Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс

План ответа

1. Внутренняя энергия и ее измерение. 2. Ра­бота в термодинамике. 3. Первый закон термодина­мики. 4. Изопроцессы. 5. Адиабатный процесс.

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотиче­ски движутся и взаимодействуют друг с другом, по­этому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характери­зующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц си­стемы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2 • т/М • RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения внутрен­ней энергии: теплопередача и совершение механи­ческой работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопере­дача бывает трех видов: теплопроводность (непо­средственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излуче­ние (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче яв­ляется количество теплоты (Q).

Закон сохранения энергии: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.

∆ U = Q + А, где ∆ U − изменение внутренней энергии, Q − кол-во теплоты выделенное системе, А − работа внешних сил

Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А'. Тогда первый закон термодинамики можно записать так: Q = А'+ ∆ U

Т.е.: количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами А' = p(V₂ – V₁)=p∆V

Если процесс не является изобарным, величина работы мотет быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и нач. и конеч. Объемами газа. (рис. 13)

Рассмотрим применение первого закона тер­модинамики к изопроцессам, происходящим с иде­альным газом.

В изотермическом процессе температура по­стоянная, следовательно, внутренняя энергия не ме­няется. Тогда уравнение первого закона термодина­мики примет вид: Q = А', т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому темпе­ратура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и ко­личество теплоты, переданное газу, идет на увеличе­ние его внутренней энергии и на совершение им ра­боты: Q = ∆ U + А'.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:

Q = ∆ U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следо­вательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следова­тельно, газ охлаждается, Α' = ∆ U. Кривая, изобра­жающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

Билет № 12

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда

План ответа

1. Электрический заряд. 2. Взаимодействие за­ряженных тел. 3. Закон сохранения электрического заряда. 4. Закон Кулона. 5. Диэлектрическая проницаемость. 6. Электрическая постоянная. 7. Направ­ление кулоновских сил.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными час­тицами называется электромагнитным. Интенсив­ность электромагнитного взаимодействия опреде­ляется физической величиной — электрическим за­рядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух ви­дов зарядов. Один вид заряда назвали положитель­ным, носителем элементарного положительного за­ряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е=1,6•10^-19 Кл.

Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда: q=e(N_p-N_e) где N_p — количество электронов, N_e — количество протонов.

Полный заряд замкнутой системы(в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q₁ + q₂ +...+q_n = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к друго­му. Этот экспериментально установленный факт на­зывается законом сохранения электрического заря­да. Никогда и нигде в природе не возникает и не ис­чезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами эле­ментарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.

Электризация — это сообщение телу электри­ческого заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разно­родных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — поло­жительный.

Законы взаимодействия неподвижных элек­трических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспери­ментально установлен французским физиком Шар­лем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимо­действия двух точечных неподвижных электриче­ских зарядов в вакууме прямо пропорционален про­изведению величин этих зарядов и обратно пропор­ционален квадрату расстояния между ними.

F = k • q₁q₂/r², где q₁ и q₂ — модули зарядов, r — расстояние между ними, k — коэффициент пропор­циональности, зависящий от выбора системы еди­ниц, в СИ k = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл². Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε. Для среды с диэлектрической проницае­мостью ε закон Кулона записывается следующим об­разом: F= k • q₁q₂/(ε•r²)

Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоян­ной ε₀. Электрическая постоянная связана с коэффи­циентом k следующим образом k = 1/4π ε₀ и численно равна ε₀ =8,85 • 10^-12 Кл/Н • м².

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:F=(1/4π ε₀ )• (q₁q₂ /r²)

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы мож­но изобразить графически (рис. 14, 15).

Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой от­талкивания при одинаковых знаках.

Билет № 14

Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи

План ответа

1. Работа тока. 2. Закон Джоуля—Ленца 3. Элек­тродвижущая сила. 4. Закон Ома для полной цепи.

В электрическом поле из формулы определе­ния напряжения (U = A/q) легко получить выраже­ние для расчета работы переноса электрического за­ряда А = Uq, так как для тока заряд q = It, то работа тока: А = Ult, или А = I²R t = U²/R • t.

Мощность, по определению, N = A/t, следова­тельно, N = UI = I² R = U²/R.

Русский ученый X. Ленц и английский уче­ный Джоуль опытным путем в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля—Ленца и чи­тается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы, тока, со­противлению проводника и времени прохождения тока.

Q = I ²Rt.

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внеш­ние сопротивления и источник то­ка (рис. 18). Как один из участков цепи, источник тока обладает со­противлением, которое называют внутренним, г.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она берется за счет работы по перемещению зарядов, которую про­изводят силы неэлектрического происхождения (сто­ронние силы) против сил электрического поля. Ис­точник тока характеризуется энергетической харак­теристикой, которая называется ЭДС — электродви­жущая сила источника. ЭДС — характеристика источника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока. ЭДС измеряется отноше­нием работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому за­ряду ξ= A_ст/q

Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда мож­но записать так: A_ст = ξ q. Согласно определению си­лы тока q = It, поэтому A_ст = ξ I t. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках це­пи, сопротивления которых R и г, выделяется неко­торое количество теплоты. По закону Джоуля— Ленца оно равно: Q =I²Rt + I²rt. Согласно закону со­хранения энергии А = Q. Следовательно, ξ•= IR + Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = ξ /(R + r). Эту зависимость опытным путем получил Г. Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так. Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.

Билет № 15

Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция

План ответа