Внутренняя энергия и работа газа
Основы термодинамики
Повторение. Закон сохранения полной механической энергии : полная механическая энергия замкнутой системы, в которой не действуют силы трения (сопротивления), сохраняется.
Систему называют замкнутой , если все ее компоненты взаимодействуют только между собой.
Совершение работы и выделение энергии при термодинамических процессах говорит о том, что термодинамические системы обладают запасом внутренней энергии .
Под внутренней энергией системы U в термодинамике понимают сумму кинетической энергии движения всех микрочастиц системы (атомов или молекул) и потенциальной энергии их взаимодействия между собой. Подчеркнем, что механическая энергия (потенциальная энергия тела, поднятого под поверхностью Земли и кинетическая энергия его движения как целого) не входит во внутреннюю энергию.
Опыт показывает, что существуют два способа изменения внутренней энергии системы - совершение механической работы над системой и теплообмен с другими системами.
Первый способ изменения внутренней энергии - совершение механической работы А" внешними силами над системой или самой системой над внешними телами А (А = -А"). При совершении работы внутренняя энергия системы изменяется за счет энергии внешнего источника. Так, при накачивании велосипедного колеса система нагревается за счет работы насоса, при помощи трения наши предки смогли получить огонь и т. д.
Второй способ изменения внутренней энергии системы (без совершения работы) называется теплообменом (теплопередачей). Количество энергии, полученное или отданное телом при таком процессе, называется количеством теплоты и обозначается ΔQ .
Существуют три вида теплообмена: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
При теплопроводности происходит передача теплоты от более нагретого тела к менее нагретому при тепловом контакте между ними. Теплообмен может происходить и между частями тела: от более нагретой части к его менее нагретой без переноса частиц, составляющих тело.
Конвекция - перенос теплоты потоками движущихся жидкости или газа из одних областей занимаемого ими объема в другие. При нагревании чайника на плите теплопроводность обеспечивает поступление теплоты через дно чайника к нижним (пограничным) слоям воды, однако нагревание внутренних слоев воды как раз и есть результат конвекции, приводящей к перемешиванию нагретой и холодной воды.
Тепловое излучение - перенос теплоты посредством электромагнитных волн. При этом отсутствует механический контакт нагревателя и получателя теплоты. Например, при поднесении руки на небольшое расстояние к лампе накаливания Вы почувствуете ее тепловое излучение. Земля получает энергию от Солнца также за счет теплового излучения.
Поскольку внутренняя энергия U однозначно определяется термодинамическими параметрами системы, то она является функцией состояния. Соответственно, изменение внутренней энергии ΔU при изменении состояния системы (изменение температуры, объема, давления, переход из жидкого состояния в твердое и т. д.) может быть найдено по формуле
ΔU=U 2 - U 1
где U 1 и U 2 - внутренняя энергия в первом и во втором состояниях. Изменение внутренней энергии ΔU не зависит от промежуточных состояний системы в процессе такого перехода, а определяется только начальным и конечным значениями энергии.
| Внутренняя энергия 1-й закон термодинамики. | |
| Сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией. | |
| Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит - температурой тела. Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом. Следовательно: U=U (T,V) - внутренняя энергия зависит от объема и температуры. | U=U (T,V) |
| Для идеального газа: U=U (T) , т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем. - внутренняя энергия идеального одноатомного газа. Внутренняя энергия - однозначная функция состояния (с точностью до произвольной постоянной) и в замкнутой системе сохраняется. Обратное неверно(!) - одной и той же энергии могут соответствовать разные состояния. U – внутренняя энергия N – число атомов - средняя кинетическая энергия K – постоянная Больцмана m - масса M - молярная масса R – универсальная газовая постоянная Ρ плотность v – количество вещества | Идеальный газ: |
| Опыты Джоуля доказали эквивалентность работы и количества теплоты, т.е. и та и другая величины являются мерой изменения энергии, их можно измерять в одинаковых единицах: 1 кал = 4,1868 Дж ≈ 4,2 Дж. Эта величина наз. механическим эквивалентом теплоты. |
Любое макроскопическое тело имеет энер-гию , обусловленную его микросостоянием. Эта энергия называется внутренней (обо-значается U ). Она равняется энергии дви-жения и взаимодействия микрочастиц, из которых состоит тело. Так, внутренняя энер-гия идеального газа состоит из кинетической энергии всех его молекул, поскольку их вза-имодействием в данном случае можно пре-небречь. Поэтому его внутренняя энергия за-висит лишь от температуры газа (U ~ T ).
Модель идеального газа пре-дусматривает, что молекулы на-ходятся на расстоянии несколь-ких диаметров друг от друга. Поэтому энергия их взаимо-действия намного меньше энер-гии движения и ее можно не учитывать.
У реальных газов, жидкостей и твердых тел взаимодействием микрочастиц (атомов, молекул, ионов и т. п.) пренебречь нельзя, поскольку оно существенно влияет на их свойства. Поэтому их внутренняя энергия состоит из кинетической энергии теплового движения микрочастиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Их внутренняя энергия, кроме температуры T, будет за-висеть также от объема V, поскольку изме-нение объема влияет на расстояние между атомами и молекулами, а, следовательно, и на потенциальную энергию их взаимодей-ствия между собой.
Внутренняя энергия — это функция состояния тела, которая опреде-ляется его температурой T и объемом V.
Внутренняя энергия однознач-но определяется температурой T и объемом тела V, характе-ризующими его состояние: U = U(T, V)
Чтобы изменить внутреннюю энергию те-ла, нужно фактически изменить или кинетическую энергию теплового движения мик-рочастиц, или потенциальную энергию их взаимодействия (или и ту и другую вместе). Как известно, это можно сделать двумя способами — путем теплообмена или вслед-ствие выполнения работы. В первом случае это происходит за счет передачи опреде-ленного количества теплоты Q; во втором — вследствие выполнения работы A.
Таким образом, количество теплоты и выполненная работа являются мерой изме-нения внутренней энергии тела :
Δ U = Q + A.
Изменение внутренней энер-гии происходит за счет отдан-ного или полученного телом не-которого количества теплоты или вследствие выполнения ра-боты.
Если имеет место лишь теплообмен, то изменение внутренней энергии происходит путем получения или отдачи определенного количества теплоты: Δ U = Q. При нагрева-нии или охлаждении тела оно равно:
Δ U = Q = cm(T 2 — Т 1) = cm ΔT.
