Внутренняя энергия. Работа в термодинамике. Количество теплоты.
Внутренняя энергия - сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетическая энергия их беспорядочного теплового движения.
U - внутренняя энергия тела определяется как функция его макроскопических параметров
U = U ( T ; V)
Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества и других факторов. Внутренняя энергия не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел, так как при изменении положения тела не меняется расстояние между молекулами тела и не меняется скорость частиц. При изменении температуры меняется скорость частиц и значит внутренняя энергия.
К внутренней энергии относят также и энергию, которую называют атомной энергией. При излучении тепловых явлений учитывают только энергию молекул, потому что главным образом она и изменяется в этих явлениях. Поэтому в дальнейшем, говоря о внутренней энергии, мы будем понимать под ней кинетическую энергию теплового движения и потенциальную энергию взаимодействия молекул.
Способы изменения внутренней энергии:
• механическая работа (трение, удар, сгиб и т. д.)
• теплопередача (теплопроводность, конвекция, излучение)
Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей.
Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части к другой. Энергию передают частицы, поэтому хорошие теплопроводники – металлы. Плохие теплопроводники – шерсть, волосы, перья птиц, так как между волокнами этих веществ содержится воздух. Ручки кастрюль, сковородок делают из пластмассы, чтобы не обжечься. Дома строят из бревен или кирпича, чтобы предохранить помещение от охлаждения.
При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости, поэтому их нагревают снизу. У потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола, поэтому радиаторы отопления располагаются внизу, а форточки вверху.
Энергия от солнца, основного источника жизни на земле, передается путем излучения. Излучение может осуществляться в отличие от других видов теплопередачи в полном вакууме. Тела по разному поглощают энергию излучения. Из-за этого поверхность шаров, дирижаблей, крылья самолетов красят серебристой краской, а там где используется солнечная энергия, части приборов окрашивают в темный цвет.
Первый закон термодинамики
Изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе
∆U = A+Q
A=P∆V
Q=cm∆t=cm(t2-t1)
2. Электрический ток в газах. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды.
Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и в нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Поэтому газы в нормальных условиях являются диэлектриками.
Носители электрического тока в газах могут возникнуть только в процессе ионизации газов, т.е. в процессе образования ионов в газе.
Процесс ионизации газов происходит под влиянием внешних воздействий (внешних ионизаторов): сильного нагревания, ультра-фиолетовых и рентгеновских лучей.
Процесс ионизации газов происходит следующим образом.
1. Под влиянием внешних факторов электроны отрываются от атомов или молекул. При этом атомы (молекулы) газов превращаются в положительные ионы.
2. Отрицательные ионы в газах могут возникнуть, если атомы (молекулы) присоединяют к себе электроны.
Мерой ионизации газов является интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположно заряженных частиц, возникающих в единице объёма газа за единицу времени.
Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации.
Процесс рекомбинации газов происходит следующим образом.
1. Положительные и отрицательные ионы могут при соударениях нейтрализовать друг друга, образуя обычные нейтральные молекулы.
2. При сближении электрона и положительного иона они могут вновь объединяться в нейтральный атом.
Электрический ток в газах называется газовым разрядом.
Газовый разряд бывает двух видов:
1. Самостоятельный газовый разряд.
2. Несамостоятельный газовый разряд.
Газовый разряд (проводимость газа) называют несамостоятельным, если он создаётся под влиянием каких – либо внешних факторов.
Газовый разряд (проводимость газа) называют самостоятельным, если он создаётся в газе под действием самого электрического поля, существующего между электродами (анодом и катодом).
Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, называется плазмой.
В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселенной.
При нагревании газа он становится проводником. Следовательно, в газе происходит ионизация. При этом нейтральные атомы газа распадаются на положительные ионы и свободные электроны.
| - |
| - |
| - |
| + + + + + + |
(отрицательный) электрон
| - |
| - |
| - |
| + + + + |
| - |
| - |
Ионизация газа
Несамостоятельный газовый разряд
1. При подаче разности потенциалов в трубке возникает электрический ток.
2. При небольшой разности потенциалов не все образующиеся ионы достигают электродов.
3. По мере увеличение разности потенциалов между электродами трубки доля заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается. При этом увеличивается и сила тока в цепи.
4. Наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за единицу времени (секунду), достигают за это время электродов. При этом дальнейшего роста тока не происходит. Данное максимальное значение силы тока называют током насыщения .
5. Если действие ионизатора прекратить, то прекратиться и ток в цепи, т.е. газовый разряд, так как других источников ионов нет. Если убрать внешний ионизатор, то новых ионов не образуется, а те, что есть, достигнут электрода или рекомбинируют.
Зависимость силы тока от напряжения при несамостоятельном газовом разряде.
Самостоятельный газовый разряд
При увеличении разности потенциалов между электродами трубки сила тока снова возрастает. Следовательно, в газе появляется дополнительный источник образования ионов. Преобладающую роль начинает играть разность потенциалов между катодом и анодом. Если постепенно увеличивать напряжение между электродами, то при некотором значении напряжения скорость электронов становится настолько велика, что при соударении электрона с молекулой происходит неупругий удар, в результате которого:
1. Молекула газа, оставаясь нейтральной, может перейти в «возбуждённое» состояние, при котором её внутренняя энергия становится больше, чем внутренняя энергия «невозбуждённой» молекулы.
2.Молекула будет ионизирована (это можно рассматривать как крайнюю степень возбуждения). Процесс ионизации газа, который возникает в результате соударения электрона с молекулой газа, называют ударной ионизацией. Электроны, оторвавшиеся в результате ионизации от молекул, в свою очередь могут под действием поля получить энергию, достаточную для ионизации. Вследствие этого концентрация ионов, а вместе с ней и электропроводность газа, сильно возрастает. Если убрать внешний ионизатор, то разряд не прекратится. Так как такой разряд не нуждается для своего поддержания во внешнем ионизаторе, его называют самостоятельным газовым разрядом.
Зависимость силы тока
от напряжения при
самостоятельном газовом разряде.
Виды самостоятельного разряда:
Искровой разряд.
Примеры искрового разряда – искры, возникающие при расчёсывании волос, при разрядке конденсатора.
Дуговой разряд .
Для резки и сварки металлических конструкций, для плавки металлов используют высокую температуру плазмы дугового разряда.
Тлеющий разряд
В настоящее время трубки с тлеющим разрядом находят практическое применение как источник света – газоразрядные лампы.
Коронный разряд
Используется световое излучение ламп дневного света, газоразрядных ламп уличного освещения; электрическая дуга применяется в кинопроекционном аппарате; ртутно-кварцевая лампа нашла применение в поликлиниках и больницах.
Часть 2. Выполните практическое задание
3. Задача на определение параметров колебательного движения по графику или уравнению.
По графику, представленному на рисунке, определите период и амплитуду колебаний.
1 2 3 4 5 6 7 t (с)
-5
По графику находим
А=5см
Т=4с
Билет № 4
Закон всемирного тяготения.
Закон всемирного тяготения
Между любыми двумя телами действует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению масс этих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними.
F=G=6,67.10-11 Н*м2/кг2 гравитационная постоянная
В такой формулировке Закон всемирного тяготения применим:
1. К телам которые можно считать материальными точками, т.е. к телам размеры которых значительно меньше расстояния между ними.
2. Для однородных шарообразных тел закон всемирного тяготения применим при любых расстояниях между телами. За расстояние между телами в этом случае принимают расстояние между центрами тел.
Физический смысл гравитационной постоянной
Гравитационная постоянная G численно равна силе гравитационного притяжения двух тел массой по 1 кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга.
1м
F=G=6,67.10-11 Н.
1кг 1кг
Значение закона всемирного тяготения
Закон всемирного тяготения лежит в основе небесной механики – науки о движении планет.
С помощью этого закона с огромной точностью определяются положения небесных тел на небесном своде на многие десятки лет вперед и вычисляются их траектории.
Закон всемирного тяготения применяется также в расчетах движения искусственных спутников Земли и межпланетных автоматических аппаратов.
Движение тел только под влиянием притяжения к Земле называют свободным падением.
Ускорение, сообщаемое всем телам земным шаром называют ускорением свободного падения g.
Силой тяжести называют силу притяжения, действующую со стороны Земли на все тела.