни от механического движения тела, ни от положения это­го тела относительно других тел.Внутреннюю энергию можно изменить путем совершения работы и теплопередачи. Если над телом совершается работа, то внутренняя энергия тела уве­личивается, если же это тело совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается.Виды теплопередачи: теплопроводность, кон­векция и излучение.Теплопроводность - это перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и взаимодействия частиц.Хорошую теплопроводность имеют металлы, у жидкостей теплопроводность невелика, и малую теп­лопроводность имеют газы. Степень теплопровод­ности тел учитывается при конструировании машин, в строительном деле, холодильных установках.Конвекция - это процесс теплопередачи пу­тем переноса энергии потоками жидкости или газа. Явление конвекции проявляется при отоплении и охлаждении жилых помещений, при образовании тя­ги в печных и заводских трубах, а также ветров в атмосфере.Излучение - это процесс переноса энергии от одного тела к другому с помощью тепловых (инфра­красных), видимых и других лучей. При одной и той же температуре тела с темной поверхностью сильнее излучают (поглощают) энергию, чем со светлой. Это явление учитывается человеком в быту (цвет одежды от времени сезона), в технике (окраска холодильни­ков, самолетов, космических кораблей), в земледелии (парники и теплицы).

15. Плавление кристаллических тел и объяснение этого процесса на основе представлений о строении вещества. Удельная теплота плавления

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Обратный процесс называется отвердеванием. Температура, при кото­рой вещество плавится (отвердевает), называется температурой плавления (отвердевания) вещества. Температура плавления и отвердевания для данного вещества при одинаковых условиях одинакова.При плавлении (отвердевании) температура ве­щества не меняется. Однако это не значит, что в процессе плавления к телу не надо подводить энер­гию. Опыт показывает, что если подача энергии пу­тем теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления.При плавлении подводимая к телу теплота идет на уменьшение связей между частицами ве­щества, т. е. на разрушение кристаллической решет­ки. При этом возрастает энергия взаимодействия между частицами. Небольшая же часть теплоты при плавлении расходуется на совершение работы по из­менению объема тела, так как у большинства ве­ществ при плавлении объем возрастает.В процессе плавления к телу подводится неко­торое количество теплоты, которая называется теп­лотой плавления: . Теплота плавления про­порциональна массе расплавившегося вещества. Ве­личина (ламбда) называется удельной теплотойплавления вещества, она равна: . Удельная теплота плавления показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить единицу массы данного вещества при темпера­туре плавления. Она измеряется в Дж/кг, кДж/кг.Количество теплоты, выделяющееся при от­вердевании (кристаллизации) тела массой т, также определяется по указанной выше формуле:

16. Испарение и конденсация. Объяснение этих процессов на основе представлений о строении вещества. Кипение. Удельная теплота парообразования

Испарение - это парообразование, происхо­дящее с поверхности жидкости. Разные молекулы жидкости при одной и той же температуре движутся с разными скоростями. Если достаточно «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют пар. Одновременно с испарением происходит перенос молекул из пара в жидкость. Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.Если нет притока энергии к жидкости извне, то испаряющаяся жидкость охлаждается. Конденса­ция пара сопровождается выделением энергии.Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости и от ее температуры, от площади ее по­верхности, от движения воздушных масс (ветра) над поверхностью жидкости. Кипение - это испарение изнутри и с поверхности жидкости. При нагревании жидкости пузырь­ки воздуха (он растворен в ней) внутри нее постепен­но растут. Архимедова сила, действующая на пузырьки, увеличивается, они всплывают и лопаются.Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как жидкость испаряется внутрь этих пузырьков.Температура кипения - это температура, при которой жидкость кипит. В процессе кипения при t^o = сопst к жидкости следует подводить энергию пу­тем теплообмена, т. е. подводить теплоту парообразо­вания (Q_П) : Q_П = r×т. Теплота парообразования пропорциональна массе вещества, превратившегося в пар.Величина - удельная теплота парообразования. Она показывает, какое количество теп­лоты необходимо для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре. Она измеряется в Дж/кг, кДж/кг.Наибольшая часть теплоты парообразования расходуется на разрыв связей между частицами, не­которая ее часть идет на работу, совершаемую при расширении пара.С ростом давления температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразо­вания уменьшается.

17. Принцип действия тепловой машины. Коэффициент полезного действия тепловых машин. Примеры тепловых двигателей. Влияние тепловых машин на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия

Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, назы­ваются тепловыми двигателями. Любой тепловойдвигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных эле­ментов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства (см. рис.).Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагре­вателя больше температуры холодильника. При со­вершении работы тепловыми двигателями происхо­дит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количе­ство теплоты Q_Н от нагревателя, совершает работу A' и передает холодильнику количество теплоты Q_Х. В соответствии с законом сохранения энергии А' < Q_Н - Q_Х. В случае равенства речь идет об иде­альном двигателе, в котором нет потерь энергии.Отношение работы к энергии, которое получи­ло рабочее тело от нагревателя, называют коэффици­ентом полезного действия (КПД) h = = = ; h < 1, так как Q_Х¹0.Паровая или газовая турбина, двигатель внут­реннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы много­численных тепловых машин возникают тепловые по­тери, которые в конечном счете приводят к повыше­нию внутренней энергии атмосферы, т. е. к повыше­нию ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному из­менению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем по­вышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.

18. Электризация тел. Два рода электрических зарядов. Электрический ток в металлах и условия его существования. Виды источников тока