При плавлении или кристаллизации твер-дых тел внутренняя энергия изменяется за счет изменения потенциальной энергии вза-имодействия микрочастиц, ведь происходят структурные изменения строения вещества. В данном случае изменение внутренней энер-гии равняется теплоте плавления (кристал-лизации) тела: ΔU — Q пл = λ m, где λ — удель-ная теплота плавления (кристаллизации) твер-дого тела.
Испарение жидкостей или конденсация пара также вызывает изменение внутренней энергии , которая равна теплоте парообра-зования: Δ U = Q п = rm, где r — удельная теп-лота парообразования (конденсации) жидко-сти.
Изменение внутренней энергии тела вслед-ствие выполнения механической работы (без теплообмена) численно равно значению этой работы: Δ U = A.
Если изменение внутренней энергии происходит вследст-вие теплообмена, то Δ U = Q = cm(T 2 — T 1), или Δ U = Q пл = λ m, или Δ U = Q п = rm.
Следовательно, с точки зрения моле-кулярной физики: Материал с сайта
Внутренняя энергия тела является суммой кинетической энергии теп-лового движения атомов, молекул или других частиц, из которых оно состоит, и потен-циальной энергии взаимодействия между ни-ми; с термодинамической точки зрения она является функцией состояния тела (системы тел), которая однозначно определяется его макропараметрами — температурой T и объе-мом V.
Таким образом, внутренняя энергия — это энергия системы, которая зависит от ее внутреннего состояния. Она состоит из энергии теплового движения всех микро-частиц системы (молекул, атомов, ионов, электронов и т. п.) и энергии их взаи-модействия. Полное значение внутренней энергии определить практически невоз-можно, поэтому вычисляют изменение внут-ренней энергии Δ U, которое происходит вследствие теплопередачи и выполнения ра-боты.
Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии теплового движения и потен-циальной энергии взаимодей-ствия составляющих его мик-рочастиц.
На этой странице материал по темам:
Можно ли однозначно определить внутреннюю энергию тела
Тело имеет энергию
Доклад по физике на тему внутренняя энергия
От каких макропараметров зависит внутренняя энергия идеального газа
-
ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.
[Q]=Дж. Q=DU.
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ.
Плавление и кристаллизация.
Одно и то же вещество может находиться при определенных условиях в твердом, жидком и газообразном состояниях, называемых агрегатными.
ПЕРЕХОД ИЗ ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ В ЖИДКОЕ НАЗЫВАЕТСЯ ПЛАВЛЕНИЕМ. Плавление происходит при температуре, называемой температурой плавления. Температуры плавления веществ различны, т.к. различно их строение. Температура плавления - табличная величина. Во время процесса плавления температура не изменяется, т.к. подводимая теплота расходуется на разрушение кристаллической решетки твердого тела.
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ 1 КГ ТВЕРДОГО ТЕЛА, ВЗЯТОГО ПРИ ТЕМПЕРАТУРЕ ПЛАВЛЕНИЯ, В ЖИДКОСТЬ ТОЙ ЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТОЙ ПЛАВЛЕНИЯ . [l]=Дж/кг.
КРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ТВЕРДОЕ . Температура плавления вещества равна температуре его кристаллизации. Как и в процессе плавления, при кристаллизации температура не изменяется, т.к. при кристаллизации выделяется та теплота, которая когда - то была затрачена на плавление тела. Она и поддерживает температуру кристаллизующегося тела постоянной. В соответствии с законом сохранения энергии при расчете количества теплоты, выделившейся при кристаллизации, используется та же формула, что и при плавлении. Чтобы показать направление теплообмена, в нее вводится знак "минус".
Испарение и конденсация.
ИСПАРЕНИЕМ НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ПЕРЕХОДА ВЕЩЕСТВА ИЗ ЖИДКОГО СОСТОЯНИЯ В ГАЗООБРАЗНОЕ . Молекулы жидкости притягивают друг друга, поэтому из жидкости могут вылететь только самые быстрые молекулы, обладающие большой кинетической энергией. Если нет притока тепла, то температура испаряющейся жидкости понижается. Скорость испарения зависит от температуры жидкости, площади ее поверхности, от рода жидкости и наличия ветра над ее поверхностью.
КОНДЕНСАЦИЕЙ НАЗЫВАЕТСЯ ПРЕВРАЩЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ПАР . В открытом сосуде скорость испарения превышает скорость конденсации. В закрытом сосуде скорости испарения и конденсации равны.
При нагревании жидкости на дне и стенках сосуда начинается выделение растворенного в жидкости воздуха. Внутрь этих пузырьков происходит испарение жидкости. Под действием архимедовой силы пузырьки отрываются от стенок сосуда и всплывают вверх. Они попадают в еще непрогретую жидкость, пар конденсируется. Пузырьки схлопываются. При этом слышен характерный шум.
При прогревании жидкости конденсация пара в пузырьках прекращается. И пузырек пара, увеличиваясь в размерах из - за продолжающегося испарения, достигает поверхности жидкости, лопается, выбрасывая содержащийся в нем пар в атмосферу. Жидкость кипит. КИПЕНИЕ - ЭТО ПАРООБРАЗОВАНИЕ, ПРОИСХОДЯЩЕЕ ПО ВСЕМУ ОБЪЕМУ ЖИДКОСТИ . Кипение происходит при температуре, называемой температурой кипения, зависящей от рода жидкости и давления над ее поверхностью. При понижении внешнего давления температура кипения жидкости понижается. Во время процесса кипения температура жидкости остается постоянной, т.к. подводимая энергия расходуется на преодоление взаимного притяжения молекул жидкости.
КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, НЕОБХОДИМОЕ ДЛЯ ПРЕВРАЩЕНИЯ 1 КГ ЖИДКОСТИ В ПАР ТОЙ ЖЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОТОЙ ПАРАОБРАЗОВАНИЯ. [L] = Дж/кг. Удельная теплота парообразования у разных жидкостей различна и ее численное значение - табличная величина. Чтобы рассчитать количество теплоты, требующееся для испарение жидкости, надо удельную теплоту парообразования этой жидкости умножить на массу испарившейся жидкости.
При конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, которое было затрачено на ее испарение. Интенсивная конденсация пара происходит при температуре конденсации, равной температуре кипения.
Сгорание топлива.
