12-15.10.2020
Естествознание
Группы: ЛОГ-14, ЛОГ-11, ЛОГ-12, ЭК-11, БД-11, ЛОГ-13
Преподаватель: Метелица М.Д.
Тема: Основы термодинамики. Электродинамика.
Краткий лекционный материал.
Термодинамика – теория тепловых процессов, в которой не учитывается молекулярное строение тел.
Макроскопические тела, состоящие из большого количества частиц, наряду с механической энергией обладают ещё и особым видом энергии, заключённым внутри самих тел. Это внутренняя энергия.
Внутренняя энергия тела – это суммарная кинетическая энергия теплового движения частиц и потенциальная энергия их взаимодействия друг с другом.
Внутренняя энергия термодинамической системы – это сумма внутренних энергий тел, входящих в эту систему.
Таким образом, внутреннюю энергию составляют:
1. Кинетическая энергия хаотического движения частиц тела.
2. Потенциальная энергия молекул или атомов, обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия.
3. Энергия электронов в атомах
4. Внутриядерная энергия.
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его абсолютной температуре.
Работа в термодинамике равна изменению внутренней энергии тела. При сжатии или расширении меняется внутренняя энергия тела.
Причина изменения температуры газа в процессе его сжатия состоит в следующем: при упругих соударениях молекул газа с движущимся поршнем изменяется их кинетическая энергия, а, следовательно, и внутренняя энергия. Газ нагревается.
Количественную меру изменения внутренней энергии при тепловом обмене называют количеством теплоты.
Для нагревания или охлаждения тела необходимо передать ему определённое количество теплоты:
Для превращения жидкости в пар:
При конденсации пара происходит выделение такого же количества теплоты:
Для того, чтобы расплавить кристаллическое тело массой m, необходимо количество теплоты, равное:
При кристаллизации:
Первый закон термодинамики:
Изменение внутренней энергии системы при фазовом переходе равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
Закон сохранения энергии.
Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.
Второй закон термодинамики.
Невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более нагретой при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах и окружающих телах.
Изопроцессы.
Если масса газа и его молярная масса фиксированы, то состояние газа определяется тремя параметрами: давлением, объёмом и температурой.
Термодинамический процесс – это изменение состояния газа с течением времени. В ходе такого процесса меняются значения всех трёх макроскопических параметров. Но существую такие термодинамические процессы, в которых один из параметров остаётся неизменным. Поочерёдно фиксируя каждый из них, мы получим три вида изопроцессов:
1. Изотермический процесс идёт при постоянной температуре газа (Т=const)
2. Изобарный процесс идёт при постоянном давлении (p=const)
3. Изохорный процесс протекает при постоянном объёме (V=const)
Понятие фазы вещества.
Вещество может находиться в различных агрегатных состояниях или фазах. Например, три агрегатных состояния имеет вода – жидкое, твёрдое и газообразное. Это и три фазы воды.
Но понятие фазы вещества и его агрегатное состояние не являются тождественными. В пределах одного агрегатного состояния вещество может находиться в различных фазах. В качестве примера, можно рассмотреть алмаз, графит. Химический анализ показывает, что эти вещества состоят полностью из углерода, но физически их можно различить невооружённым глазом. Таким образом, алмаз и графит – это фазы углерода. Они отличаются только своим пространственным строением.
В окружающей среде мы часто видим фазовый переход вещества. Например, жидкая вода превращается в пар. Если такой фазовый переход происходит в поверхностном слое жидкости, то его называют испарением. Испаряющаяся вода забирает некоторое количество теплоты из окружающего воздуха, т.е. процесс испарения протекает с поглощением энергии. Стоит отметить, что испарение происходит при любой температуре, только с разной скоростью. Также скорость испарения зависит от площади поверхности.
Противоположным испарению является процесс конденсации: переход их газообразного состояния в жидкое. Часть молекул при таком процессе немного теряет своей внутренней энергии, начинает двигаться медленнее, и превращается вновь в жидкость.
При некоторых условиях два этих противоположных процесса проходят параллельно друг с другом и с одинаковой скоростью. В таком случае мы говорим о динамическом равновесии. Пар, который пришёл в динамическое равновесие со своей жидкостью, называется насыщенным.
Количество водяного пара, содержащегося в 1 м3 воздуха, называют абсолютной влажностью воздуха.
Абсолютная влажность воздуха не определяет климатических условий. Решающую роль играет именно температура воздуха. При одной и той же абсолютной влажности воздух в зависимости от температуры вызывает ощущение сухой или сырой погоды. Всё дело в том, насколько находящийся в воздухе пар близок к состоянию насыщения.
Относительной влажностью воздуха называется выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к плотности насыщенного пара при данной температуре.
Температура, при которой находящийся в воздухе пар приходит в состояние насыщения, называют точкой росы. В этом случае относительная влажность воздуха равна 100%, а процессы испарения и конденсации пара идут параллельно.
Электродинамика.
Электродинамика – это наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи – электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрически заряженными телами или частицами.
Если частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые убывают с увеличением расстояния, так же как и силы всемирного тяготения, но превышают силы всемирного тяготения во много раз, то говорят, что эти частицы имеют электрический заряд. Сами частицы – называют заряженными.
Электрический заряд обладает следующими свойствами:
1. Заряд имеет только два знака – «+» и «-»
2. Дискретность (заряд изменяет на некоторую величину)
3. Делимость (заряд можно разделить, но не бесконечно)
В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл частицу, являющуюся носителем электрического заряда. Позже эту частицу назвали электроном.
Его масса оказалась почти в 2000 раз меньше массы самого лёгкого атома в природе – водорода. Заряд электрона отрицательный:
Совокупность атомов одного вида называют химическим элементом. Атомы различных химических элементов отличаются друг от друга зарядом ядра, он всегда положительный и совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице.
Закон кулона.
Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Вокруг неподвижного электрического заряда возникает электрическое поле. О природе электрического поля можно сказать следующее:
1. Поле материально, оно существует независимо от нас и наших знаний о нём
2. Поле обладает определёнными свойствами, которые не позволяют его спутать с чем-либо другим в окружающем мире.
3. Действует на электрические заряды с некоторой силой
Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим.
Домашнее задание.
1. Определите число элементарных частиц в атомах следующих элементов:
a. Стронций
b. Магний
c. Углерод
d. Алюминий
e. Франций
f. Аргон
2. Как изменится внутренняя энергия одноатомного идеального газа, если его давление увеличится в 3 раза, а объём уменьшится в 2 раза.
3. Газ, находящийся под давлением 105 Па, изобарно расширился, совершив работу А=25 Дж. Насколько увеличился объём газа?