fis_sh (1018368), страница 2

Вопрос N9. Постулаты СТО. Преобразования Лоуренса. Следствие из преобразований Лоуренса.

Ответ.

Постулаты СТО. 1. Принцип относительности Эйнштейна. Согласно ему, все законы природы одинаковы во всех системах отсчёта. Принцип относительности формулируется следующим образом: уравнения, выражающие законы природы инвариантны по отношению к преобразованиям координат и времени от данной инерциальной системы отсчёта к другой. (Инвариантностью называется неизменности вида всех уравнений, при замени в нём координат и времени, координатами и временем из другой системы.) 2. Принцип постоянства скорости света, утверждает, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от источников и приёмников света. Преобразования Лоуренса y'=y; z'=z; x'=(x-vt)/(1-v²/c²); t'=(t-vx/c²)/(1-v²/c²). Если применить общепринятое обозначение =v₀/c  y'=y; z'=z; x'=(x-ct)/(1-²); t'=(t-x/c)/(1-²). Следствия из преобразований Лоуренса. Из преобразований Лоуренса вытекает ряд необычных с точки зрения ньютоновской механики следствий : 1. Одновременность событий в разных системах отсчёта. Пусть в системе K в точках с координатами x₁ и x₂ происходят одновременно два события в момент времени t₁=t₂=b. Согласно t'=(t-x/c)/(1-²) в системе K' этим событиям буду соответствовать моменты времени t₁'=(b-x₁/c)/(1-²), t₂'=(b-x₂/c)/(1-²), из этих формул видно, что если события в системе K пространственно разобщены (x₁x₂), то в системе K они не будут одновременны. 2. Длина тел в разных системах отсчёта. Воспользовавшись обозначениями l и l₀, а также заменив относительную скорость систем отсчёта v₀ равной ей скоростью v стержня относительно системы K, придём к соотношению: l=l₀(1-v²/c²). Таким образом, длинна стержня l, измеренная в системе, относительно которой он движется, окажется меньше длинны l₀, измеренной в системе, относительно которой стержень покоится. 3. Промежуток времени между событиями. Пусть в одной и той же точке системы K происходят два события. Первому событию в этой системе соответствует координата x₁'=a и момент времени t₁', второму событию соответствует координата x₂'=a и момент времени t₂'. Этим событиям в системе K соответствует момент времени t₁₍₂₎=( t₁₍₂₎'+(v₀/c²)a)/(1-v₀²/c²)t₁-t₂= (t₁'-t₂')/(1-v₀²/c²). Введя обозначения t₁-t₂=t и t₁'-t₂'=t' получим формулу : t=t'/(1-v₀²/c²), которая связывает промежуток времени между двумя событиями, измеренное в системах K и K'. Напомним, что в системе K' оба события происходят в одной и той же точке x₁'= x₂' (Собственное время - это время, отсчитанное по часам, движущимся вместе с частицей (=t) : =t'/(1-v₀²/c²).

Вопрос N10. Статические и термодинамические методы исследования. Термодинамические параметры. Идеальный газ. Равновесные и неравновесные состояния и системы.

Ответ. Статические и термодинамические методы исследования. Статический метод исследования - это метод, который интересуется не движением отдельных молекул, а лишь такими средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц (статическая физика). Термодинамический метод исследования - это метод исследования различных свойств тел и изменения состояния вещества (изучение микроскопических свойств тел и явлений природы).Термодинамические параметры. При указании состояния газа используются различные термодинамические параметры : это p - давление, V - объём и T - температура. Между ними существует связь, которая может быть заданна в виде функции F(p,V,T)=0. Нормальные условия T=273, p=10⁵Па, V_м=22,410^-3м³/моль (V_м - объём одного моля газа). Идеальный газ. Идеальнуй газ - это газ взаимодействие между малекулами которого пренебрежимо мало. При небольших плотностях газы подчиняються уравнению: pV/T=const. Когда количество газа будет равно одному молю, то величина константы будет одинакова для всех газов. Обозначив её R получим уравнение pV_m=RT ( R=8,31Дж/(МольК - универсальная газовая постоянная). Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клаперон) pV=(m/M)RT, где m-это масса газа, M - молярная масса, m/M= - количество вещества. Термодинамическая система. Равноаесные и неравновесные состояния и процессы. Всякая система может находиться в разных состояниях, отличается температурой, давлением и объёмом - это термодинамические параметры. Состояния бывают равновесными и неравновесными. Равновесные состояния - это состояния, при которых все параметры системы имеют определённые значения, остающиеся при неизменных условиях одинаковыми. Неравновесные состояния - это состояния, при которых какой-нибудь параметр изменяется. Процесс - это переход системы из одного состояния в другое. Равномерный процесс - это процесс состоящий из непрерывных состояний.