При сгорании топлива идет процесс образования молекул углекислого газа из атомов углерода топлива и атомов кислорода атмосферного воздуха. Этот окислительный процесс сопровождается выделением большого количества теплоты. Для характеристики разных видов топлива вводится УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА - КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, ВЫДЕЛЯЮЩЕЕСЯ ПРИ ПОЛНОМ СГОРАНИИ 1 КГ ТОПЛИВА . [q]=Дж/кг. Как и все остальные удельные величины, удельная теплота сгорания топлива - табличная величина. Для вычисления количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива, надо удельную теплоту сгорания топлива умножить на массу топлива.
Сгорание топлива - необратимый процесс, т.е. он протекает только в одном направлении.
ЗАКОН КУЛОНА.
Точечным зарядом называется заряд, находящийся на теле, размерами и формой которого можно пренебречь в данных условиях. Закон взаимодействия неподвижных точечных зарядов был найден экспериментально с помощью крутильных весов Ш.Кулоном в 1785 г.
Крутильные весы представляют собой легкое изолирующее коромысло с закрепленными на его концах маленькими проводящими шариками, один из которых в опыте не участвует, а лишь является противовесом. Коромысло подвешивается на тонкой упругой нити. Через крышку прибора внутрь опускается третий такой же заряженный шарик. Один из шариков коромысла притягивается к введенному шарику. При этом заряд делится между ними пополам, т.е. на шариках будут одноименные одинаковые по величине заряды. Шарики оттолкнутся друг от друга. Силу взаимодействия между шариками измеряют по углу закручивания нити. Величину заряда можно изменять, извлекая из прибора третий шарик и снимая с него заряд. После введения его в прибор и нового разделения зарядов на шариках останется половина первоначального заряда. Изменяя величины зарядов и расстояния между ними Кулон установил, что СИЛА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТОЧЕЧНЫХ ЗАРЯДОВ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА МОДУЛЯМ ЗАРЯДОВ И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА КВАДРАТУ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ НИМИ . Точечными называют заряды, находящиеся на телах размером и формой которых можно пренебречь в данной конкретной ситуации.
F ~ q 1 , F~q 2 , F~1/r 2 Þ F~½q 1 ½½q 2 ½/r 2 .
Кроме того, было установлено, что сила взаимодействия между зарядами в вакууме больше, чем в любой диэлектрической среде. Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в данной среде, называется диэлектрической проницаемостью среды. Диэлектрическая проницаемость среды - табличная величина.
e = F в /F. [e] = 1.
Экспериментально установлено, что коэффициент пропорциональности в законе Кулона k=9*1О 9 Нм 2 /Кл 2 - это сила, с которой взаимодействовали бы в вакууме два точечных заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м.
F = k |q 1 | |q 2 |/ er 2 .
Закон Кулона справедлив также для заряженных шаров. Под r в этом случае понимают расстояние между их центрами.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ.
Увеличение разности потенциалов на концах проводника вызывает увеличение силы тока в нем. Ом экспериментально доказал, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов на нем.
При включении разных потребителей в одну и ту же электрическую цепь сила тока в них различна. Значит разные потребители по - разному препятсявуют прохождению по ним электрического тока. ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРОВОДНИКА ПРЕПЯТСТВОВАТЬ ПРОХОЖДЕНИЮ ПО НЕМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, НАЗЫВАЕТСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ . Сопротивление данного проводника - это постоянная величина при постоянной температуре. При повышении температуры сопротивление металлов возрастает, жидкостей - падает. [R] = Ом. 1 Ом - это сопротивление такого проводника, по которому течет ток 1 А при разности потенциалов на его концах 1В. Чаще всего используются металлические проводники. Носителями тока в них являются свободные электроны. При движении по проводнику они взаимодействуют с положительными ионами кристаллической решетки, отдавая им часть своей энергии и теряя при этом скорость. Для получения нужного сопротивления используют магазин сопротивлений. Магазин сопротивлений представляет собой набор проволочных спиралей с известными сопротивлениями, которые можно включать в цепь в нужной комбинации.
Ом экспериментально установил, что СИЛА ТОКА В ОДНОРОДНОМ УЧАСТКЕ ЦЕПИ ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ НА КОНЦАХ ЭТОГО УЧАСТКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНА СОПРОТИВЛЕНИЮ ЭТОГО УЧАСТКА.
Однородным участком цепи называется участок, на котором нет источников тока. Это закон Ома для однородного участка цепи - основа всех электротехнических расчетов.
Включая проводники разной длины, разного поперечного сечения, сделанные из разных материалов, было установлено: СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА ПРЯМО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ДЛИНЕ ПРОВОДНИКА И ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ПЛОЩАДИ ЕГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ. СОПРОТИВЛЕНИЕ КУБА С РЕБРОМ В 1 МЕТР, СДЕЛАННОГО ИЗ КАКОГО - ТО ВЕЩЕСТВА, ЕСЛИ ТОК ИДЕТ ПЕРЕПЕНДИКУЛЯРНО ЕГО ПРОТИВОПОЛОЖНЫМ ГРАНЯМ, НАЗЫВАЕТСЯ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ ЭТОГО ВЕЩЕСТВА . [r] = Ом м. Часто используется и несистемная единица удельного сопротивления - сопротивление проводника с площадью поперечного сечения 1 мм 2 и длиной 1 м. [r]=Ом мм 2 /м.
Удельное сопротивление вещества - табличная величина. Сопротивление проводника пропорционально его удельному сопротивлению.
На зависимости сопротивления проводника от его длины основано действие ползунковых и ступенчатых реостатов. Ползунковый реостат представляет собой керамический цилиндр с намотанной на него никелиновой проволокой. Подключение реостата в цепь осуществляется с помощью ползуна, включающего в цепь большую или меньшую длину обмотки. Проволока покрывается слоем окалины, изолирующей витки друг от друга.
А)ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ.
Часто в электрическую цепь включается несколько потребителей тока. Это связано с тем, что не рационально иметь у каждого потребителя свой источник тока. Существует два способа включения потебителей: последовательное и параллельное, и их комбинации в виде смешанного соединения.
а) Последовательное соединение потребителей.
При последовательном соединении потебители образуют непрерывную цепочку, в которой потребители соединяются друг за другом. При последовательном соединении нет ответвлений соединительных проводов. Рассмотрим для простоты цепь из двух последовательно соединенных потребителей. Электрический заряд, прошедший через один из потребителей, пройдет и через второй, т.к. в проводнике, соединяющем потребители не может быть исчезновения, возникновения и накапливания зарядов. q=q 1 =q 2 . Разделив полученное уравнение на время прохождения тока по цепи, получим связь между током, протекающим по всему соединению, и токами, протекающими по его участкам.
Очевидно, что работа по перемещению единичного положительного заряда по всему соединению слагается из работ по перемещению этого заряда по всем его участкам. Т.е. V=V 1 +V 2 (2).
Общая разность потенциалов на последовательно соединенных потребителях равна сумме разностей потенциалов на потребителях.
Разделим обе части уравнения (2) на силу тока в цепи, получим: U/I=V 1 /I+V 2 /I. Т.е. сопротивление всего последовательно соединенного участка равно сумме сопротивлений потебителей его составляющих.
Б) Паралельное соединение потребителей.
Это самый распространенный способ включения потребителей. При этом соединении все потребители включаются на две общие для всех потребителей точки.
При прохождении параллельного соединения, электрический заряд, идущий по цепи, делится на несколько частей, идущих по отдельным потребителям. По закону сохранения заряда q=q 1 +q 2 . Разделив данное уравнение на время прохождения заряда, получим связь между общим током, идущим по цепи, и токами, идущими по отдельным потребителям.
В соответствии с определением разности потенциалов V=V 1 =V 2 (2).
По закону Ома для участка цепи заменим силы токов в уравнении (1) на отношение разности потенциалов к сопротивлению. Получим: V/R=V/R 1 +V/R 2 . После сокращения: 1/R=1/R 1 +1/R 2 ,
т.е. величина, обратная сопротивлению параллельного соединения, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных его ветвей.
ПРАВИЛА КИРХГОФА.
Для рассчета разветвленных электрических цепей применяют правила Кирхгофа.
Точка цепи, в которой пересекаются три и более проводников называется узлом. По закону сохранения заряда cумма токов, приходящих вузел и выходящих из него равна нулю. I = O. (Первое правило Кирхгофа). АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ТОКОВ, ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ УЗЕЛ РАВНА НУЛЮ.
Ток, входящий в узел, считается положительным, выходящий из узла отрицательным. Направления токов в участках цепи можно выбирать произвольно.
Из уравнения (2) следует, что ПРИ ОБХОДЕ ЛЮБОГО ЗАМКНУТОГО КОНТУРА АЛГЕБРАИЧЕСКАЯ СУММА ПАДЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА АЛГЕБРАИЧЕСКОЙ СУММЕ ЭДС В ЭТОМ КОТУРЕ , - (второе правило Кирхгофа).
Направление обхода контура выбирается произвольно. Напряжение на участке цепи считается положительным, если направление тока на этом участке совпадает с направлением обхода контура. ЭДС считается положительной, если при обходе по контуру источник проходится от отрицательного полюса к положительному.
Если цепь содержит m узлов, то можно составить m - 1 уравнение по первому правилу. Каждое новое уравнение должно включать в себя хотя бы один новый элемент. Полное число уравнений, составленных по правилам Кирхгофа, должно совпадать с числом участков между узлами,т.е. с числом токов.
ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ.
Усиление магнитного поля соленоида при введении в него железного сердечника связано с тем, что железо в магнитном поле намагничивается и его магнитное поле, накладываясь на магнитное поле катушки усиливает его. Железо относится к сильномагнитным материалам, в число которых входят также никель, кобальт, гадолиний и их соединения. Намагниченность железного сердечника сохраняется и после выведения его из катушки. Тело, сохраняющее магнитные свойства, называется постоянным магнитом. У всякого постоянного магнита имеются два полюса - северный и южный. Это те места на магните, где магнитное поле наибольшее. Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, разноименные - притягиваются. Конфигурацию поля постоянных магнитов легко исследовать с помощью железных опилок.
Естественно намагниченные куски железа или железной руды уже в Древнем Китае использовали для ориентации на Земле, которая сама является громадным постоянным магнитом. Южный магнитный полюс Земли находится в районе северного географического полюса, но не совпадает с ним, северный магнитный полюс - в районе южного географического полюса. Положение магнитных полюсов не является постоянным. Кроме того, анализ осадочных пород Земли говорит о том, что магнитное поле Земли неоднократно изменяло полярность. Магнитное поле Земли играет огромную роль для всего живого на ней, т.к. оно защищает нас от потока быстрых частиц, летящих на Землю из космического пространства, большей частью - от Солнца. При изменении этого потока на Земле наблюдаются магнитные бури - кратковременные изменения магнитного поля Земли, вызывающие нарушение радиосвязи, отклонения в положении магнитных стрелок.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА.
В 182О г. Эрстед открыл, что магнитная стрелка, расположенная рядом с проводником, по которому идет электрический ток, поворачивается так, что ее ось совпадает с касательной к окружности, охватывающей этот проводник.
В том же году Ампер обнаружил взаимодействие проводников с током и нашел закон, которому подчиняется это взаимодействие. Действие проводника с током на магнитную стрелку и взаимодействие проводников с током можно объяснить тем, что проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле, которое и обнаруживается магнитной стрелкой или другим проводником с током.
Магнитное поле - особый вид материи, создаваемый движущимися электрическими зарядами (током) и обнаруживающееся по действию на движущиеся электрические заряды (ток). Магнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света. Оно убывает с увеличением расстояния от создающего его тока. Магнитное поле обладает энергией.
Для исследования магнитных полей используются маленькие магнитные стрелки, с помощью которых был найден удобный способ графического изображения магнитных полей, используя магнитные линии. Магнитная линия - это линия, вдоль которой располагаются оси маленьких магнитных стрелок в магнитном поле. Вид магнитных линий легко устанавливается с помощью мелких железных опилок, насыпанных на картон и внесенных в магнитное поле. При этом опилки, намагничиваясь в поле, располагаются цепочками вдоль магнитных линий. За направление этих линий принимается направление, которое указывал бы северный полюс магнитной стрелки.
Магнитные линии прямолинейного проводника с током представляют собой окружности, центром которых является проводник с током. Направление линий определяется правилом буравчика: если поступательное движение буравчика (правый винт) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращательного движения ручки буравчика совпадает с направлением магнитных линий.
Магнитные линии катушки с током (соленоида) представляют собой замкнутые кривые, охватывающие витки катушки. Направление этих линий легко определить по следующему правилу: если катушку взять правой рукой так, чтобы согнутые пальцы были направлены по току в ней, то отогнутый большой палец покажет направление магнитных линий по оси катушки.