Вопрос N11. Средняя квадратичная скорость молекул. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры.

Ответ.

Средняя квадратичная скорость молекул. V_ср.кв.=(3kT/M), где k=1,3810^-23 - постоянная Больцмана, T - температура. Молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры. С точки зрения молекулярно-кинетической теории абсолютная температура есть величина, пропорциональная средней энергии поступательного движения молекулы. <_пост>=3/2kT.

Вопрос N13. Работа газа при расширении. Количество теплоты. Первое начало термодинамики.

Ответ.

Работа газа при расширении. 1. Изобарный процесс. p=const, A=p(V₂-V₁). 2. Изотермический процесс. t=const, A=(m/M)RTln(V₂/V₁). 3. Адиабатный процесс. dQ=0 A=(m/M)C_v(T₂-T₁) или A=((m/M)(RT₁)/(-1))(1-(V₁/V₂)^-1). Количество теплоты Q определяет количество энергии, переданной от тела к телу путём теплопередачи. Теплопередача - это совокупность микроскопических процессов, приводящих к передачи энергии от тела к телу. Q=U₁-U₂+A, где U₁ и U₂ - начальные и конечные значения внутренней энергии системы. Первое начало термодинамики. Количество тепла, сообщённого системы идёт на приращение внутренней энергии системы и совершение работы над внешними телами. Q=U+A. 1. При изобарном процессе Q=U+A=C_vT+RT. 2. При изохорном процессе A=0 Q=U=C_vT. 3. При изотермическом процессе U=0 Q=A=RTln(V₂/V₁). 4. При адиабатном процессе Q=0 A=-U=-C_vT.

Вопрос N12. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (вывод). Число степеней свободы молекул. Закон распределения энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа.

Ответ.

Основное уравнение МКТ (вывод). n=Nv,p=?,p=<F>/S - из второго закона Ньютона <F>=<k>, k - импульс, <k> - средний импульс, p=<k>/<s>t, k_i'=2m₀v_i, k_i=V_i2m₀v_i, V_i-число соударений о стенки сосуда за t. V_i=Sv_it1/6, <k_i>=1/3m₀v_i²n_iSt, k_i=1/3m₀Stn_iv_i²=1/3m₀St_n(n_iv_i²/n)=1/3m₀n<v²>,p=1/3m₀n<v²>=2/3n<_i>, <_i>=m₀<v²>/2. Число степеней свободы молекулы. Числом степеней свободы механической системы называется количество величин, с помощью которых может быть задано положение системы. Материальная точка имеет три степени свободы. Твёрдое тело произвольной формы - 6 (3 поступательных, три вращательных). 1. Одноатомная молекула - 3. 2. Двухатомная молекула - 5. 3. Трёхатомная молекула -7. Закон распределения энергии по степеням свободы. На каждую степень свободы приходится в среднем одинаковая кинетическая энергия, равная 1/2kT. 1. Средняя энергия одной молекулы <>=i(kT/2). 2. Внутренняя энергия одного моля газа. U_m=<>N_A=(i/2)kN_AT. 3. Внутренняя энергия произвольной массы газа. U=(m/M)U_M=(m/M)(i/2)RT. Внутренняя энергия идеального газа. U=N<>, <> - средняя кинетическая энергия молекул. <>=(i/2)(kT), где k=1,3810^-23Дж/К, i - это сумма числа поступательных, вращательных и колебательных степеней свободы молекул. i=i_пост.+ i_вращ.+2i_кол..

Вопрос N14. Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоёмкости. Удельная и молярные теплоёмкости. Формула Майера. Границы применимости теории.

Ответ.