Катушка с током представляет собой электромагнит подобный полосовому постоянному магниту. Магнитное поле катушки возрастает с увеличением числа ее витков и силы тока в ней. Для усиления магнитного поля используется железный сердечник, вводимый в катушку. То место, откуда магнитные линии выходят из катушки, является северным полюсом электромагнита, куда входят - южным полюсом.
Электромагниты широко используются в технике как для перемещения тяжелых железных деталей, железного лома, так и во многих электротехнических и радиотехнических устройствах.
Магнитное поле действует с некоторой силой на находящийся в нем проводник с током. Эта сила называется силой Ампера и зависит прямопропорционально от длины прорводника, силы тока в нем. Она зависит также от величины поля и от расположения проводника. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы.
Действие магнитного поля на проводник с током используется в электродвигателях. Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и подвижной - ротора. В пазах статора укладывается катушка, создающая магнитное поле. Ротор представляет собой катушку из многих витков, ток к которым подводится с помощью скользящих контактов - щеток. Для увеличения магнитного поля ротор и статор изготовляют из листов трансформаторной стали, изолированных друг от друга. Ротор приводится в движение силой Ампера. Для поддержания постоянного вращения направление тока в обмотке ротора периодически изменяется с помощью коллектора, представляющего собой в простейшем случае два полукольца, контактирующих со щетками. При движении ротора щетка переходит с одного полукольца на другое, изменяя направление тока в катушке ротора. Это дает ей возможность повернуться еще на полоборота, когда ток опять изменит направление.
Т.к. КПД электродвигателей (до 98 %) гораздо больше, чем у тепловых, то электродвигатели широко применяются на транспорте, на заводах и фабриках и т.д. Электродвигатели компактны, не загрязняют окружающую среду, легко управляемы.
ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ.
Фотоаппарат.
Фотоаппарат состоит из двух главных частей: светонепроницаемой камеры и объектива. В простейшем случае объективом может служить собирающая линза. Чтобы изображение было качественным по всему полю фотоснимка, объективы современных фотоаппаратов представляют собой сложную систему линз, в целом играющую роль собирающей линзы. Объектив фотоаппарата дает на фотопленке, покрытой светочувствительным слоем, действительное, обратное и, как правило, уменьшенное изображение фотографируемого предмета. Фотоаппарат работает на формуле тонкой линзы. Для получения четкого (резкого) изображения предмета объектив фотоаппарата делается подвижным. Перемещая объектив, добиваются необходимой резкости изображения. Фотографируемые предметы могут находиться одновременно на разных расстояниях от фотоаппарата. Глубина резкости достигается тем, что окно объектива может частично перекрываться диафрагмой. Чем меньше окно объектива, тем более четкими будут на снимке предметы, разноудаленные от фотоаппрарата.
При фотографировании объектив фотоаппарата автоматически открывается на небольшое время, называемое временем экспозиции. Чтобы изображение стало видимым, пленку проявляют в специальном растворе и закрепляют. Полученное изображение называется негативом, т.к. на нем наблюдается обратная светопередача. Те места фотопленки, на которые падало больше света, темнее и наоборот. Для получения фотокарточки (позитива) полученное изображение с помощью фотоувеличителя проецируется на фотобумагу. Затем бумага проявляется и закрепляется.
Современные фотоаппрараты могут давать цветное и даже объемное изображение. Некоторые аппараты дают сразу готовый фотоснимок. Развитием фотографии стало кино.
Фотография широко применяется в научных целях, в технике, криминалистике и т.д. Она может сделать нас свидетелями исторических событий. Широко распространена художественная фотография.
Проекционный аппарат.
Проекционный аппарат служит для получения действительного, увеличенного, обратного изображения тел на экране. Если получается изображение в проходящем свете (фото- и кинопленка, изображение на стекле), то аппарат называется диаскопом, в отраженном свете - эпископом. Часто применяется комбинация этих аппаратов - эпидиаскоп. Диаскоп состоит из источника света, конденсора и объектива. Для увеличения освещенности экрана за источником света часто располагают одно или несколько зеркал. Конденсор (две плоско - выпуклые линзы) направляет рассходящийся от источника свет в объектив. Простейшим объективом может служить собирающая линза. Предмет, изображение которого надо получить на экране, размещается между конденсором и объективом. Четкости изображения добиваются перемещением объектива.
Фотоувеличители, фильмоскопы, киноаппараты, кодоскопы являются проекционными аппаратами.
Глаз. Очки.
По своему устройству глаз напоминает фотоаппарат. Он состоит из: склеры - внешней части глаза, защищающей глаз от механических повреждений; роговицы - передней прозрачной части склеры; радужной оболочки с отверстием переменного диаметра в ней - зрачка; хрусталика - двояковыпуклой линзы; стекловидного тела, заполняющего объем глаза; сетчатки - нервных окончаний, передающих информацию в мозг. Пространство между роговицей и хрусталиком заполнено водянистой жидкостью, которая, в основном, и преломляет свет. Глаз работает на формуле тонкой линзы. Т.к. предметы могут располагаться от глаза на разных расстояниях, то для получения четкого изображения кривизна хрусталика может изменяться с помощию глазных мышц. Способность глаза давать четкое изображение предметов, находящихся от него на разных расстояниях, называется аккомодацией. Расстояние, на котором глаз дает возможность рассмотреть без большого напряжения мелкие детали предметов, называется расстоянием наилучшего зрения. Для здорового глаза оно равно 25 см. Ближний предел аккомодации около 12 см. Глубина резкости определяется площадью зрачка. Сетчатка состоит из палочек, дающих черно - белое изображение, и колбочек, дающих цветное изображение. Изображение на сетчатке глаза действительное, уменьшенное, обратное. Объемное зрение дают два глаза.
Если изображение, создаваемое глазом, лежит перед сетчаткой, то глаз называется близоруким. Чтобы рассмотреть предмет, близорукий человек подносит его близко к глазам и сильно напрягает глазные мышцы. Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими линзами. Дальнозоркий глаз создает изображение за сетчаткой. Дальнозоркость исправляется ношением очков с собирающими линзами. Надо отметить, что и близорукость, и дальнозоркость будут прогрессировать, если не использовать очки, т.к. при работе глазные мышцы будут перенапрягаться.
ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ.