Классическая молекулярно-кинетическая теория теплоёмкости. Теплоёмкостью какого либо тела называется величина равная количеству тепла, необходимого для того, чтобы изменить температуру тела на 1К. C_тела=d'Q/dT (Джуль/К). Теплоёмкость моля вещества называется молярной теплоёмкостью C (Джоуль/(МольК)). Теплоёмкость единицы массы вещества называется удельной теплоёмкостью c (Джоуль/(кгК)). c=C/M. Величина теплоёмкости зависит от условий, при которых происходит нагревание тела. 1. При постоянном объёме C_v=dU_M/dT. 2. При постоянном давлении C_p=dU_M/dT+p(V_M/T)_p ; C_p=C_v+p(V_M/T)_p; (V_M/T)_p=R/p. C_p=C_v+R. C_p=(i/2)(R/M); C_p=((i+2)/2)(R/M). Формула Майера. C_p=C_v+R из формулы Майера видно, что работа, которую совершает моль идеального газа при повышении его температуры на 1 К при постоянном давлении оказывается равной газовой постоянной R.

Вопрос N15. Изопроцессы идеального газа. Зависимость теплоёмкости от вида процесса. Адиабатный процесс.

Ответ.

Изопроцессы идеального газа. У идеального газа есть три изопроцесса. 1. Изотермический процесс. T=const, pV=const, const=(m/M)RT. 2. Изобарный процесс. p=const, V/T=const, const=(m/M)R/p. 3. Изохорный процесс. V=const, p/T=const, const=(m/M)R/V. Зависимость теплоёмкости от вида процесса. 1. Для изотермического процесса C=. 2. Для адиабатного процесса C=0. Адиабатный процесс. Адиабатным называется процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q=0  газ при расширении совершает работ за счёт уменьшения его внутренней энергии.  газ охлаждается A'=U. Кривая, изображающая адиабатический процесс называется адиабатой.

Вопрос N16. Тепловой двигатель и холодильная машина. К.П.Д. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс. Цикл Карно для идеального газа и его КПД.

Ответ.

Тепловой двигатель и холодильная машина. Тепловой двигатель это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счёт поступающего из вне тепла. К.П.Д. тепловой машины это отношение совершённой работы за цикл к полученному теплу. Q₁ - это количество получаемого тепла, Q₂ это количество отдаваемого тепла. =A/Q₁=(Q₁-Q₂)/Q₁, если обратить это процесс, то получится цикл холодильной машины. Она отбирает за цикл от тела с температурой T₂ количество теплоты Q₂ и отдаёт телу с более высокой температурой T₁ количество тепла Q₁. К.П.Д. холодильной машины. Холодильный коэффициент=Q₂/A'=Q₂/(Q₁'-Q₂) - работа, которая затрачивается на приведение машины в действие. К.П.Д. =1-(T₂/T₁)=(T₁-T)/T₁ Коэффициент полезного действия всех обратимых машин, работающих в идентичных условиях, одинаков и определяется только температурами нагревателей и холодильников. Обратимые и необратимы процессы. Обратимыми процессами называются такие процессы, которые могут быть проведены в обратном направлении таким образом, что система будет проходить через те же состояния, что и при прямом ходе, только в обратной последовательности. Необратимыми процессами называются такие процессы, которые не могут проходить в обратном направлении. Круговой процесс. Круговыми процессами называются такие процессы, при которых система после ряда изменений возвращается в обратное состояние. Цикл Карно для идеального газа и его К.П.Д. Цикл Карно - это обратимый цикл, совершённый веществом, вступающим в тепловой обмен с двумя тепловыми резервуарами бесконечно большой ёмкости. Он состоит из двух изотерм и двух адиабат. К.П.Д. для цикла Карно =1-(T₁/T₂).

Вопрос N17. Второе начало термодинамики. Статистическое толкование второго начала термодинамики. Энтропия в термодинамики. Статистическое толкование энтропии.

Ответ.