Изучение тепловых явлений неизбежно должно было дать величину, характеризующую степень нагретости тел - температуру. При соприкосновении тел в результате взаимодействия молекул выравнивается их средняя кинетическая энергия. Температура - мера средней кинетической энергии молекул. Она показывает направление тепловых процессов, т.к. энергия самопроизвольно передается от более нагретых тел к менее нагретым, т.е. от тел с большей температурой к телам с меньшей температурой. Температура измеряется термометрами. Измерение температуры основано на установлении между телами, приведенными в соприкосновение теплового равновесия. На практике самое широкое распространение нашли жидкостные термометры, в которых используется изменение объема жидкости (ртуть или спирт) при нагревании. Расширяясь, жидкость поднимается по стеклянной трубочке, под которой располагается шкала. Реперными точками (т.е. точками, на которых базируется шкала температур) в международной практической системе температур, предложенной Цельсием, являются температура плавления льда (О 0 С) и температура кипения воды (1ООS0oTC). Расстояние между этими точками на шкале разбивается на 1ОО равных частей. Т.к. расширение жидкости в разных интервалах температур различно, то жидкостный термометр гарантирует правильность измерения только реперных температур. Большую точность имеют газовые термометры, в которых используется зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении или зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. В термометрах может использоваться также зависимость электрического сопротивления проводников и полупроводников от температуры.
ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЕ ИЗМЕНЕНИЯ.
Всякое тело состоит из громадного количества молекул. Молекулы тел непрерывно движутся, следовательно, они обладают кинетической энергией. Молекулы твердых и жидких тел взаимодействуют между собой, значит, они обладают и потенциальной энергией. СУММА КИНЕТИЧЕСКИХ И ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЭНЕРГИЙ МОЛЕКУЛ, СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕЛО, НАЗЫВАЕТСЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ. [U]=Дж.К внутренней энергии относится и энергия частиц, из которых состоят атомы.
Внутренняя энергия тела может изменяться во время различных тепловых процессов. Так, при нагревании, например, увеличиваются скорости движения молекул, а значит и их кинетическая энергия. При нагревании тела его объем увеличивается, изменяются расстояния между молекулами, а поэтому изменяется и потенциальная энергия их взаимодействия. Об изменении внутренней энергии можно судить по изменению температуры тела. С возрастанием температуры тела его внутренняя энергия увеличивается.
Внутреннюю энергию можно изменить двумя принципиально различными способами.
1. Если над телом совершать работу, оно нагревается, т.е. его внутренняя энергия возрастает. Если само тело совершает работу над внешними телами, его внутренняя энергия уменьшается. A=DU.
2. Внутреннюю энергию можно изменить и путем теплопередачи. ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕЙ, ИЛИ ТЕПЛООБМЕНОМ, НАЗЫВАЕТСЯ ПРОЦЕСС ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ БЕЗ СОВЕРШЕНИЯ РАБОТЫ. Так, чайник, стоящий на раскаленной плите, получает энергию путем теплопередачи.
Существует три вида теплопередачи: теплопроводность - передача энергии путем обмена ею молекулами при их взаимодействии; конвекция - передача энергии потоками нагретой жидкости или газа; излучение - передача энергии посредством электромагнитных волн. Причем, последний вид теплопередачи не требует непосредственного контакта тел или наличия между ними какого либо вещества.
Мерой переданной тепловой энергии при теплопередаче служит КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ - ТА ЧАСТЬ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, КОТОРУЮ ТЕЛО ПОЛУЧАЕТ ИЛИ ОТДАЕТ ПРИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ. [Q]=Дж. Q=DU.
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ.
Темы кодификатора ЕГЭ : внутренняя энергия, теплопередача, виды теплопередачи.
Частицы любого тела - атомы или молекулы - совершают хаотическое непрекращающееся движение (так называемое тепловое движение ). Поэтому каждая частица обладает некоторой кинетической энергией.
Кроме того, частицы вещества взаимодействуют друг с другом силами электрического притяжения и отталкивания, а также посредством ядерных сил. Стало быть, вся система частиц данного тела обладает ещё и потенциальной энергией.
Кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия вместе образуют новый вид энергии, не сводящийся к механической энергии тела (т.е. кинетической энергии движения тела как целого и потенциальной энергии его взаимодействия с другими телами). Этот вид энергии называется внутренней энергией.
Внутренняя энергия тела - это суммарная кинетическая энергия теплового движения его частиц плюс потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом .
Внутренняя энергия термодинамической системы - это сумма внутренних энергий тел, входящих в систему .
Таким образом, внутреннюю энергию тела образуют следующие слагаемые.
1. Кинетическая энергия непрерывного хаотического движения частиц тела.
2. Потенциальная энергия молекул (атомов), обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.
3. Энергия электронов в атомах.
4. Внутриядерная энергия.В случае простейшей модели вещества - идеального газа - для внутренней энергии можно получить явную формулу.
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа
Потенциальная энергия взаимодействия частиц идеального газа равна нулю (напомним, что в модели идеального газа мы пренебрегаем взаимодействием частиц на расстоянии). Поэтому внутренняя энергия одноатомного идеального газа сводится к суммарной кинетической энергии поступательного (у многоатомного газа приходится ещё учитывать вращение молекул и колебания атомов внутри молекул) движения его атомов. Эту энергию можно найти, умножив число атомов газа на среднюю кинетическую энергию одного атома:
Мы видим, что внутренняя энергия идеального газа (масса и химический состав которого неизменнны) является функцией только его температуры. У реального газа, жидкости или твёрдого тела внутренняя энергия будет зависеть ещё и от объёма - ведь при изменении объёма изменяется взаимное расположение частиц и, как следствие, потенциальная энергия их взаимодействия.
Функция состояния
Важнейшее свойство внутренней энергии заключается в том, что она является функцией состояния термодинамической системы. А именно, внутренняя энергия однозначно определяется набором макроскопических параметров, характеризующих систему, и не зависит от «предыстории» системы, т.е. от того, в каком состоянии система находилась прежде и каким конкретно образом она оказалась в данном состоянии.
Так, при переходе системы из одного состояния в другое изменение её внутренней энергии определяется лишь начальным и конечным состояниями системы и не зависит от пути перехода из начального состояния в конечное. Если система возвращается в исходное состояние, то изменение её внутренней энергии равно нулю.
Опыт показывает, что существует лишь два способа изменения внутренней энергии тела:
Совершение механической работы;
теплопередача.Попросту говоря, нагреть чайник можно только двумя принципиально разными способами: тереть его чем-нибудь или поставить на огонь:-) Рассмотрим эти способы подробнее.
Изменение внутренней энергии: совершение работы
Если работа совершается над телом, то внутренняя энергия тела возрастает.
Например, гвоздь после удара по нему молотком нагревается и немного деформируется. Но температура - это мера средней кинетической энергии частиц тела. Нагревание гвоздя свидетельствует об увеличении кинетической энергии его частиц: в самом деле, частицы разгоняются от удара молотком и от трения гвоздя о доску.
Деформация же есть не что иное, как смещение частиц друг относительно друга; гвоздь после удара испытывает деформацию сжатия, его частицы сближаются, между ними возрастают силы отталкивания, и это приводит к увеличению потенциальной энергии частиц гвоздя.
Итак, внутренняя энергия гвоздя увеличилась. Это явилось результатом совершения над ним работы - работу совершили молоток и сила трения о доску.
Если же работа совершается самим телом, то внутренняя энергия тела уменьшается.
Пусть, например, сжатый воздух в теплоизолированном сосуде под поршнем расширяется и поднимает некий груз, совершая тем самым работу (процесс в теплоизолированном сосуде называется адиабатным . Мы изучим адиабатный процесс при рассмотрении первого закона термодинамики). В ходе такого процесса воздух будет охлаждаться - его молекулы, ударяя вдогонку по движущемуся поршню, отдают ему часть своей кинетической энергии. (Точно так же футболист, останавливая ногой быстро летящий мяч, делает ею движение от мяча и гасит его скорость.) Стало быть, внутренняя энергия воздуха уменьшается.
Воздух, таким образом, совершает работу за счёт своей внутренней энергии: поскольку сосуд теплоизолирован, нет притока энергии к воздуху от каких-либо внешних источников, и черпать энергию для совершения работы воздух может только из собственных запасов.
Изменение внутренней энергии: теплопередача
Теплопередача - это процесс перехода внутренней энергии от более горячего тела к более холодному, не связанный с совершением механической работы . Теплопередача может осуществляться либо при непосредственном контакте тел, либо через промежуточную среду (и даже через вакуум). Теплопередача называется ещё теплообменом .
Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Сейчас мы рассмотрим их более подробно.
Теплопроводность
Если железный стержень сунуть одним концом в огонь, то, как мы знаем, долго его в руке не продержишь. Попадая в область высокой температуры, атомы железа начинают колебаться интенсивнее (т.е. приобретают добавочную кинетическую энергию) и наносят более сильные удары по своим соседям.
Кинетическая энергия соседних атомов также возрастает, и теперь уже эти атомы сообщают дополнительную кинетическую энергию своим соседям. Так от участка к участку тепло постепенно распространяется по стержню - от помещённого в огонь конца до нашей руки. Это и есть теплопроводность (рис. 1 )(Изображение с сайта educationalelectronicsusa.com).
Рис. 1. Теплопроводность
Теплопроводность - это перенос внутренней энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым за счёт теплового движения и взаимодействия частиц тела .
Теплопроводность разных веществ различна. Высокую теплопроводность имеют металлы: лучшими проводниками тепла являются серебро, медь и золото. Теплопроводность жидкостей гораздо меньше. Газы проводят тепло настолько плохо, что относятся уже к теплоизоляторам: молекулы газов из-за больших расстояний между ними слабо взаимодействуют друг с другом. Вот почему, например, в окнах делают двойные рамы: прослойка воздуха препятствует уходу тепла).
Плохими проводниками тепла являются поэтому пористые тела - такие, как кирпич, вата или мех. Они содержат в своих порах воздух. Недаром кирпичные дома считаются самыми тёплыми, а в мороз люди надевают меховые шубы и куртки с прослойкой пуха или синтепона.
Но если воздух так плохо проводит тепло, то почему тогда прогревается от батареи комната?
Происходит это вследствие другого вида теплопередачи - конвекции.
Конвекция
Конвекция - это перенос внутренней энергии в жидкостях или газах в результате циркуляции потоков и перемешивания вещества .
Воздух вблизи батареи нагревается и расширяется. Действующая на этот воздух сила тяжести остаётся прежней, а выталкивающая сила со стороны окружающего воздуха увеличивается, так что нагретый воздух начинает всплывать к потолку. На его место приходит холодный воздух (тот же процесс, но в куда более грандиозных масштабах, постоянно происходит в природе: именно так возникает ветер), с которым повторяется то же самое.
В результате устанавливается циркуляция воздуха, которая и служит примером конвекции - распространение тепла в комнате осуществляется воздушными потоками.
Совершенно аналогичный процесс можно наблюдать и в жидкости. Когда вы ставите на плиту чайник или кастрюлю с водой, нагревание воды происходит в первую очередь благодаря конвекции (вклад теплопроводности воды тут весьма незначителен).
Конвекционные потоки в воздухе и жидкости показаны на рис. 2 (изображения с сайта physics.arizona.edu).
Рис. 2. Конвекция
В твёрдых телах конвекция отсутствует: силы взаимодействия частиц велики, частицы колеблются вблизи фиксированных пространственных точек (узлов кристаллической решётки), и никакие потоки вещества в таких условиях образоваться не могут.
Для циркуляции конвекционных потоков при отоплении комнаты необходимо, чтобы нагретому воздуху было куда всплывать . Если радиатор установить под потолком, то никакая циркуляция не возникнет - тёплый воздух так под потолком и останется. Именно поэтому нагревательные приборы помещают внизу комнаты. По той же причине чайник ставят на огонь, в результате чего нагретые слои воды, поднимаясь, уступают место более холодным.
Наоборот, кондиционер нужно располагать как можно выше: тогда охлаждённый воздух начнёт опускаться, и на его место будет приходить более тёплый. Циркуляция пойдёт в обратном направлении по сравнению с движением потоков при обогреве комнаты.
Тепловое излучение
Каким образом Земля получает энергию от Солнца? Теплопроводность и конвекция исключены: нас разделяет 150 миллионов километров безвоздушного пространства.
Здесь работает третий вид теплопередачи - тепловое излучение . Излучение может распространяться как в веществе, так и в вакууме. Как же оно возникает?
Оказывается, электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом и обладают одним замечательным свойством. Если электрическое поле изменяется со временем, то оно порождает магнитное поле, которое, вообще говоря, также изменяется со временем (подробнее об этом будет рассказано в листке про электромагнитную индукцию). В свою очередь переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое опять порождает переменное магнитное поле, которое опять порождает переменное электрическое поле...