Второе начало термодинамики. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых являлось бы отнятие от некоторого тела тепла и превращение этого тепла полностью в работу. Статистическое толкование второго начала термодинамики. Энтропия изолированной системы может только возрастать либо оставаться неизменной. dS0. Энтропия в термодинамике. Сумма приведённых количеств тепла, полученных системой при переходе из одного состояния в другое не зависит от процесса, при котором это происходит, поэтому dQ/T представляет собой приращение некоторой функции состояния. Эта функция называется энтропией. dS=(dQ/T)_обр. Свойства энтропии. 1. dSdQ/T. 2. Энтропия изолированной системы может только возрастать, так как теплоизолированная система dQ=0, dS0. 3. Для обратимых процессов dQ=0, dS=0, S=const. Статистическое толкование энтропии. 1. Энтропия изолированной системы при протекании необратимого процесса возрастает. Действительно изолированная система переходит из менее вероятных в более вероятные состояния, что сопровождается ростом величины S=kln, где  - это статистический вес, то есть количество способов, которым может быть осуществлено данное состояние. 2. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна.

Вопрос N18. Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям теплового движения. Вероятностное толкование закона распределения Максвелла.

Ответ.

Закон Максвелла для распределения молекул идеального газа по скоростям теплового движения. В 1860 году Максвелл теоретически установил распределение молекул идеального газа по скоростям теплового движения и записал в виде F(v)=f(v)4v² и позже получил то, что впоследствии назвал формулой распределения молекул идеального газа по скоростям теплового движения. Она имеет вид F(v)=(m/(2kT))^3/2exp(-mv²/(2kT))4v². Вероятностное толкование закона распределения Максвелла. Выражение dN_v=Nf(v)4v²dv даёт число молекул, величина скоростей которых лежит в интервале от v до v+dv. Разделив его на n получим вероятность того, что скорость молекулы окажется между v и v+dv, то есть dP_v=f(v)4v²dv.

Вопрос N20. Среднее число столкновение и средняя длина пробега молекул идеального газа. Эффективный диаметр молекул.

Ответ.

Средним числом столкновений молекул идеального газа за одну секунду называется величина, равная <z>=(2)d²n<v>. Средней длиной свободного пробега молекул идеального газа называется величина равная =<v>/<z>=1/((2)d²n). Эффективный диаметр молекул d - это минимальное расстояние, на которое сближаются при столкновении центры двух молекул. Величина =d² называется эффективным сечением молекулы.

Вопрос N19. Барометрическая формула. Закон Больцмана для распределения частиц идеального газа во внешнем потенциальном поле.

Ответ.

Барометрическая формула. p=p₀exp(-(Mgh)/(RT)). Эта формула называется барометрической. Из неё следует, что давление убывает с высотой тем быстрее, чем тяжелее газ (чем больше M) и чем ниже температура. Закон Больцмана для распределения частиц идеального газа во внешнем потенциальном поле. n=n₀exp(-_p/(kT)) Больцман доказал, что это распределение справедливо не только в случае потенциальных сил земного тяготения, но и в любом потенциальном поле сил совокупности любых одинаковых частиц, находящихся в состоянии хаотического движения. В соответствии с этим это распределение было названо законом Больцмана для распределения частиц идеального газа во внешнем потенциальном поле.

Вопрос N21. Реальные газы. Силы потенциальной энергии молекулярного взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Вальса. Изотерма реального газа. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа.

Ответ.

Реальные газы. Поведение реальных газов хорошо описывается уравнением pV_M=RT только при слабых силах межмолекулярного взаимодействия. Реальный газ - это газ, между молекулами которого существуют заметные силы межмолекулярного взаимодействия. Для описания свойств реального газа используются уравнения, отличающиеся от уравнения Клаперона-Менделеева. Уравнение Ван-дер-Вальса описывает поведение газов в широком интервале плотностей: (p+(a'/V²))(V-b')=RT, a'=²a, b'=b, где a и b - константы Ван-дер-Вальса, зависящие от газа,  - количество молей, p - давление, оказываемое на газ извне (равное давлению газа на стенки сосуда). Изотермы реального газа. Изотермическое - это состояние, когда температура постоянна. Для этого случая, то есть для изотермической атмосферы зависимость давления от высоты равняется p=p₀exp(-(Mgh)/(RT)) - это барометрическая формула. Внутренняя энергия реального газа. U=C_vT-a'/V, где a'=²a. По этой формуле можно находить приближенное значение внутренней энергии реальных газов.