В результате развития этого процесса в пространстве распространяется электромагнитная волна -«зацепленные» друг за друга электрическое и магнитное поля. Как и звук, электромагнитные волны обладают скоростью распространения и частотой - в данном случае это частота, с которой колеблются в волне величины и направления полей. Видимый свет - частный случай электромагнитных волн.
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме огромна: км/с. Так, от Земли до Луны свет идёт чуть больше секунды.
Частотный диапазон электромагнитных волн очень широк. Подробнее о шкале электромагнитных волн мы поговорим в соответствующем листке. Здесь отметим лишь, что видимый свет - это крохотный диапазон данной шкалы. Ниже него лежат частоты инфракрасного излучения, выше - частоты ультрафиолетового излучения.
Вспомним теперь, что атомы, будучи в целом электрически нейтральными, содержат положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. Эти заряженные частицы, совершая вместе с атомами хаотическое движение, создают переменные электрические поля и тем самым излучают электромагнитные волны. Эти волны и называются тепловым излучением - в напоминание о том, что их источником служит тепловое движение частиц вещества.
Источником теплового излучения является любое тело. При этом излучение уносит часть его внутренней энергии. Встретившись с атомами другого тела, излучение разгоняет их своим колеблющимся электрическим полем, и внутренняя энергия этого тела увеличивается. Именно так мы и греемся в солнечных лучах.
При обычных температурах частоты теплового излучения лежат в инфракрасном диапазоне, так что глаз его не воспринимает (мы не видим, как мы «светимся»). При нагревании тела его атомы начинают излучать волны более высоких частот. Железный гвоздь можно раскалить докрасна - довести до такой температуры, что его тепловое излучение выйдет в нижнюю (красную) часть видимого диапазона. А Солнце кажется нам жёлто-белым: температура на поверхности Солнца настолько высока , что в спектре его излучения присутствуют все частоты видимого света, да ещё ультрафиолет, благодаря которому мы загораем.
Давайте ещё раз взглянем на три вида теплопередачи (рис. 3 )(изображения с сайта beodom.com).
Рис. 3. Три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение
Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.
Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается.
Если работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:
· Теплопроводность
· Конвекция
Конвекция — явление переноса теплоты в жидкостях или газах, или сыпучих средах потоками вещества. Существует т. н. естественная конвекция , которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова.
Тепловое излучение или лучеиспускание — передача энергии от одних тел к другим в виде электромагнитных волн за счёт их тепловой энергии.
Внутренняя энергия идеального газа
Исходя из определения идеального газа , в нем отсутствует потенциальная составляющая внутренней энергии (отсутствуют силы взаимодействия молекул, кроме ударного). Таким образом, внутренняя энергия идеального газа представляет собой только кинетическую энергию движения его молекул. Ранее (уравнение 2.10) было показано, что кинетическая энергия поступательного движения молекул газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.
Используя выражение универсальной газовой постоянной (4.6), можно определить величину константы α.
Таким образом, кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа будет определяться выражением.
В соответствии с кинетической теорией, распределение энергии по степеням свободы равномерное. У поступательного движения 3 степени свободы. Следовательно, на одну степень свободы движения молекулы газа будет приходиться 1/3 ее кинетической энергии.
Для двух, трех и многоатомных молекул газа кроме степеней свободы поступательного движения есть степени свободы вращательного движения молекулы. Для двухатомных молекул газа число степеней свободы вращательного движения равно 2, для трех и многоатомных молекул - 3.
Поскольку распределение энергии движения молекулы по всем степеням свободы равномерное, а число молекул в одном киломоле газа равняется Nμ, внутреннюю энергию одного киломоля идеального газа можно получить, умножив выражение (4.11) на число молекул в одном киломоле и на число степеней свободы движения молекулы данного газа.
где Uμ - внутренняя энергия киломоля газа в Дж/кмоль, i - число степеней свободы движения молекулы газа.
Для 1 - атомного газа i = 3, для 2 - атомного газа i = 5, для 3 - атомного и многоатомного газов i = 6.
Электрический ток. Условия существования электрического тока. ЭДС. Закон Ома для полной цепи. Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца.
Среди условий, необходимых для существования электрического тока различают: наличие в среде свободных электрических зарядов и создание в среде электрического поля . Электрическое поле в среде необходимо для создания направленного движения свободных зарядов. Как известно, на заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE, которая и заставляет свободные заряды двигаться в направлении электрического поля. Признаком существования в проводнике электрического поля является наличие не равной нулю разности потенциалов между любыми двумя точками проводника.
Однако, электрические силы не могут длительное время поддерживать электрический ток. Направленное движение электрических зарядов через некоторое время приводит к выравниванию потенциалов на концах проводника и, следовательно, к исчезновению в нем электрического поля. Для поддержания тока в электрической цепи на заряды кроме кулоновских сил должны действовать силы неэлектрической природы (сторонние силы). Устройство, создающее сторонние силы, поддерживающее разность потенциалов в цепи и преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию, называется источником тока.
Условия существования электрического тока:
· наличие свободных носителей зарядов
· наличие разности потенциалов. это условия возникновения тока. чтобы ток существовал
· замкнутая цепь
· источник сторонних сил, который поддерживает разность потенциалов.
Любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил, называют сторонними силами.
Электродвижущая сила.
Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.
Единицей ЭДС, как и напряжения является вольт. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Электродвижущая сила гальванического элемента численно равна работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от отрицательного его полюса к положительному. Знак ЭДС определяется в зависимости от произвольно выбранного направления обхода того участка цепи, на котором включен данный источник тока.
Закон Ома для полной цепи.
Рассмотрим простейшую полную цепь, состоящую из источника тока и резистора сопротивлением R. Источник тока имеющий ЭДС ε, обладает сопротивлением r, его называют внутренним сопротивлением источника тока. Для получения закона ома для полной цепи используем закон сохранения энергии.
Пусть за время Δt через поперечное сечение проводника пройдет заряд q. Тогда по формуле , работа сторонних сил при перемещении заряда q равна . Из определения силы тока имеем: q = IΔt. Следовательно, .
Благодаря работе внешних сил при прохождении тока в цепи на ее внешнем и внутреннем участках цепи выделяется количество теплоты, по закону Джоуля-Ленца равное:
Согласно закону сохранения энергии A ст = Q, поэтому Отсюда Таким образом, ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи.